楊德林，譚令其，歐陽文艷，林曙光，宋啓能

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000；2.廣東電網(wǎng)電力科學研究院，廣州 510080）

0 引言

模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converters，MMC）拓撲結(jié)構(gòu)因其具有模塊化集成度高、易于拓展、諧波小等特點，被廣泛應用于柔性直流輸電、異步聯(lián)網(wǎng)、風電并網(wǎng)、無功補償?shù)阮I域[1-9]。與常規(guī)直流輸電相比，模塊化多電平拓撲的柔性直流輸電技術具有無需受端提供換相電壓、無需無功補償和交流濾波器、無換相失敗問題、有功無功獨立控制等優(yōu)點[10]。隨著MMC由最初的低壓、小容量示范工程向高電壓、大容量方向的快速發(fā)展，其器件也存在模塊數(shù)量多、承受電壓電流應力大、輔助電路結(jié)構(gòu)復雜等特點。

目前柔性直流工程上應用的MMC 主要為半橋型MMC拓撲結(jié)構(gòu)，受限于現(xiàn)有功率子模塊的耐壓水平，一個閥組往往需要級聯(lián)幾千個功率子模塊，子模塊故障成為工程現(xiàn)場最常見的故障之一。通常柔性直流輸電拓撲每橋臂設計一定數(shù)量的冗余子模塊，當子模塊冗余耗盡時，控保系統(tǒng)執(zhí)行順控程序?qū)⑾鄳y組停運。因此，研究半橋型功率子模塊故障類型、故障特征和失效分析，對于現(xiàn)場故障診斷及提高柔性直流輸電可靠性具有重大意義。

目前國內(nèi)已有不少文獻開展了絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）失效機理、故障特征的分析和研究，提出了IGBT 相應的故障檢測、定位、保護等方案[11-19]，但少有文獻對工程應用中的大功率IGBT 器件現(xiàn)場故障開展分析。本文結(jié)合工程現(xiàn)場實際，梳理MMC半橋子模塊驅(qū)動/器件類、通信類等典型故障，并結(jié)合現(xiàn)場波形開展故障特征和原因分析，提出運維建議和處置措施，供類似故障處理提供參考。

1 半橋型MMC子模塊介紹

半橋型功率子模塊主要由兩個IGBT T1和T2、兩個與IGBT反并聯(lián)的二極管D1和D2、儲能電容器C0、均壓電阻R0、旁路開關、旁路保護晶閘管、驅(qū)動板、旁路觸發(fā)板、控制板、取能電源、水冷回路等組成，如圖1所示。

圖1 半橋型MMC子模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of half-bridge MMC sub-module

（1）IGBT：IGBT 是功率子模塊的核心設備，按照封裝工藝劃分有焊接式IGBT 和壓接式IGBT，壓接式IGBT 因其工藝結(jié)構(gòu)采用兩面散熱，具有散熱好、易于串聯(lián)、故障后不爆炸、故障后短路通流等優(yōu)點。

（2）續(xù)流二極管：每個IGBT 反并聯(lián)一個二極管，根據(jù)工藝不同，有的采用和IGBT 模塊化封裝結(jié)構(gòu)，有的采用外接結(jié)構(gòu)，保證IGBT 閉鎖后電流通過二極管續(xù)流。

（3）儲能電容：在IGBT 兩端并聯(lián)儲能電容C0，可起到存儲能量、支撐母線電壓等作用；均壓電阻同儲能電容并聯(lián)，作為儲能電容的放電回路，同時在換流閥充電時起到均壓的作用。

（4）旁路開關：旁路開關并聯(lián)在功率器件輸出端，當功率子模塊故障時，觸發(fā)旁路開關合閘，將故障功率子模塊隔離并提供橋臂電流通路。旁路開關通常采用雙線圈和冗余觸發(fā)電路設計。

