汪 濤，田 杰，丁久東，李樂樂，潘 淳

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)及元器件的發(fā)展，其在柔性輸電領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。利用大功率電力電子設(shè)備的快速響應(yīng)能力，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、功率潮流的平滑控制，提高傳輸功率的能力，改善電能質(zhì)量；也可以實(shí)現(xiàn)高壓大功率直流輸電[1]。在大容量無功補(bǔ)償應(yīng)用方面，有SVC（靜止無功補(bǔ)償器）、STATCOM（靜止同步補(bǔ)償器）、TSC(晶閘管投切電容器）、TCSC（晶閘管控制串聯(lián)電容補(bǔ)償器）、CSR（可控電抗器）等[2]，已投運(yùn)的埃塞俄比亞HOLETA變電站 SVC容量達(dá) 900 Mvar。在HVDC（高壓直流輸電）應(yīng)用方面，昌吉-古泉工程電壓已達(dá)±1 100 kV，功率12 000 MW。柔性直流輸電方面，建設(shè)中的張北工程電壓達(dá)±535 kV，功率3 000 MW。

高壓大容量柔性輸電技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)核心設(shè)備半導(dǎo)體閥的設(shè)計(jì)、控制和試驗(yàn)技術(shù)提出了更高的要求。閥的工作電壓越來越高，容量越來越大，采用何種拓?fù)湓O(shè)計(jì)滿足特定的應(yīng)用需求是一個(gè)必須解決的問題，比如閥設(shè)備設(shè)計(jì)中的散熱、絕緣、過電壓、抗震等。閥控制設(shè)備的控制對(duì)象數(shù)量成倍增加，處理數(shù)據(jù)的規(guī)模和速度要求越來越高。半導(dǎo)體閥設(shè)計(jì)復(fù)雜，涉及很多技術(shù)和學(xué)科，包括半導(dǎo)體及驅(qū)動(dòng)技術(shù)、閥拓?fù)浼夹g(shù)、高壓及絕緣技術(shù)、多物理場仿真技術(shù)、機(jī)械制造及集成技術(shù)、閥設(shè)備控制與試驗(yàn)技術(shù)等。

本文研究了半導(dǎo)體閥在柔性輸電領(lǐng)域中的多種應(yīng)用，分析了半導(dǎo)體閥的2種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特點(diǎn)；介紹多種物理場解決閥設(shè)計(jì)的問題，并研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制保護(hù)技術(shù)和閥控制技術(shù)原理；同時(shí)，結(jié)合國內(nèi)一些工程應(yīng)用實(shí)例的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，指出其存在的一些問題和今后的研究方向。

1 功率半導(dǎo)體及閥設(shè)備

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，高壓大容量柔性輸電技術(shù)應(yīng)用發(fā)展迅速，對(duì)功率半導(dǎo)體的基本要求是單一器件功率密度大，器件導(dǎo)通及開關(guān)損耗小，易于串并聯(lián)使用。

目前用于電力系統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件主要有SCR（晶閘管）、IGCT（集成門極換流晶閘管）、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、IEGT（注入增強(qiáng)柵晶體管）等。SCR為半控型器件，廣泛應(yīng)用于SVC，TSC，CSR和直流輸電換流閥等，其門極控制采用電流驅(qū)動(dòng)[3]，開關(guān)頻率為電網(wǎng)頻率；IGCT為全控型器件，集成了門極驅(qū)動(dòng)電路，工作頻率在數(shù)百赫茲至一千赫茲[4]，其驅(qū)動(dòng)功耗大；IGBT和IEGT為電壓驅(qū)動(dòng)型全控器件，廣泛應(yīng)用于SVG和柔性直流換流閥等，其驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)頻率可達(dá)數(shù)千赫茲；根據(jù)封裝不同，分為焊接型IGBT和壓接型IGBT；焊接型IGBT為單面散熱、功率較小、失效后為開路模式，壓接型IGBT為雙面散熱、功率更大、失效后為短路模式[5]。

