CN110850197A - 一种mmc功率模块过压晶闸管旁路试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，本发明通过采用两个阶段试验来验证出口端并联晶闸管的半桥功率模块和全桥功率模块过压保护能否正确动作，是否能够保证本体功率模块发生故障而不对相邻功率模块造成影响，是否能够在旁路晶闸管击穿之后***能够继续稳定运行。第一阶段试验主要验证直流电容器经晶闸管短路击穿后功率模块结构设计和采取的防护措施是否安全有效，晶闸管击穿之后不发生固体飞溅，不对水路造成影响，不影响相邻功率模块正常运行。第二阶段试验主要验证晶闸管的击穿电压与功率模块电压的配合关系，验证晶闸管击穿之后形成可靠通路，IGBT不击穿，电容不发生直通放电，不对相邻子模块产生影响。

Description

一种MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法。

背景技术

随着大功率柔性直流输电技术的发展，模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，MMC)被越来越多的应用到工程上，其具有开关频率低，损耗小等优点。该种形式换流器每个桥臂由上百个功率模块串联，每个功率模块可以采用全桥结构或半桥结构，当由于取能电源或控制板卡发生故障，功率模块变成不可控状态时，运行中的电容会被持续充电，电容持续充电电流将会导致电容电压超出其耐受范围，最终电容器会发生绝缘击穿，内部汽化致电容器膨胀，甚至可能发生***，对周围设备形成巨大危害。为了避免这种情况的发生，有工程采用门极和阴极短接的晶闸管并联于功率模块输入端，作为后备的功率模块可靠旁路装置这一技术路线，但是尚未有功率模块过压晶闸管旁路的试验方法公开。

发明内容

为了解决尚未有有效的试验方法来对MMC功率模块过压晶闸管旁路进行正确性和可靠性试验问题，本发明实施例提供了一种MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，所述试验方法用于对出口端并联晶闸管的半桥功率模块和全桥功率模块进行过压旁路试验，包括：

第一阶段试验，用于验证直流电容器经晶闸管短路击穿后功率模块结构设计和采取的防护措施是否安全有效，晶闸管击穿之后不发生固体飞溅，不对水路造成影响，不影响相邻功率模块正常运行；

第二阶段试验，用于验证晶闸管的击穿电压与功率模块电压的配合关系，验证晶闸管击穿之后形成可靠通路，IGBT不击穿，电容不发生直通放电，不对相邻子模块产生影响。

进一步地，所述第一阶段试验采用第一试验回路进行，所述第一试验回路包括：

交流电源，其输出端和充电机机，充电机的输出端用于对MMC功率模块充电试验；

电压表V1，其并接在充电机的输出端的两端，用以测量输出端两端电压；

开关K1、电阻R1依次串接在充电机输出端的线路中；

开关K2、电阻R2串接形成支路，并并接在电压表V1的两端。

进一步地，所述第一阶段试验包括：

闭合K1、断开K2，控制充电机给MMC功率模块的电容充电，使旁路晶闸管击穿，监测V1两端电压；

试验结束后，断开K1，闭合K2,给MMC功率模块的电容放电；

对MMC功率模块的电容、充电回路等进行接地处理，并采用高压衰减探头确认放电完成；

查看晶闸管击穿后的放电回路是否有碎金属屑飞溅、子模块外壳变形是否影响相邻模块，晶闸管、水路是否有明显影响等；

测量MMC功率模块输出等效电阻值；

若无明显异常，随后装配至阀组件中，给该MMC功率模块功率模块进行若干个小时的额定电流通流试验。

进一步地，所述第二阶段采用运行试验平台进行，所述运行试验平台包括：

预充电电源，其输入端通过开关CB01和电源相连接，输出端用于对被试MMC功率模块，在输出端的线路上串接有开关QS01；

补能电源，其输入端通过开关CB02和电源相连接，输出端用于给运行试验平台进行补能充电。

进一步地，所述第二试验阶段包括：

闭合CB01和QS01，给运行试验平台充电，待充电完成，断开QS01和CB01，闭合CB02给运行试验平台补能，启动试验平台解锁运行到额定工况，拔掉被试MMC功率模块触发光纤制造驱动故障，由阀段运行电流对被试功率模块电容持续加压，在MMC功率模块输出端口形成电压，直至旁路晶闸管击穿后功率模块呈现可靠短路状态；