（5）晶閘管：在旁路開關兩端并聯(lián)一個旁路晶閘管。一方面，當旁路開關發(fā)生拒動或旁路失效，電容電壓持續(xù)升高，達到晶閘管的轉(zhuǎn)折電壓后擊穿，擊穿后晶閘管具備長期通流能力，作為旁路開關的后備保護；另一方面，當直流側(cè)發(fā)生接地或短路故障時，快速觸發(fā)旁路晶閘管導通分流，保護IGBT和二極管免受過電流沖擊。

2 半橋型MMC子模塊運行工況

圖2所示為半橋型MMC 子模塊示意圖。正常工作時，根據(jù)IGBT開關狀態(tài)的不同，對應MMC半橋子模塊的三種運行狀態(tài)分別為閉鎖狀態(tài)、投入狀態(tài)、切除狀態(tài)，具體如下。

圖2 半橋型MMC子模塊等效電路圖Fig.2 Schematic diagram of half-bridge MMC sub-module

（1）閉鎖狀態(tài)：T1 和T2 均處于關斷狀態(tài)，當電流由A流向B時，電流經(jīng)D1向電容充電；當電流由B流向A時，電流經(jīng)D2流出將電容旁路。該狀態(tài)主要出現(xiàn)在充電階段或功率模塊嚴重故障時。

（2）投入狀態(tài)：T1 處于開通狀態(tài)、T2 處于關斷狀態(tài)，當電流由A流向B時，T1接收開通信號，但仍然處于關閉狀態(tài)，電流經(jīng)D1 對電容充電；當電流由B流向A時，電流經(jīng)T1使電容放電。

（3）切除狀態(tài)：T1 處于關斷狀態(tài)，T2 處于開通狀態(tài)，當電流由A 流向B 時，電流經(jīng)T2 流出將電容旁路，當電流由B 流向A 時，電流經(jīng)D2 流出將電容旁路。該狀態(tài)下子模塊輸出電壓等于0，電容保持旁路狀態(tài)。

3 典型故障分析

功率模塊可能的故障原因主要有通信故障、IGBT失效擊穿、驅(qū)動板卡故障、取能電源故障、旁路開關誤動等。實際工程中，換流閥橋臂通常設計有一定數(shù)量的冗余子模塊，單一子模塊故障旁路或故障旁路數(shù)量小于冗余數(shù)時，不會導致非計劃停運，系統(tǒng)仍可正常運行，可結(jié)合停電檢修對故障模塊進行更換。本文針對某換流站近半年功率模塊故障類別進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，故障主要以IGBT 故障/驅(qū)動異常和通信故障為主，兩者合計占比高達96.8%，具體信息如表1所示。

表1 某換流站功率模塊故障統(tǒng)計Tab.1 Statistical information of the power module faults in a converter station

由表1可知，在統(tǒng)計期間內(nèi)，共發(fā)生功率模塊故障124起，其中IGBT故障/驅(qū)動異常共80起，包括直通短路故障、單管擊穿及“瞬時性”直通短路故障，占比分別為36.5%、16.7%、10.3%；通信異常共42起，占比33.3%?？梢?，IGBT直通短路故障、單管擊穿、“瞬時性”直通短路故障、通信異常是功率模塊較為典型的故障類型，本文將結(jié)合工程現(xiàn)場案例，對IGBT 故障/驅(qū)動異常典型故障、通信異常故障進行故障特征和理論析，并提出相應的運維建議和處置措施。

3.1 IGBT直通短路故障

由IGBT 運行工況可知，半橋型MMC 子模塊在任一時刻，最多只有一個IGBT 處于導通狀態(tài)[15]。IGBT 直通短路故障即在運行過程中，上、下管因驅(qū)動異常誤開通、電壓擊穿失效、過流失效等導致的上、下管直通放電故障。