BIGT（雙模式絕緣柵晶體管）將IGBT和二極管集成在一個(gè)芯片上，可以實(shí)現(xiàn)更大功率密度，但是器件在關(guān)斷期間需要根據(jù)電流方向調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓，控制復(fù)雜[6]。寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展迅猛，SiC相對(duì)Si半導(dǎo)體材料，其耐壓是Si的10倍，熱阻是Si的3倍，結(jié)溫可達(dá)250℃[7]。美國Cree公司已經(jīng)研發(fā)了27.5 kV的SiC IGBT[8]，Virginia Tech的電力電子中心CPES研究采用10 kV的SiC MOSFET開發(fā)全橋模組用于MMC（模塊化多電平換流器）[9]，SiC半導(dǎo)體器件開關(guān)速度可以很高，其應(yīng)用可以有效減小半導(dǎo)體閥設(shè)備的體積和重量。

高壓大容量半導(dǎo)體閥工作電壓數(shù)百千伏，容量數(shù)百兆瓦，采用目前任何一種功率器件，單一元件都無法實(shí)現(xiàn)。因此需要將多個(gè)同型號(hào)的功率器件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合成一個(gè)高壓大容量電子開關(guān)設(shè)備－半導(dǎo)體閥。

2 閥拓?fù)渑c電氣設(shè)計(jì)研究

半導(dǎo)體閥主要由功率半導(dǎo)體器件組成，包括阻容器件、控制電路等輔助器件，其最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有功率器件直接串聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和子單元級(jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2種，如圖1所示，其中子單元可以有很多種不同的電路單元[10]。

圖1中（a）和（b）為功率器件直接串聯(lián)型拓?fù)?，圖1（a）為晶閘管閥，晶閘管直接串聯(lián)在一起，每級(jí)晶閘管并聯(lián)了阻尼吸收電路和TCU（晶閘管控制單元）等[11]，典型應(yīng)用如高壓直流輸電、CSR等；圖1（b）為直接串聯(lián)型IGBT閥，IGBT器件直接串聯(lián)在一起，每級(jí)IGBT并聯(lián)了均壓電路和GCU（門極控制單元）等[12]，典型應(yīng)用如兩電平的柔性直流輸電、三電平直串式SVG等。

圖1 直接串聯(lián)型拓?fù)渑c子單元級(jí)聯(lián)型拓?fù)?/p>

圖 1（c）和圖 1（d）為子單元級(jí)聯(lián)型拓?fù)洌?閥設(shè)備由很多個(gè)子單元串聯(lián)組成，每個(gè)子單元由不同數(shù)量的開關(guān)器件和電容組成，圖1（c）和圖1（d）都為IGBT閥，子單元可以為半橋、全橋及其他類型拓?fù)?，典型?yīng)用如柔性直流輸電MMC和H橋級(jí)聯(lián)型SVG等。關(guān)于新型子單元拓?fù)湓谀K化多電平換流器中的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究，文獻(xiàn)[13-17]等主要從減小諧波含量、降低閥損耗、減少元器件數(shù)量、減小閥體積，快速隔離直流故障能力等方面做了相關(guān)研究。

器件直接串聯(lián)型拓?fù)洌y設(shè)備等效于一個(gè)高壓開關(guān)，所有功率器件同步開通和關(guān)斷，通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)模擬正弦波輸出[18]，功率器件應(yīng)具備易串聯(lián)、失效后自動(dòng)短路的特性[19]。串聯(lián)型拓?fù)浣涣鬏敵鲋C波含量大，需要裝設(shè)較多濾波器，為了減小諧波含量，一般開關(guān)頻率不能太低，IGBT閥開關(guān)頻率可達(dá)1～2 kHz，對(duì)于百兆級(jí)的閥設(shè)備，開關(guān)損耗很大[20]。圖2（a）給出了直接串聯(lián)型拓?fù)涞膿Q流器交流側(cè)輸出電壓波形。

