2023柔性直流輸電換流站模塊化多電平換流器子模塊狀態(tài)評(píng)估方法

柔性直流輸電換流站模塊化多電平換流器子模塊狀態(tài)評(píng)估方法目 次范圍 1規(guī)范引文件 1術(shù)語(yǔ)定義 1子塊IGBT態(tài)估 3線估法 3線估法 3子模電器態(tài)評(píng)估 3線估法 3線估法 4子模態(tài)估 4模狀評(píng)方法 4態(tài)級(jí)準(zhǔn) 4置議 4附錄A（資性） 5附錄B（資性） 5附錄C（資性） 11附錄D（資性） 12IPAGEPAGE10范圍本文件規(guī)定了柔性直流輸電換流站模塊化多電平換流器子模塊絕緣柵雙極晶體管IGBT與直流支撐電容器的狀態(tài)評(píng)估方法。本文件適用基于半橋子模塊、全橋子模塊構(gòu)成的模塊化多電平換流器（MMC），其它柔性直流輸電換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的子模塊狀態(tài)評(píng)估也可參考使用。子模塊主要器件由IGBT和自愈式金屬化電介質(zhì)電容器組成，其他類型器件的狀態(tài)量獲取方法可參考本文件。下列件于文的用是不少是日期引文注期的本適用于文件凡是注期的用文，其新本（括所的修單適用本文件。GB/T11204.1 稱壓1000V上流力系并聯(lián)容第部：則GB/T17702 GB/T29332 9(IGBT)GB/T34118 GB/T35702.1 GB/T35702.2 GB/T37008GB/T37010IEC60749-34半導(dǎo)體器件機(jī)械和環(huán)境試驗(yàn)方法第34部分：功率循環(huán)（Semiconductordevices-Mechanicalandclimatictestmethods–Part32:Powercycling）IEC62747(HVDC)(VSC)術(shù)語(yǔ)（Terminologyforvoltage-sourcedconverters(VSC)forhigh-voltagedirectcurrentHVDC)systems）IEC62751-2高壓直流(HVDC)系統(tǒng)電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)的功率損耗第2部分:模塊化多電平（Powerlossesinvoltagesourcedconverters(VSCforhigh-voltagedirectcurrentHVDC)systemsPart2:Modularmultilevelconverters）QC/T1136 （IGBT）DL/T1833 GB/T17702、GB/T29332、GB/T34118、GB/T37008、DL/T1833下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1集射導(dǎo)壓降 collector-emitteron-statevoltage;VCE-onIGBT運(yùn)行導(dǎo)通過(guò)程中集電極和發(fā)射極之間的直流電壓。3.2結(jié)溫 junctiontemperature;Tj描述功率器件運(yùn)行過(guò)程中的虛擬結(jié)點(diǎn)溫度。3.3熱阻 thermalresistance;RthIGBT熱阻分為結(jié)-殼熱阻Rth(j-c)和結(jié)-環(huán)境熱阻Rth(j-a)。3.4熱阻抗 thermalimpedance;ZthIGBT熱阻分為結(jié)-殼熱阻抗Zth(j-c)和結(jié)-環(huán)境熱阻抗Zth(j-a)。3.5自愈金化介電器 self-heatingmetallizeddielectriccapacitor其至少一個(gè)電極是由粘附在電介質(zhì)的金屬組成的電容器。[GB/T17702-2021電力電子電容器，術(shù)語(yǔ)和定義3.8]3.6電容的效聯(lián)阻 equivalentseriesresistanceofacapacitor;Resr[GB/T17702-2021電力電子電容器，術(shù)語(yǔ)和定義3.39]3.7子模電壓 voltageofasubmodule;vsm子模塊測(cè)試端子間的電壓。3.8橋臂流 currentofabridgearm;ib流經(jīng)換流器橋臂的電流。3.9基準(zhǔn)值 referencevalue3.10老化差 differencerelativetoreferencevalueduetodeterioration設(shè)備特征參量的測(cè)量值或計(jì)算值與基準(zhǔn)值的差值。3.11老化界差 criticaldifferencerelativetoreferencevalueduetodeterioration設(shè)備特征參量在壽命范圍內(nèi)測(cè)量值與基準(zhǔn)值允許的最大差值3.12柵極電比值 ratioofgateleakage;σIGESIGBT柵極漏電流與IGBT柵極漏電流基準(zhǔn)值之間的比值。IGBTVCE-on在指定結(jié)溫和電流下測(cè)量集射極導(dǎo)通壓降VCE-on，或在其他條件下測(cè)量集射極導(dǎo)通壓降VCE-on歸算至指定結(jié)溫和電流下。測(cè)量方法參照GB/T29332-2012中6.3。VCE-onVCE-on,ref和老化臨界偏差ΔVCE-on,ref測(cè)量方法參照GB/T29332-2012中6.3。IGES柵極漏電流IGES的基準(zhǔn)值IGES，ref由廠家提供或由使用方根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與廠家共同制定。測(cè)量方法參照GB/T29332-2012中6.3.5。ton測(cè)量方法參照GB/T29332-2012中6.3.11。ton,refΔton,refRth(j-c)測(cè)量方法參照GB/T29332-2012中6.3.13。結(jié)-Rth(j-c),refΔRth(j-c),refIGBTVCE-on（IGBT的集射極導(dǎo)通壓降。計(jì)算方法參見(jiàn)附錄A。125IGBTIGBT（0.5（0.5IGBT狀子模塊IGBT結(jié)溫可由熱模型計(jì)算或溫敏電參數(shù)測(cè)量獲得。CResr17702-20215.3CResr。電容器的在線評(píng)估方法的參量是電容器的電容C，利用子模塊投入橋臂時(shí)的子模塊電壓vsm和橋臂電流ib進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法可參考附錄B電容計(jì)算方法。C0.51在換流閥正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)進(jìn)行子模塊IGBT和子模塊直流支撐電容器的在線狀態(tài)評(píng)估。當(dāng)開(kāi)展A、B、C級(jí)檢修時(shí)應(yīng)開(kāi)展離線狀態(tài)評(píng)估。具體檢修周期、抽樣方法等參照DL/T1833-2018。子模塊狀態(tài)評(píng)估方法采取越限檢查的方法。狀態(tài)參量通過(guò)子模塊器件的離線評(píng)估方法和在線評(píng)估方法取得。推薦的狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)表1。1狀態(tài)參量老化表征狀態(tài)分級(jí)參考老化原因集射極導(dǎo)通壓降VCE-on1/3ΔVCE-on,ref<ΔVCE-on<ΔVCE-on,ref注意微動(dòng)磨損、柵氧化層失效ΔVCE-on>ΔVCE-on,ref嚴(yán)重柵極漏電流比值σIGES100<σIGES<1000注意柵氧化層失效σIGES>1000嚴(yán)重開(kāi)通時(shí)間ton1/3Δton,ref<Δton<Δton,ref注意柵氧化層失效Δton>Δton,ref嚴(yán)重結(jié)殼熱阻Rth(j-c)ΔRth(j-c)>ΔRth(j-c),ref嚴(yán)重?zé)崂匣娙萘緾ΔC大于5%嚴(yán)重電容器失效串聯(lián)等效電阻ResrΔResr大于30%嚴(yán)重電容器失效狀態(tài)評(píng)估結(jié)果出現(xiàn)注意或嚴(yán)重狀態(tài)時(shí)應(yīng)提示報(bào)警。提示報(bào)警子模塊數(shù)量大于總子模塊數(shù)的1%且小于3%時(shí)應(yīng)加強(qiáng)換流閥監(jiān)視，并在離線評(píng)估時(shí)增加抽樣比例。提示報(bào)警子模塊數(shù)量大于總子模塊數(shù)的3%時(shí)應(yīng)適時(shí)安排檢修。離線評(píng)估結(jié)果為嚴(yán)重狀態(tài)時(shí)建議更換相應(yīng)組件。附錄A（資料性附錄）柔性直流輸電換流站模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)柔性直流輸電換流站模塊化多電平換流器子模塊分為半橋子模塊和全橋子模塊兩種，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及子模塊電壓與電流的正方向定義如圖A.1所示。+vsm+vsm_T1ibT2D1D2T1ibD1T3D3+vsm_+_CT2D2T4D4_(a)半橋子模塊 (b)全橋子模塊A.1B.1