3.1.1 故障特征

IGBT直通短路故障發(fā)生后，可結(jié)合故障報文和錄波進行初步分析，判斷IGBT故障類型和原因。發(fā)生直通短路故障的IGBT，電容電壓將迅速短路放電，子模塊電壓將迅速降到0。圖3為工程現(xiàn)場2個模塊（編號009、045）故障錄波圖（圖中電壓值除以13 為實際電壓），功率模塊處于切除狀態(tài)（T1 關斷，T2開通），其余模塊電壓呈下降趨勢（電容放電），表明橋臂電流方向為反向（B→A），子模塊電壓在190 μs 內(nèi)從2000 V 左右迅速降至0，由此可以初步判斷功率模塊上下管發(fā)生直通短路故障。

圖3 045和009功率模塊電壓波形Fig.3 Voltage waveforms of power modules 045 and 009

3.1.2 停電檢查

直通短路的功率模塊在旁路開關合閘后退出運行，只要旁路功率模塊數(shù)量不超過冗余值，不會對設備正常穩(wěn)定運行造成影響。按照缺陷管理流程上報缺陷后，結(jié)合一次設備停電對故障功率模塊進行檢查和更換即可。設備停電后，對故障功率模塊開展以下檢查。

（1）通過使用萬用表二極管檔對上下管進行測試，測試結(jié)果為上下管管壓降均為0，表明上管IGBT 和下管IGBT 均為短路導通狀態(tài)，符合直通短路故障特征；

（2）對功率模塊整體外觀、器件外觀、水管、輸出排進行檢查，可發(fā)現(xiàn)IGBT 陶瓷碎屑，因直通短路的功率模塊在電容放電瞬間會產(chǎn)生巨大應力，導致IGBT爆炸外觀發(fā)生破裂；

（3）對旁路開關進行檢查，旁路開關處于合閘位置，機械性能良好，能正常分合。

3.1.3 失效原因分析

IGBT 上下管直通短路通常是首先由上下管其中一個IGBT 發(fā)生擊穿引起的，IGBT 直通短路故障主要有以下情況。

（1）假設下管IGBT 在導通或關斷的時候發(fā)生擊穿，當上管IGBT 開通的瞬間，集電極-發(fā)射極（C-E）之間的電壓迅速上升，上管驅(qū)動板卡檢測到C-E間電壓過高將觸發(fā)IGBT短路保護，因短路電流過大導致上管IGBT 保護失敗，無法關斷，從而形成模塊直通放電，上管IGBT也被擊穿。

（2）假設下管IGBT正常導通，上管承受電容電壓，上管在承壓過程中內(nèi)部芯片發(fā)生永久性失效，下管IGBT報二類短路故障，觸發(fā)IGBT保護成功，但在旁路開關合閘后，上管IGBT和旁路開關形成直通放電回路，振蕩電流將下管損壞，模塊電壓驟降為0。

（3）假設下管IGBT正常導通，上管IGBT關斷，當上管IGBT 發(fā)生電壓擊穿失效時，下管IGBT 將報二類短路故障，器件驅(qū)動觸發(fā)IGBT短路保護，IGBT關斷失效，將導致發(fā)生上下管直通短路故障，使下管同樣發(fā)生擊穿失效。

以上是功率器件切除狀態(tài)（T1關斷，T2開通）時發(fā)生直通短路的幾種典型情況，功率器件投入狀態(tài)（T1開通，T2關斷）時發(fā)生直通短路故障與上述情況類似。另外，實際中也存在IGBT直通放電后過大的電壓變化率導致晶閘管擊穿的個例，故障符合轉(zhuǎn)折晶閘管過壓自擊穿的特性，工程中通常使用轉(zhuǎn)折晶閘管作為功率模塊的冗余旁路措施。

3.2 IGBT單管擊穿故障

對于半橋功率模塊而言，IGBT單管擊穿通常僅發(fā)生于功率模塊投入狀態(tài)（T2承受電容電壓），且單管擊穿只可能表現(xiàn)為下管擊穿，若是上管IGBT 擊穿，電容電壓將在功率模塊切除或旁路開關合閘時發(fā)生直通短路，電容直通放電導致電壓驟降為0。