子單元級(jí)聯(lián)型拓?fù)洌y設(shè)備由多個(gè)子單元串聯(lián)組成，每個(gè)子單元內(nèi)有儲(chǔ)能電容，通過控制不同子單元中功率器件的開關(guān)，各子模塊電容電壓根據(jù)需要疊加形成輸出的電壓波形，當(dāng)子模塊個(gè)數(shù)較多時(shí)，交流輸出的諧波含量小，對(duì)濾波器要求較低。通過優(yōu)化的閥控制策略，在輸出波形的臺(tái)階變化處，可以保證只有極個(gè)別模塊需要開關(guān)，每個(gè)器件的開關(guān)頻率較低，開關(guān)損耗較小[21]。針對(duì)IGBT閥的應(yīng)用，柔性直流輸電MMC的器件平均開關(guān)頻率在100～200 Hz，H橋級(jí)聯(lián)型SVG的器件平均開關(guān)頻率在300～500 Hz。如圖2（b）給出了子單元級(jí)聯(lián)型拓?fù)涞膿Q流器交流側(cè)輸出電壓波形。

圖2 換流器交流側(cè)輸出電壓波形

閥電氣設(shè)計(jì)針對(duì)閥的電應(yīng)力裕度，如串聯(lián)或者級(jí)聯(lián)單元個(gè)數(shù)的選擇，各元器件參數(shù)設(shè)計(jì)，以保證閥在長期運(yùn)行工況、各種系統(tǒng)故障運(yùn)行工況、暫態(tài)沖擊性運(yùn)行工況下，閥整體及所有部件的電壓及電流應(yīng)力裕度安全。研究閥運(yùn)行的各部件及總體故障率，設(shè)計(jì)一定的單元冗余度保證閥可靠運(yùn)行。分析閥的總體損耗，各元器件損耗分布及溫升裕度，研究如何降低閥損耗。文獻(xiàn)[21-26]研究了閥可靠性與串聯(lián)單元數(shù)量設(shè)計(jì)、主電路參數(shù)設(shè)計(jì)、閥過壓及過流保護(hù)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[27-28]研究了閥通用損耗計(jì)算方法。不同半導(dǎo)體器件、不同拓?fù)錁?gòu)成的閥，不同應(yīng)用領(lǐng)域的閥，電氣設(shè)計(jì)的要求不盡相同，研究的對(duì)象和領(lǐng)域眾多，本文僅介紹一些通用設(shè)計(jì)原則。

3 閥多物理場仿真與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

設(shè)計(jì)一個(gè)工程閥設(shè)備實(shí)體，包括子單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閥組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、閥懸吊或者支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；進(jìn)出線及銅排、光纖、水路及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢修通道等設(shè)計(jì)；還需要考慮絕緣配合、防火、防震等要求。涉及很多工程設(shè)計(jì)技術(shù)，其中多物理場仿真分析技術(shù)的應(yīng)用越來越重要。

閥設(shè)備在運(yùn)行中存在多種物理場，如溫度場、電磁場、位移場等[29]。在實(shí)際工程中非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)都可以離散為有限個(gè)單元組合的有限元模型，通過有限元分析方法可以分析閥設(shè)計(jì)中的各種物理問題。通過對(duì)閥設(shè)備運(yùn)行中存在的多物理場仿真，可以減少設(shè)計(jì)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證的反復(fù)，節(jié)約試驗(yàn)成本，縮短半導(dǎo)體閥設(shè)計(jì)的開發(fā)周期。溫度場仿真可以分析半導(dǎo)體器件的結(jié)溫，電磁場仿真可以分析閥塔的電場、磁場分布，位移場仿真可以分析閥塔的抗震能力。