记录MMC功率模块过压短路时刻阀段端间电压、试品模块端口电压、试品模块电容电压、桥臂电流波形；

试验完成后对试品MMC功率模块进行72小时通流试验；

通流试验完成时测量试品模块输出端口的等效电阻值。

进一步地，所述试验完成后对试品MMC功率模块进行72小时通流试验的试验过程为：

在第一个24小时时间内，按照额定电流开展；第二个24小时时间内，进行0.1p.u.-1.0p.u.间的功率循环试验，循环次数不少于5次；第三个24小时时间内，按照额定电流开展。

进一步地，所述试验方法通过的条件是：

试验过程中试品功率模块不出现***、固体飞溅、水管破裂破坏性现象，不影响周边功率模块的正常运行；

试验后试品功率模块呈现可靠短路状态，第一阶段试验后试品功率模块输出端口的等效阻抗值不大于0.6mΩ；

试品模块旁路晶闸管的击穿电压不高于IGBT额定电压；

第二阶段试验IGBT不击穿，电容器不发生直通放电。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明通过采用两个阶段试验来验证出口端并联晶闸管的半桥功率模块和全桥功率模块过压保护能否正确动作，是否能够保证本体功率模块发生故障而不对相邻功率模块造成影响，是否能够在旁路晶闸管击穿之后***能够继续稳定运行。第一阶段试验主要验证直流电容器经晶闸管短路击穿后功率模块结构设计和采取的防护措施是否安全有效，晶闸管击穿之后不发生固体飞溅，不对水路造成影响，不影响相邻功率模块正常运行。第二阶段试验主要验证晶闸管的击穿电压与功率模块电压的配合关系，验证晶闸管击穿之后形成可靠通路，IGBT不击穿，电容不发生直通放电，不对相邻子模块产生影响。最终验证出口端并联晶闸管的半桥功率模块和全桥功率模块的过压保护设计正确性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的柔性直流输电MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法的流程图；

图2为功率模块过压晶闸管旁路第一阶段试验原理电路图；

图3为功率模块过压晶闸管旁路第二阶段试验原理电路图；

图4-5为半桥功率模块损坏部件的替换示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

本实施例提供了一种柔性直流输电MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，该试验方法可以对出口端并联晶闸管的半桥功率模块和全桥功率模块进行过压旁路试验，包含两个阶段：

101、第一阶段试验主要验证直流电容器经晶闸管短路击穿后功率模块结构设计和采取的防护措施是否安全有效，晶闸管击穿之后不发生固体飞溅，不对水路造成影响，不影响相邻功率模块正常运行。

102、第二阶段试验主要验证晶闸管的击穿电压与功率模块电压的配合关系，验证晶闸管击穿之后形成可靠通路，IGBT不击穿，电容不发生直通放电，不对相邻子模块产生影响。

由此可见，本方法通过采用两个阶段试验来验证出口端并联晶闸管的半桥功率模块和全桥功率模块过压保护能否正确动作，是否能够保证本体功率模块发生故障而不对相邻功率模块造成影响，是否能够在旁路晶闸管击穿之后***能够继续稳定运行。第一阶段试验主要验证直流电容器经晶闸管短路击穿后功率模块结构设计和采取的防护措施是否安全有效，晶闸管击穿之后不发生固体飞溅，不对水路造成影响，不影响相邻功率模块正常运行。第二阶段试验主要验证晶闸管的击穿电压与功率模块电压的配合关系，验证晶闸管击穿之后形成可靠通路，IGBT不击穿，电容不发生直通放电，不对相邻子模块产生影响。最终验证出口端并联晶闸管的半桥功率模块和全桥功率模块的过压保护设计正确性和可靠性。