附錄B（資料性附錄）MMC半橋子模塊IGBT集射極導(dǎo)通壓降在線自感知方法MMCNB.2 MMCNMMC2N2×2Nvb11S22)S33,2S44)S2N,2N1NS2NE,2N)

（1）式中S是邏輯控制信號(hào)。信號(hào)S2j-1和S2j（j=1,2,…,N）是互補(bǔ)的關(guān)系。B.3 IGBT集射極導(dǎo)通壓降是集電極電流IC的函數(shù)，在式（1）中剝離IC對(duì)VCE的影響：vbb1011S2(bE,2E02)S3b303,2S4(bE,4E04)S2Nb,2N102N1NS2N(bE,2NE02N)S2NS2N

（2）S=S1 S2

S2N

（3）定義描述正橋臂電流方向下IGBT導(dǎo)通電阻和二極管正向電阻的列向量：RF,1RCE,2Rp=

（4）R F,2NRCE,2NNIGBTN定義描述橋臂內(nèi)N個(gè)子模塊電容器電壓的列向量：VC,10 VC,2VC=

（5）0定義描述正橋臂電流方向下的IGBT和二極管初始電壓的列向量：VF0,1V CE0,2V0p=

（6）F0,2NVCE0,2N因此，公式（2）可以用式（3）（4）（5）（6）中定義的矩陣來(lái)描述，表示為矩陣方程：vb=ib·S·Rp+S·V0p+S·VC （7）B.4 式（4）（6）RCE,2j，RF,2j-1，VCE0,2jVF0,2j-1（j1,2,…,IGBTTCE，TF。RpRCE,2j，RF,2j-1RCE,2j,125，RF,2j-1,125分別125℃IGBTRCE,2jRCE,2j,125(TCE,2j125)kCERCE,2j,125RT,2j125)kF

