基于IEGT的MMC子模块设计与试验

冯 成 王大力 何 师 王 辉 潘 瑶

（1.贵州电力试验研究院，贵阳 550000；2.荣信电力电子股份有限公司，北京 100084）

柔性直流输电技术[1-6]是电力电子技术应用领域的关键技术之一，作为智能电网的关键组成部分，其最突出特点是采用全控型电力电子器件（IGBT、IGCT、IEGT等）、电压源型换流器以及脉冲调制技术。在柔性直流输电系统中通常采用的是三相结构的电压源换流器[7-10]，而基于IEGT的模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）拓扑结构是较为先进的换流器拓扑结构，国内目前尚未出现成熟大规模应用[11-14]。

本文主要研究基于 IEGT开关器件的 MMC技术，研究并开发一种MMC子模块。选定并设计拓扑结构。针对MMC中的关键部件IEGT、直流电容器、电力二极管、放电电阻等进行器件选型及技术参数确定。对设计制造的子模块进行多种功能试验，着重分析换流试验及热稳定试验。通过换流试验，测评不同的板卡、器件组合，从而优化门极电路、功率模块器件串的设计。通过热试验测量功率模块的载流能力及散热性能。所有的试验结果均表明基于 IEGT的MMC子模块设计合理，能满足各种常见工况下的持续稳定运行。

1 模块化多电平换流器（MMC）简介

MMC模块与其他拓扑结构的电压源换流器模块相比采用高度模块化的电路结构，针对不同的功率设计的电压等级要求通过增减接入换流器的子模块数量来实现。所以采用 MMC结构的换流器[15-18]可以大幅缩短项目周期，节约成本。

图1 MMC拓扑结构

三相模块化多电平换流器（MMC）的拓扑结构如图1（a）所示，一个换流器有六个桥臂，每个桥臂由一台电抗器和多个子功率模块串联组成，每一相的上下两个桥臂合在一起称为一个相单元（Phase Unit）。

图1（b）所示为一个子模块的拓扑结构，每个子模块有一个连接端口用于串联接入主电路拓扑，而 MMC通过各个子模块的直流侧电容电压来支撑直流母线的电压。

2 MMC子模块关键部件的选取

柔性直流输电换流站的主电路参数选择是设计的重要组成部分，子模块是MMC拓扑中数量庞大的元件，也是构成的 MMC的核心[19-21]。换流器每个桥臂由多个功率模块串联构成，如图1（b）所示，每个功率模块的关键电气部件主要有两个压装式IEGT、一个直流储能电容器、两个二极管、一个放电电阻组成，同时还要考虑到控制电路的设计。

本文涉及到的设备选型及试验将以额定直流电压2500V DC、额定持续输出电流1100A的参数做为功率模块设计依据。

2.1 开关器件IEGT

可控关断型电力电子器件作为换流阀的关键部件，直接决定了功率模块的设计和性能，对于柔性直流输电适用的开关器件有 IGCT、焊接式模块IGBT、平面压接式 STAKPAKTM IGBT和压装式press-pack IGBT/IEGT（如图1所示），表1对这几种开关器件进行了比较研究。

表1 几种开关器件对比

通过以上对开关器件的比较研究可以得出结论，press-pack IGBT/IEGT最适应于柔性直流输电应用。

集电极发射极正向耐压Vce：4500V。

集电极额定电流有效值Ic(rms)：1500A。

2.2 大容量直流电容器

直流侧电容是阀组的直流侧储能元件，可缓冲桥臂开断的冲击电流、减小直流侧的电压谐波，并为受端站提供电压支撑。同时，直流侧电容的大小决定其抑制直流电压波动的能力，也影响控制器的响应性能。设计功率单元中采用干式直流电容器，电容器内部分别充满SF6和N2来达到灭弧和保护的目的。电容器的基本参数为额定容值5mF，标称电压 2800V DC，连续电流有效值 450A，杂散电感50nH。