3.2.1 故障特征

發(fā)生單管擊穿故障后，可結(jié)合故障報文和錄波對故障類型和原因進行初步分析。單管擊穿故障特征表現(xiàn)為電容電壓在故障后不再波動，而是緩慢下降。如圖4（a）為工程現(xiàn)場104功率模塊單管擊穿IGBT電壓波形。故障前，根據(jù)同橋臂103模塊電壓波形判斷，104 功率模塊處于投入狀態(tài)（T1 開通，T2關斷），根據(jù)同橋臂103 模塊電壓波形判斷，電流方向為正向（A→B），功率模塊電容電壓值正常波動；故障后，104功率模塊電容電壓不再波動，工作電壓從2057 V逐步衰減。

圖4 104和103功率模塊電壓波形Fig.4 Voltage waveforms of power modules 104 and 103

3.2.2 停電檢查

單管擊穿故障功率模塊停電檢查與直通短路故障類似。設備停電后，對故障功率模塊開展以下檢查。

（1）通過使用萬用表二極管檔對上下管進行測試，測試結(jié)果為上管壓降均為0.23～0.25 V，表明上管IGBT 正常；下管壓降均為0，表明下管IGBT 內(nèi)部短路導通，符合單管擊穿故障特征；

（2）對功率模塊整體外觀、器件外觀、水管、輸出排進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。因單管擊穿的IGBT未發(fā)生直通短路，不會產(chǎn)生巨大的過應力導致IGBT爆炸，外觀檢查正常，需對IGBT解體分析；

（3）對旁路開關進行檢查，旁路開關處于合閘位置，機械性能良好，能正常分合。

3.2.3 失效原因分析

IGBT處于切除狀態(tài)（T2導通，T1關斷）時，T1承受電容電壓，若是T1 發(fā)生擊穿失效，將導致上下管直通故障，因此，上管IGBT 單管擊穿失效均發(fā)生于子模塊投入狀態(tài)（T1導通，T2關斷）；T2承受電容電壓，故障時T2 內(nèi)部的IGBT 或二極管子單元發(fā)生永久性失效，導致T1管呈二類短路故障，T1管的驅(qū)動板檢測到短路故障并成功關斷T1 管，旁路開關合閘，電容無法再進行充放電，因此模塊電壓故障后不再波動，開始緩慢下降。

3.3 IGBT“瞬時性”直通短路故障

IGBT“瞬時性”直通短路故障即IGBT 發(fā)生“瞬時性”直通后故障恢復且IGBT 驅(qū)動保護成功，旁路開關正常合閘，功率模塊并未發(fā)生擊穿失效的情況。主要原因為電磁干擾導致誤觸發(fā)、旁路開關瞬時性擊穿等。

3.3.1 故障特征

單管擊穿功率模塊故障特征表現(xiàn)為：工作站報IGBT電源故障、驅(qū)動異?；騎1短路故障，發(fā)生瞬時性直通后旁路開關成功合閘將故障模塊旁路，模塊電容電壓通常表現(xiàn)為瞬跌后保持緩慢下降。

圖5 為工程現(xiàn)場124 功率模塊發(fā)生“瞬時性”直通故障的波形及同橋臂149 功率模塊正常波形，故障時工作站報124 模塊“IGBT1 短路故障”“旁路開關合位”，由故障錄波可知，模塊電壓在460 μs內(nèi)從2005 V突降至1985 V，隨后電壓緩慢下降，符合“瞬時性”直通短路故障特征。