具体地，该第一阶段试验主要验证直流电容器经晶闸管短路击穿后功率模块结构设计和采取的防护措施是否安全有效。试验原理图如图1所示，具体包括交流电源，其输出端连接充电机，充电机的输出端用于对MMC功率模块充电；电压表V1，其并接在充电机的输出端的两端，用以测量输出端两端电压；开关K1、电阻R1依次串接在充电机输出端的线路中；开关K2、电阻R2串接形成支路，并并接在电压表V1的两端。在进行第一阶段试验前需做好如下的准备：

1.试品功率模块装配至阀组件中间位置，按照图1所示试验拓扑连接试验回路。

2.试品功率模块的旁路开关合闸回路断开，设置为“拒动状态”，模块的取能电源、控制板卡等二次***带电用于监视功率模块的电压状态。

3.半桥功率模块的T1管采用已经损坏的其它同型号IGBT代替，T2采用绝缘件替代；全桥功率模块的T1、T4管采用已经损坏的其它同型号IGBT代替，T2、T3管采用绝缘件代替，从功率模块的交流端口用直流稳压电源充电，如图4-5所示。

4.启动水冷***运行，冷却水流量、电导率满足额定工况要求。

试验步骤：

1.闭合K1、断开K2，控制充电机给电容充电，使旁路晶闸管击穿，监测V1两端电压；

2.试验结束后，断开K1，闭合K2,给电容放电；

3.对试品电容、充电回路等进行接地处理，并采用高压衰减探头确认放电完成；

4.查看晶闸管击穿后的放电回路是否有碎金属屑飞溅、子模块外壳变形是否影响相邻模块，晶闸管、水路是否有明显影响等；

5.测量功率模块输出等效电阻值；

6.若无明显异常，随后装配至阀组件中，给该功率模块进行2小时额定电流通流试验。

如此，通过采用上述的试验电路和试验方法步骤，能够有效准确地验证直流电容器经晶闸管短路击穿后功率模块结构设计和采取的防护措施是否安全有效，晶闸管击穿之后不发生固体飞溅，不对水路造成影响，不影响相邻功率模块正常运行。

该第二阶段试验主要验证晶闸管的击穿电压与功率模块电压的配合关系。在该阶段，功率模块中的IGBT配置是齐全且完好的。试验原理图如图2所示，包括预充电电源，其输入端通过开关CB01和电源相连接，输出端用于对被试MMC功率模块，在输出端的线路上串接有开关QS01；补能电源，其输入端通过开关CB02和电源相连接，输出端用于给运行试验平台进行补能充电。在进行第二阶段试验前需做好如下的准备：

1.试品功率模块装配至阀段中间位置，所在阀段安装到阀段运行试验平台上，按照试验拓扑连接电气回路。

2.启动水冷***运行，冷却水流量、电导率满足阀段运行试验参数要求。

试验步骤：

1.闭合CB01和QS01，给运行试验平台充电，待充电完成，断开QS01和CB01，闭合CB02给运行试验平台补能，启动试验平台解锁运行到额定工况，拔掉被试功率模块触发光纤制造驱动故障，由阀段运行电流对被试功率模块电容持续加压，在功率模块输出端口形成电压，直至旁路晶闸管击穿后功率模块呈现可靠短路状态。

2.记录功率模块过压短路时刻阀段端间电压、试品模块端口电压、试品模块电容电压、桥臂电流等波形。

3.试验完成后对试品模块进行72小时通流试验，试验过程：在第一个24小时时间内，按照额定电流开展；第二个24小时时间内，进行0.1p.u.-1.0p.u.间的功率循环试验，循环次数不少于5次；第三个24小时时间内，按照额定电流开展。

4.通流试验完成时测量试品模块输出端口的等效电阻值。

如此，通过上述的运行试验平台和试验操作步骤，能够有效准确地验证晶闸管的击穿电压与功率模块其他保护电压的配合关系，验证晶闸管击穿之后形成可靠通路，IGBT不击穿，电容不发生直通放电，不对相邻子模块产生影响。最终验证出口端并联晶闸管的半桥功率模块和全桥功率模块的过压保护设计正确性和可靠性。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，其特征在于，所述试验方法用于对出口端并联晶闸管的半桥功率模块和全桥功率模块进行过压旁路试验，包括：