2.3 电力二极管

功率模块中的两个电力二极管的基本参数为反向阻断电压 4500V，最大平均值通态电流 1740A，最大可承受电流变化率-dμ/dt=5000A/μs，压装封装形式使得此电力二极管具有防爆性、短路失效模式及双面散热能力。

2.4 放电电阻

功率模块中放电电阻承担为直流侧电容安全放电的工作，根据直流电流参数设计放电电阻参数为阻值68kΩ，额定功率：600W。

2.5 功率模块控制电路的主要组成

控制电路设计是否合计是完成模块设计功能的关键，控制电路需要接收装置控制器的控制指令和数据，经过解析处理后，下发给 IEGT驱动板和触发板等受控系统；同时收集单元的直流电压、IEGT的状态以及直流电容和取能电源的状态并发送给装置控制器。

本模块控制部分主要由单元控制板、采样触发板、IEGT驱动板和高位取能电源组成。

3 MMC子模块试验与验证

功率模块试验是验证功率模块设计与分析的最终手段，也是发现问题和不断改进功率模块设计的关键环节。针对设计的 MMC子模块进行了换流试验、热试验、短路保护试验、功能试验、局部放电及工频耐压等试验项目[22]。下面选取换流试验和热试验进行分析说明。

3.1 换流试验

换流试验用来记录 IEGT和二极管在换流过程中的动态开关波形，通过测试和评估在不同的门极驱动板、不同外部门极电阻和门极电容组合甚至于不同门极驱动板的放置位置情况下的器件开关波形，从而达到优化门极电路设计甚至功率模块器件串设计的目的。

本试验是检测功率模块的过电流关断时的状态。试验中我们使用了高位取能电源给驱动板供电，并且保持整个控制回路全部通电工作。在此次试验进行了换流试验验证。

试验波形及分析结果如图2及表2所示。

表2 桥臂试验结果

由表2试验结果可以看出，在各设定输出电流值情况下，Isw及Vpeak均小于模块耐压设计值，试验结果满足设计要求。

3.2 热试验

热试验用来验证功率模块是否能够稳定运行在预定的负载电流，从而验证功率模块的载流能力，另外热试验也可以用来评估半导体器件在高结温下的换流情况。为了考察 MMC子模块的散热性能，需要进行热稳定测试。在热稳定测试中，子模块运行在期望的工作点，与实际系统中的工况类似。

图2 换流试验桥臂试验波形

热稳定测试采用桥臂测试（Legtest）方法，让被测模块输出期望的电压、电流和功率因数。这种测试方法至少需要两个逆变模块和一个电感负载。试验台采用三个逆变模块（如图3所示），分别命名为a、b、c模块。b是被测模块，模块a和c并联，各自分担一半电流。只有模块b工作在最大电流。

热试验参数设定如表3所示。

表3 热试验参数

图3 热稳定测试电路

Iout-rms=300A时，实验持续时间8min达到热稳定；

Iout-rms=700A时，实验持续时间7min达到热稳定；

Iout-rms=1100A时，试验持续时间12min达到热稳定。

试验各项温度测量结果如表4所示。

表4 热试验测量结果分析

从表4试验结果可看出，热稳定测试中模块运行在期望点时的温度远小于模块设计的结温值，试验结果满足设计要求。

4 结论

MMC子模块适合组建不同功率及电压等级要求的柔性直流输电设备，本文通过对 MMC子模块的设计及试验。

1）明确MMC阀组子模块拓扑结构，对比不同类型开关器件选取适合大功率柔性直流输电设备的IEGT作为子模块的开关器件。

2）针对额定直流电压2500V DC、额定持续输出电流1100A的MMC子模块，得出主要器件设计参数。

3）通过对子模块的换流试验及热稳定试验的验证，证明采用基于 IEGT开关器件的设计完全能够满足原始设计参数要求及各种常见工况下的持续稳定运行。

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