圖5 124和149功率模塊電壓波形Fig.5 Voltage waveforms of power modules 124 and 149

3.3.2 停電檢查

“瞬時性”直通短路故障功率模塊停電檢查與其余故障類型類似。設備停電后，對故障功率模塊開展以下檢查。

（1）通過使用萬用表二極管檔對上下管進行測試，測試結(jié)果均表現(xiàn)為上、下管壓降正常，表明上、下管IGBT 并未發(fā)生擊穿失效，符合“瞬時性”直通故障特征；

（2）對功率模塊整體外觀、器件外觀、水管、輸出排進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，需返廠開展驅(qū)動板及旁路開關解體分析；

（3）對旁路開關進行檢查，旁路開關處于合閘位置，機械性能良好，能正常分合。

3.3.3 失效原因分析

針對上述故障案例，通過故障波形判斷模塊電壓驟降20 V后保持穩(wěn)定，初步懷疑發(fā)生“瞬時性”直通短路，根據(jù)公式可計算得出，故障時刻的電流平均值約650 A，遠大于無功功率為0工況下的橋臂電流，因此判定故障時刻發(fā)生了功率模塊短路且IGBT短路保護正確動作，將模塊旁路。發(fā)生“瞬時性”直通短路主要有以下兩種情況。

（1）功率模塊處于投入狀態(tài)（T1 開通，T2 關斷），旁路開關承受模塊電容電壓，假設旁路開關承壓過程中發(fā)生了瞬時性擊穿，與T1管形成電容放電直通回路，T1管的驅(qū)動板檢測到短路故障并成功關斷T1管，表現(xiàn)為電壓驟降20 V后保持穩(wěn)定。

（2）功率模塊上管或下管在關斷期間，若因電磁干擾致使驅(qū)動板卡異常，導致關斷的IGBT 誤開通，將發(fā)生“瞬時性”直通短路故障，IGBT 監(jiān)測到短路故障后保護成功，旁路開關合閘，表現(xiàn)為電壓瞬跌后保持緩慢下降趨勢。

為進一步查明故障原因，對旁路開關開展返廠解體測試試驗，其中旁路開關電阻、分合閘時間等均正常，對旁路開關進行開距測試和真空管真空度測試，結(jié)果均正常。最后對真空滅弧室進行解剖分析，發(fā)現(xiàn)觸頭表面有明顯擊穿燃弧痕跡，驗證了旁路開關瞬時性絕緣擊穿導致直通短路的情形。

3.4 通信類故障

柔性直流輸電系統(tǒng)中，通常會使用大量的光纖通信，用以控制系統(tǒng)間通信、IGBT 觸發(fā)等。大多數(shù)情況下模塊發(fā)生通信中斷故障后，若只有一路通信，則將導致該模塊旁路，若采用交叉冗余的通信設計，可以避免單路通信故障后導致的模塊旁路，將大大提高模塊的運行可靠性。

3.4.1 故障特征

通信類故障因采用交叉冗余設計，通常表現(xiàn)為上行或下行通信故障，不會導致功率模塊旁路，功率模塊仍可通過交叉冗余通信正常運行。圖6為工程現(xiàn)場124 通信模塊故障錄波和同橋臂131 模塊正常錄波，工作站報“124功能模塊上行直連通信中斷故障”，后臺監(jiān)控畫面顯示該模塊為故障態(tài)。該功率模塊電壓顯示值為1853 V，且和其他正常功率模塊電壓數(shù)值及變化趨勢一致（充電時模塊平均電壓為1840 V），初步判斷該模塊仍通過交叉通信正常工作。

圖6 131和124功率模塊電壓波形Fig.6 Voltage waveforms of power modules 131 and 124

進一步查看模塊電壓錄波，該模塊發(fā)生單路通信中斷后，模塊電容電壓值和其他的功率模塊電容電壓波形保持一致，維持充電階段的電壓上升趨勢，判斷該故障子模塊僅發(fā)生上行直連通信中斷，仍可通過相鄰模塊交叉冗余通信維持正常工作，與閥控后臺顯示相互印證。