閥設(shè)備核心功率器件的額定參數(shù)選擇是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)工作，器件參數(shù)選擇過大，設(shè)備造價(jià)高且容易帶來浪費(fèi)，選擇過小，在惡劣工況下一旦發(fā)生過負(fù)荷可能造成設(shè)備損壞。以某閥設(shè)備設(shè)計(jì)為例，引入溫度場和流場的仿真分析可以設(shè)計(jì)水冷系統(tǒng)的流速，計(jì)算流阻和散熱器溫度。當(dāng)閥設(shè)備的額定運(yùn)行功率確定后，功率器件的額定損耗及最大損耗可以計(jì)算出來，在水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，仿真技術(shù)可以校核散熱器表面的溫升和半導(dǎo)體器件的結(jié)溫[30-32]。文獻(xiàn)[33-34]通過研究熱敏感電參數(shù)在線提取大功率半導(dǎo)體器件的結(jié)溫，文獻(xiàn)[35-36]研究基于結(jié)構(gòu)函數(shù)的IGBT熱阻測試方法，這些都為實(shí)際校核基于溫度場和流場的仿真提供了物理測量方法。通過仿真對(duì)比分析圖3中2種不同水冷散熱器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了水道的形狀，降低了熱阻和流阻，散熱器的流阻從200 kPa降至88 kPa，熱阻由6℃/kW下降至5℃/kW。帶來的直接效益是水冷系統(tǒng)的成本降低。在實(shí)現(xiàn)相同的換流器功率輸出條件下，本來需要選擇額定電流1 200 A的功率器件，現(xiàn)采用1 000 A即可滿足設(shè)計(jì)要求，降低了閥設(shè)備的造價(jià)。

圖3 水冷散熱器水道優(yōu)化設(shè)計(jì)

閥設(shè)備組件種類多，形狀各異，有限元分析法適于解決幾何模型復(fù)雜的電磁場分布問題，通過電磁場仿真分析閥塔的電場和磁場分布，可以對(duì)閥設(shè)備間的布局、閥層間距進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。在絕緣設(shè)計(jì)中，當(dāng)閥塔組件間絕緣材料的電介質(zhì)承受的電場強(qiáng)度超過一定限值時(shí)就會(huì)絕緣擊穿，如圖4所示，通過仿真分析閥塔電場強(qiáng)度及分布確保閥設(shè)備上最大電場強(qiáng)度不會(huì)超過絕緣介質(zhì)（如空氣等）的臨界場強(qiáng)，如果絕緣介質(zhì)被擊穿就有必要對(duì)閥塔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化[37-38]。在閥設(shè)備過電壓分析過程中，也可以通過仿真獲得的電場/磁場能量和施加的激勵(lì)電壓/電流關(guān)系提取閥塔的寄生電容和電感參數(shù)，如同層的2個(gè)子模塊之間、閥層與閥層之間、子模塊與屏蔽罩之間的寄生電容參數(shù)；用于建立閥塔的寬頻等效模型，進(jìn)一步分析閥塔在操作過電壓、雷電過電壓、陡波過電壓的擾動(dòng)下閥塔內(nèi)電壓分布，確保半導(dǎo)體閥設(shè)備的各組件安全。

圖4 相鄰閥塔電場分布仿真分析

閥設(shè)備組件多，自重大，在換流站閥廳中一般有立式和懸吊式2種安裝方式。以某立式閥設(shè)備為例，在計(jì)算重力作用的靜力分析時(shí)，施加重力加速度載荷，通過對(duì)閥塔位移場的仿真（如圖5所示），可以計(jì)算出支撐組件的應(yīng)力和形變，校核閥塔起主要支撐作用的絕緣型材強(qiáng)度、閥塔的結(jié)構(gòu)布局是否有足夠的安全系數(shù)。閥設(shè)備的設(shè)計(jì)需要考慮在9級(jí)地震烈度的抗震能力，做抗震分析校核時(shí)按照一定的模型施加地震載荷，計(jì)算閥塔地震作用和重力作用的組合工況[39-40]，得出閥塔在一定標(biāo)準(zhǔn)地震烈度作用下的最大響應(yīng)位移和加速度，校核閥塔強(qiáng)度是否可以抵御。

4 閥控制技術(shù)研究

閥設(shè)備在運(yùn)行中需要控制各功率器件及子單元的工作，監(jiān)視其運(yùn)行狀態(tài)。閥設(shè)備的控制需要根據(jù)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率器件工作特性來區(qū)分。