第一阶段试验，用于验证直流电容器经晶闸管短路击穿后功率模块结构设计和采取的防护措施是否安全有效，晶闸管击穿之后不发生固体飞溅，不对水路造成影响，不影响相邻功率模块正常运行；

第二阶段试验，用于验证晶闸管的击穿电压与功率模块电压的配合关系，验证晶闸管击穿之后形成可靠通路，IGBT不击穿，电容不发生直通放电，不对相邻子模块产生影响。

2.如权利要求1所述的MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，其特征在于，所述第一阶段试验采用第一试验回路进行，所述第一试验回路包括：

交流电源，其输出端和充电机机相连，充电机的输出端用于对MMC功率模块充电试验；

电压表V1，其并接在充电机的输出端的两端，用以测量输出端两端电压；

开关K1、电阻R1依次串接在充电机输出端的线路中；

开关K2、电阻R2串接形成支路，并并接在电压表V1的两端。

3.如权利要求2所述的MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，其特征在于，所述第一阶段试验包括：

闭合K1、断开K2，控制充电机给MMC功率模块的电容充电，使旁路晶闸管击穿，监测V1两端电压；

试验结束后，断开K1，闭合K2,给MMC功率模块的电容放电；

对MMC功率模块的电容、充电回路等进行接地处理，并采用高压衰减探头确认放电完成；

查看晶闸管击穿后的放电回路是否有碎金属屑飞溅、子模块外壳变形是否影响相邻模块，晶闸管、水路是否有明显影响等；

测量MMC功率模块输出等效电阻值；

若无明显异常，随后装配至阀组件中，给该MMC功率模块功率模块进行若干个小时的额定电流通流试验。

4.如权利要求1所述的MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，其特征在于，所述第二阶段采用运行试验平台进行，所述运行试验平台包括：

预充电电源，其输入端通过开关CB01和电源相连接，输出端用于对被试MMC功率模块，在输出端的线路上串接有开关QS01；

补能电源，其输入端通过开关CB02和电源相连接，输出端用于给运行试验平台进行补能充电。

5.如权利要求4所述的MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，其特征在于，所述第二试验阶段包括：

闭合CB01和QS01，给运行试验平台充电，待充电完成，断开QS01和CB01，闭合CB02给运行试验平台补能，启动试验平台解锁运行到额定工况，拔掉被试MMC功率模块触发光纤制造驱动故障，由阀段运行电流对被试功率模块电容持续加压，在MMC功率模块输出端口形成电压，直至旁路晶闸管击穿后功率模块呈现可靠短路状态；

记录MMC功率模块过压短路时刻阀段端间电压、试品模块端口电压、试品模块电容电压、桥臂电流波形；

试验完成后对试品MMC功率模块进行72小时通流试验；

通流试验完成时测量试品模块输出端口的等效电阻值。

6.如权利要求5所述的MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，其特征在于，所述试验完成后对试品MMC功率模块进行72小时通流试验的试验过程为：

在第一个24小时时间内，按照额定电流开展；第二个24小时时间内，进行0.1p.u.-1.0p.u.间的功率循环试验，循环次数不少于5次；第三个24小时时间内，按照额定电流开展。

7.如权利要求1所述的MMC功率模块过压晶闸管旁路试验方法，其特征在于，所述试验方法通过的条件是：

试验过程中试品功率模块不出现***、固体飞溅、水管破裂破坏性现象，不影响周边功率模块的正常运行；

试验后试品功率模块呈现可靠短路状态，第一阶段试验后试品功率模块输出端口的等效阻抗值不大于0.6mΩ；

试品模块旁路晶闸管的击穿电压不高于IGBT额定电压；

第二阶段试验IGBT不击穿，电容器不发生直通放电。

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