3.4.2 停電檢查

現(xiàn)場停電檢修后，主要對通信故障的功率模塊進行以下檢查。

（1）檢查脈沖分配屏至模塊間光纖座、光纖頭有無異常，對光纜進行衰耗測試。

（2）檢查主控板光纖座、冗余通信光纜衰耗測試，對光纖座進行光功率測試。

檢查結(jié)果顯示，模塊與脈沖分配屏間的通信光纖均未見異常，但模塊的主控板光纖座發(fā)光偏暗，對光纖座進行光功率測試，測試發(fā)光功率均低于-30 dBm（正常發(fā)光功率為-15 dBm），檢測板卡均存在光纖座發(fā)光偏暗、光功率偏低現(xiàn)象。

3.4.3 失效原因分析

通信類故障通常故障原因可能為板卡故障、光纖破損、光纖接頭松動、光纖彎曲半徑過小、光纖座缺陷等原因，對故障光纖座返廠檢查發(fā)現(xiàn)，光纖座存在發(fā)光偏暗、光功率偏低的現(xiàn)象，對正常光纖座模擬電氣過應力（Eletrical Over Stress，EOS）測試、靜電放電（Eletro Static Discharge，ESD）測試，正常光纖座出現(xiàn)失效，與上述故障現(xiàn)象吻合，判斷故障原因為ESD/EOS損壞。

4 運維建議

功率模塊典型故障主要有IGBT直通短路故障、IGBT單管擊穿、IGBT“瞬時性”直通短路、通信故障、黑模塊、旁路開關誤動、驅(qū)動板卡故障等，故障類型較多，其中器件類故障、通信故障較為典型。因功率模塊基數(shù)大，當故障功率模塊增多時，會降低換流單元的運行可靠性，嚴重時危及換流閥的安全穩(wěn)定運行，超過冗余值時將直接導致?lián)Q流單元被迫停運。針對上述典型故障，建議采取以下運維措施：

（1）針對IGBT器件類故障，應做好故障信息統(tǒng)計，對比分析不同運行工況下IGBT 失效特征，開展IGBT失效機理研究，制訂可行的提高其運行可靠性的措施。

（2）結(jié)合停電檢修窗口，開展故障功率模塊更換和返廠解體分析，確定故障元器件及原因，排除功率模塊批次缺陷或制造工藝導致的故障，并制訂有針對性的處置和防控措施。

（3）針對IGBT“瞬時性”直通短路故障，應返廠開展故障復現(xiàn)和故障模擬試驗，開展旁路開關等元器件測試，確定故障根本原因。針對旁路開關擊穿放電導致短路問題，應考慮在保證分合閘時間滿足要求的前提下采取增加旁路開關觸頭開距、對觸頭采取大電流老煉技術等措施，并對模塊繼續(xù)投入運行的可行性、可靠性進行評估。

（4）針對通信類故障，應結(jié)合停電重點核查光纖座、光纖接口是否存在松動、放電痕跡等情況，檢查光纜光衰是否正常，確認設計、質(zhì)量是否滿足技術要求，評估是否因運行環(huán)境差異導致靜電損壞或電氣過應力損壞，并結(jié)合實際情況采取更換不同型號光纖座或改善電磁環(huán)境的措施。

（5）針對驅(qū)動板卡故障導致誤觸發(fā)等問題，應著重開展板卡測試，排查驅(qū)動板卡元器件質(zhì)量和壽命是否達標，抗電磁干擾能力是否滿足技術規(guī)范要求，是否存在批次缺陷情況以及板卡程序、功能是否正常。

5 結(jié)束語

本文針對半橋型MMC子模塊拓撲、結(jié)構(gòu)及運行工況進行了闡述，結(jié)合工程現(xiàn)場案例對功率模塊典型故障進行了分析，提出一些相應的運維建議及對策，以指導柔性直流輸電工程現(xiàn)場缺陷分析和處理，提高柔性直流工程的運行可靠性。