圖5 閥塔應(yīng)力與應(yīng)變仿真分析

針對(duì)直接串聯(lián)型閥設(shè)備的控制，以典型的半控器件晶閘管和全控器件IGBT分別說明。晶閘管閥，閥控根據(jù)上層控制系統(tǒng)發(fā)來的觸發(fā)角脈沖信息，生成同相的點(diǎn)火脈沖信息給串聯(lián)的晶閘管TCU（如圖6所示）。TCU完成自取能、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)晶閘管、監(jiān)視晶閘管狀態(tài)并上送閥控。IGBT閥，閥控根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)來的電壓調(diào)制波形按照PWM調(diào)制策略，生成同相的控制脈沖給串聯(lián)IGBT的GCU；GCU完成自取能、動(dòng)態(tài)均壓、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)IGBT，監(jiān)視IGBT狀態(tài)并上送閥控。

圖6 串聯(lián)閥控制系統(tǒng)框圖

工程實(shí)施中，閥設(shè)備控制需要處理一些難題。首先要解決控制單元的供能，閥各級(jí)串聯(lián)功率器件電位不相等且對(duì)地電壓很高，采用外供電需要解決高壓絕緣問題。針對(duì)大量TCU/GCU外供電經(jīng)濟(jì)性差，一般在功率器件關(guān)斷期間通過RC回路從器件兩端自取能，對(duì)于特殊應(yīng)用如張北直流斷路器閥，其運(yùn)行工況不支持自取能，為了提升可靠性，采用了激光及CT雙供能方式。其次是解決串聯(lián)器件開關(guān)過程中動(dòng)態(tài)不均壓的問題，器件的晶圓批次不同導(dǎo)致動(dòng)態(tài)特性有一定的分散性，開通慢的器件可能會(huì)被擊穿。通過在器件兩端并聯(lián)RCD電路抵消開關(guān)速度的差異，但是會(huì)帶來開關(guān)損耗的增加，適用于開關(guān)頻率低的應(yīng)用，如直流斷路器；也可以在控制單元上增加動(dòng)態(tài)有源箝位電路，檢測器件兩端電壓閉環(huán)反饋提升柵極電壓，適用于開關(guān)頻率高的應(yīng)用，如直接串聯(lián)型柔性直流輸電。再次，還要解決對(duì)功率器件的保護(hù)和監(jiān)測，串聯(lián)閥中某級(jí)TCU/GCU無法收到閥控的觸發(fā)信號(hào)時(shí)會(huì)損壞對(duì)應(yīng)的功率器件，需要在控制單元上設(shè)計(jì)過壓自觸發(fā)保護(hù)電路，器件失效時(shí)需上報(bào)閥控系統(tǒng)。國內(nèi)某直流輸電工程運(yùn)行中曾經(jīng)出現(xiàn)多次換相失敗，分析認(rèn)為是晶閘管閥脈沖丟失導(dǎo)致，但是因?yàn)殚y控設(shè)備沒有錄波，無法確定是上層控制系統(tǒng)還是閥控系統(tǒng)的脈沖下發(fā)環(huán)節(jié)受干擾所致。目前，行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先廠家的閥控設(shè)備，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有晶閘管級(jí)觸發(fā)及反饋信號(hào)、器件狀態(tài)監(jiān)視的50 μs級(jí)錄波。

針對(duì)子單元級(jí)聯(lián)型閥設(shè)備，控制較復(fù)雜，控制系統(tǒng)將需要輸出的正弦電壓調(diào)制波形送給閥控裝置，閥控按照一定的調(diào)制策略協(xié)調(diào)控制閥設(shè)備內(nèi)數(shù)百個(gè)子模塊的開關(guān)。最近電平逼近調(diào)制策略采用最近的電平瞬時(shí)逼近正弦調(diào)制波[41-42]（如圖7所示），實(shí)現(xiàn)最簡單，動(dòng)態(tài)性能好，適用于子模塊數(shù)量較多的應(yīng)用領(lǐng)域如柔性直流輸電MMC；載波移相調(diào)制策略針對(duì)每個(gè)相鄰的子模塊，三角載波移相π/N，N為閥串聯(lián)的子單元數(shù)，能在較低的器件開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高的等效開關(guān)頻率，適用于子模塊數(shù)量較少的應(yīng)用領(lǐng)域如H橋級(jí)聯(lián)型SVG。