（8）（9）式中125RT,2j1125kF,

j2, ,N。式（7）中的矩陣Rp可被矩陣Rp125+RTp所替代，其中：RCE,2,125Rp125=

（10）R F,2NRCE,2NRTp=

RT,1T,2T,2

（11）RT,2N-1RT,2N同時(shí)，包含元素VCE0,2j和VF0,2j-1的矩陣V0p也被修正為： VF0,1(Tj,1) V (T) CE0,2 j,2 V0p=

（12）(T )F0,2Nj,2NVCE0,2N(Tj,2N)器件結(jié)溫對(duì)導(dǎo)通電阻的影響被納入電阻的計(jì)算過(guò)程中，矩陣方程（7）被修正為：vb=ib·S·(Rp125+RTp)+S·V0p+S·VC 在式（13）中，S·V0p、S·VCV0Sp=S·V0p （14）VCS=S·VC （15）即vb=ib·S·(Rp125+RTp)+V0Sp+VCS （16）B.5 N個(gè)子模塊的MMC2N2N2N2N=1,22NSS1

S2,1

S2N,1S

S S S S=

2=

1,2 2,2 2N,2

（17）t S S S S 2N

1,2N

2,2N

2N,2N進(jìn)而，定義矩陣SI為：S1,2ib,1i S1,2ib,1i Sib,1S2N,1b,2 2,2i Sb,2 2N,2S1,2Ni Sb,2N 2,2Ni Sb,2N 2N,2Ni S ib,2 2b,2 i S iSI=

b,2N 2N=b,2N

（18）然后，包含2N個(gè)矩陣方程的矩陣方程組可以描述為：Vb=SI·(Rp125+RTp)+V0Sp+VCS （19）式中vb,1b,2vb,2vVb=v

（20）b,2NVCS,1V V =

CS,2

（21）CS CS,2NV0Sp,1V V =

0Sp,2

（22）0Sp 0Sp,2N與上述正橋臂電流方向下所建立的矩陣方程組相似，在負(fù)橋臂電流方向下，有另外的2N個(gè)不同的矩陣方程組成的矩陣方程組：Vb=VCS-SI·(Rn125+RTn)-V0Sn （23）SIVbVCS（18）（20）（28）與式（14）14）相似，V0Sn,j（j=1,2,…,2N）定義為：V0Sn,j=Sj·V0n,j（j=1,2,…,2N） （24）式中j,21 j,2N(Tj,21 j,2N(T)V0n=

VF0,2(T)

（25）因此，V0Sn定義為：

CE0,2NVF0,2N(Tj,2N) V0Sn,1V V =

0Sn,2

（26）0Sn Rn125RTn

0Sn,2N RF,2,125 Rn125=

（27）R CE,2NRF,2NRT,1

(TCE,1125)kCER

125)k T,2 F,2 F RTn= =

（28）R (T 125)k T,2N-1CE,2N1 CERT,2N

(TF,2N125)kF （23）RF假設(shè),2N,2NRF,j,125RF,125

j

（29）IGBTIGBTSt2NN+1N+1StN+1St，即：S1

S11

S1,2N2S 2S

S21 S22 S2,2N S S S S St=

N

=N1,1

N

NN （30）StN+1N+12NN+1StN+1StMMCIGBTStN+1StN+1SIN+1125℃IGBTRp125=SI-1·(Vb-V0Sp-VCS)-RTp （31）Rn125=SI-1·(VCS-Vb-V0Sn)-RTn （32）附錄C（資料性附錄）子模塊電容器電容在線評(píng)估方法電容器等效模型如圖B.1所示。+ vC -C Resr構(gòu)建電壓平衡方程：

圖B.1電容器等效模型Resrtv(t)v 1 i(t)dti(tResrt

（33）C C0 C0c c結(jié)合MMC運(yùn)行特性，vC、iC可以用子模塊電壓vsm、橋臂電流ib及開(kāi)關(guān)狀態(tài)S表示vCvsm

（34）v(t)v

iCibSt1 i(t)S(t)dti(t)S(t)Rt

（35）（36）sm sm0

C0b b sr1i(t)iCb b2(t1)ti(t)1i(t)iCb b2(t1)ti(t)i(t1)Rbbesrv(t)v

(t1)

（37）sm sm取ti、tj時(shí)刻值構(gòu)建方程組，解方程組可得到電容器的電容值C和等效串聯(lián)電阻Resr。I t I

1

v pi qiC

smi

（38）Ipj