圖7 最近電平逼近調(diào)制輸出波形

子單元級(jí)聯(lián)型閥內(nèi)功率器件不存在開關(guān)過程中的動(dòng)態(tài)均壓問題，但子模塊間存在電容電壓均衡控制問題，閥控的電容電壓排序以及均衡控制算法相關(guān)研究較多，主要在以下控制目標(biāo)間取得最優(yōu)平衡：減小平均電壓波動(dòng)系數(shù)、減小電容電壓不平衡度、降低器件開關(guān)頻率和算法實(shí)現(xiàn)難度等。工程實(shí)施中采用對(duì)電壓設(shè)上下限的增量式均壓算法，能在以上目標(biāo)中取得較好的平衡。MMC柔性直流輸電由三相組成，三相投入的子模塊電容電壓之和不平衡還會(huì)帶來橋臂間環(huán)流問題，加劇子模塊電容電壓的波動(dòng)，增加了換流器的損耗，不僅降低了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，也對(duì)電容和功率器件的參數(shù)選擇提出了更高的要求。增大橋臂電抗可以抑制環(huán)流，但是增加了設(shè)備成本。工程中主要通過提取橋臂環(huán)流中的二倍頻分量進(jìn)行閉環(huán)控制輸出環(huán)流校正電壓參考值，疊加到橋臂電壓參考值上。本質(zhì)上是通過調(diào)整橋臂的投入子模塊個(gè)數(shù)來抑制橋臂環(huán)流，但是該調(diào)節(jié)方式具有最小投入一個(gè)子模塊的限制，因此存在一定的調(diào)節(jié)死區(qū)及控制精度受限問題。

子模塊拓?fù)漭^直接串聯(lián)型復(fù)雜，子模塊內(nèi)器件種類較多。以半橋和H橋型IGBT子模塊為例，子模塊內(nèi)包括若干IGBT器件、儲(chǔ)能電容、旁路晶閘管、旁路開關(guān)、直流取能電源、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、開關(guān)和晶閘管驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、子單元控制電路等。內(nèi)部接線較多，故障類型多，閥控實(shí)時(shí)下發(fā)的控制命令和子單元控制電路上傳的監(jiān)視信息量大。閥控與閥設(shè)備的眾多子模塊控制單元構(gòu)成大分布式I/O（輸入/輸出）系統(tǒng)，閥控作為所有子單元的中央集控單元，需要按照一定的策略監(jiān)視并協(xié)調(diào)各子模塊電容電壓保持平衡，按照一定的調(diào)制策略下發(fā)各子模塊的投入和退出控制命令，處理所有子模塊上報(bào)的故障狀態(tài)信息，保護(hù)子模塊不損壞且不影響閥設(shè)備運(yùn)行。

半導(dǎo)體閥設(shè)備在運(yùn)行中會(huì)遇到各種系統(tǒng)故障等極端工況，閥設(shè)備的保護(hù)功能至關(guān)重要。過電壓保護(hù)可以通過上層控制保護(hù)系統(tǒng)、閥控系統(tǒng)、子單元或者器件過壓保護(hù)電路多級(jí)協(xié)同配合，根據(jù)保護(hù)延時(shí)相互形成后備。IGBT閥耐受過電流時(shí)間很短，閥控需要具備快速過電流保護(hù)能力，張北柔直閥控提出了100 μs的保護(hù)時(shí)間要求，包括從故障電流檢測到換流閥閉鎖整個(gè)過程。通過采用全光學(xué)式電流互感器，高速通信總線以及FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）透明傳輸?shù)燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了快速過流保護(hù)。

工程中有不少難題需要解決，為了提升系統(tǒng)的平均無故障運(yùn)行時(shí)間，柔性直流輸電MMC中設(shè)計(jì)了冗余子模塊，通過機(jī)械式旁路開關(guān)切除故障子模塊不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。但是遇到子模塊的電源故障以及旁路開關(guān)故障的時(shí)候，有子模塊無法旁路的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)一個(gè)子模塊的故障可能造成整個(gè)系統(tǒng)的停運(yùn)。采用相鄰子模塊交叉取能、爆炸式開關(guān)取代機(jī)械式開關(guān)、子模塊過壓失效后可長期短路運(yùn)行的功率器件等是可能的研究方向。閥設(shè)備的控制系統(tǒng)是一個(gè)大型的分布式I/O系統(tǒng)，在遇到電力系統(tǒng)短路等故障時(shí)，這個(gè)控制系統(tǒng)的延時(shí)將影響控制的穩(wěn)定性。為了減小控制和保護(hù)延時(shí)，優(yōu)化閥控的控制層級(jí)，采用千兆以上光纖實(shí)現(xiàn)層間數(shù)據(jù)透傳，采用FPGA硬件并行處理替代DSP（數(shù)字信號(hào)處理）軟件串行處理等都是可能的研究方向。

5 閥試驗(yàn)技術(shù)研究

半導(dǎo)體閥設(shè)備的基本組成單元為功率器件和子單元，器件和子單元級(jí)試驗(yàn)主要驗(yàn)證其開關(guān)特性、電氣應(yīng)力、熱應(yīng)力、故障暫態(tài)應(yīng)力及保護(hù)特性。晶閘管級(jí)測試關(guān)注開關(guān)特性，如開通di/dt，關(guān)斷過程中的反向恢復(fù)特性及應(yīng)力，如反向電壓過沖及du/dt，其原理如圖8（a）。全控型器件的測試較SCR復(fù)雜，需要搭建雙脈沖測試平臺(tái)，其原理如圖8（b），可以測試全控器件的開通和關(guān)斷損耗、開通和關(guān)斷時(shí)間等，用于器件的選型評(píng)估、器件的驅(qū)動(dòng)開發(fā)設(shè)計(jì)評(píng)估。實(shí)際設(shè)計(jì)出的子單元樣機(jī)也必須開展雙脈沖測試，用于評(píng)估器件的開關(guān)特性與子單元的寄生參數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否匹配，校核子單元上器件的電氣應(yīng)力及安全工作區(qū)。

針對(duì)實(shí)際子模塊，需要搭建功率試驗(yàn)平臺(tái)，考核子模塊在連續(xù)功率運(yùn)行條件下的熱穩(wěn)定性、電磁兼容性設(shè)計(jì)，以半橋子模塊試驗(yàn)為例，其原理如圖8（c），采用2只半橋子模塊通過電感連接作為功率交換途徑，外部直流電源給電容充電補(bǔ)充運(yùn)行試驗(yàn)中的損耗。在最大連續(xù)直流電壓、額定電流、最大連續(xù)工作頻率條件下，檢驗(yàn)單個(gè)子模塊中各器件對(duì)電流、電壓、熱應(yīng)力的適應(yīng)性。

圖8 晶閘管及IGBT雙脈沖、功率試驗(yàn)原理

半導(dǎo)體閥設(shè)備根據(jù)其應(yīng)用的產(chǎn)品，需要滿足相應(yīng)的IEC（國際電工委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)，一般包括絕緣試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)。其中，絕緣試驗(yàn)主要針對(duì)閥對(duì)地、閥端間的絕緣，包括交直流耐壓試驗(yàn)、雷電及操作沖擊電壓試驗(yàn)和局部放電試驗(yàn)；運(yùn)行試驗(yàn)包括周期觸發(fā)試驗(yàn)、最小交/直流電壓試驗(yàn)、故障（如短路）電流試驗(yàn)等。

柔性輸電領(lǐng)域的半導(dǎo)體閥設(shè)備發(fā)展方向?yàn)楦邏捍笕萘?，電壓?shù)百千伏，功率可達(dá)數(shù)百至數(shù)千兆瓦，采用全功率試驗(yàn)考核閥設(shè)備性能所需試驗(yàn)電源容量大，試驗(yàn)電源無法滿足，需要研究如何以較少的代價(jià)真實(shí)地再現(xiàn)可能作用在閥上的各種應(yīng)力，即閥的等效試驗(yàn)技術(shù)[29]。采用的替代試驗(yàn)系統(tǒng)所產(chǎn)生的電氣應(yīng)力、機(jī)械和熱應(yīng)力要與閥實(shí)際運(yùn)行中遇到的最嚴(yán)重工況等效，對(duì)于直接串聯(lián)的晶閘管閥設(shè)備，目前主要采用合成回路的等效試驗(yàn)技術(shù)，試驗(yàn)電流和試驗(yàn)電壓分別由2個(gè)獨(dú)立的電源產(chǎn)生，電流源提供晶閘管閥導(dǎo)通期間的大電流，電壓源提供晶閘管截止期間的高電壓，按照設(shè)計(jì)的邏輯控制電壓源和電流源交替施加在被測試閥設(shè)備上[43]。國內(nèi)已建成的合成試驗(yàn)回路容量已達(dá)穩(wěn)態(tài)100 kV/8 kA，沖擊電壓300 kV，故障峰值電流90 kA。對(duì)于全控器件組成的閥設(shè)備，由于功率器件開關(guān)速度快，采用合成回路切換電源模擬閥設(shè)備開關(guān)過程的應(yīng)力較困難[44]，目前主要采用小容量背靠背試驗(yàn)方法，如圖9所示的MMC柔直背靠背試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)際工程中，一個(gè)閥臂由很多個(gè)閥層級(jí)聯(lián)而成，在建立等效試驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)閥層作為一個(gè)閥臂進(jìn)行試驗(yàn)，降低了試驗(yàn)直流電壓，但對(duì)于每個(gè)閥層，其運(yùn)行的電壓和電流與實(shí)際工程的額定參數(shù)一致，但由于等效成一個(gè)閥臂的子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)較少，輸出的交流波形諧波含量較高[45]。

圖9 MMC柔直背靠背試驗(yàn)原理

6 結(jié)語

本文研究了柔性輸電領(lǐng)域高壓大容量閥設(shè)備的功率器件技術(shù)、拓?fù)漕愋?、閥多物理場仿真設(shè)計(jì)技術(shù)、閥控制技術(shù)、閥試驗(yàn)技術(shù)等。以實(shí)際工程應(yīng)用的晶閘管閥、串聯(lián)IGBT閥、半橋和全橋子單元級(jí)聯(lián)型IGBT閥為例對(duì)比分析了不同的拓?fù)湓O(shè)計(jì)、閥控設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)。

柔性直流輸電工程在中國建設(shè)近5年，輸電容量從數(shù)百兆飛躍到數(shù)千兆，在直流輸電應(yīng)用中IGBT閥比晶閘管閥優(yōu)勢明顯，但是從工程運(yùn)行的可靠性比較，目前IGBT閥的故障率還是比晶閘管閥要高不少。未來萬兆級(jí)柔性直流輸電及混合式直流輸電[46]必將成為主流，超大功率半導(dǎo)體應(yīng)用技術(shù)、混合式拓?fù)浼伴y控制技術(shù)、閥可靠性運(yùn)行技術(shù)、閥故障自診斷及在線監(jiān)視技術(shù)將是促進(jìn)柔性輸電發(fā)展的關(guān)鍵。歐洲柔性直流輸電主要應(yīng)用于海上風(fēng)電場功率送出，柔性直流換流站建在海上平臺(tái)上，未來隨著國內(nèi)遠(yuǎn)海海上風(fēng)電建設(shè)的發(fā)展，海上平臺(tái)閥設(shè)備建設(shè)將面臨更大的挑戰(zhàn)。