柔性直流輸電換流站模塊化多電平換流器子模塊狀態評估方法目 次范圍 1規范引文件 1術語定義 1子塊IGBT態估 3線估法 3線估法 3子模電器態評估 3線估法 3線估法 4子模態估 4模狀評方法 4態級準 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評估方法。本文件適用基于半橋子模塊、全橋子模塊構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撲結構的子模塊狀態評估也可參考使用。子模塊主要器件由IGBT和自愈式金屬化電介質電容器組成，其他類型器件的狀態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上流力系并聯容第部：則GB/T17702 GB/T29332 9(IGBT)GB/T34118 GB/T35702.1 GB/T35702.2 GB/T37008GB/T37010IEC60749-34半導體器件機械和環境試驗方法第34部分：功率循環（Semiconductordevices-Mechanicalandclimatictestmethods–Part32:Powercycling）IEC62747(HVDC)(VSC)術語（Terminologyforvoltage-sourcedconverters(VSC)forhigh-voltagedirectcurrentHVDC)systems）IEC62751-2高壓直流(HVDC)系統電壓源轉換器(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下列術語和定義適用于本文件。3.1集射導壓降 collector-emitteron-statevoltage;VCE-onIGBT運行導通過程中集電極和發射極之間的直流電壓。3.2結溫 junctiontemperature;Tj描述功率器件運行過程中的虛擬結點溫度。3.3熱阻 thermalresistance;RthIGBT熱阻分為結-殼熱阻Rth(j-c)和結-環境熱阻Rth(j-a)。3.4熱阻抗 thermalimpedance;ZthIGBT熱阻分為結-殼熱阻抗Zth(j-c)和結-環境熱阻抗Zth(j-a)。3.5自愈金化介電器 self-heatingmetallizeddielectriccapacitor其至少一個電極是由粘附在電介質的金屬組成的電容器。[GB/T17702-2021電力電子電容器，術語和定義3.8]3.6電容的效聯阻 equivalentseriesresistanceofacapacitor;Resr[GB/T17702-2021電力電子電容器，術語和定義3.39]3.7子模電壓 voltageofasubmodule;vsm子模塊測試端子間的電壓。3.8橋臂流 currentofabridgearm;ib流經換流器橋臂的電流。3.9基準值 referencevalue3.10老化差 differencerelativetoreferencevalueduetodeterioration設備特征參量的測量值或計算值與基準值的差值。3.11老化界差 criticaldifferencerelativetoreferencevalueduetodeterioration設備特征參量在壽命范圍內測量值與基準值允許的最大差值3.12柵極電比值 ratioofgateleakage;σIGESIGBT柵極漏電流與IGBT柵極漏電流基準值之間的比值。IGBTVCE-on在指定結溫和電流下測量集射極導通壓降VCE-on，或在其他條件下測量集射極導通壓降VCE-on歸算至指定結溫和電流下。測量方法參照GB/T29332-2012中6.3。VCE-onVCE-on,ref和老化臨界偏差ΔVCE-on,ref測量方法參照GB/T29332-2012中6.3。IGES柵極漏電流IGES的基準值IGES，ref由廠家提供或由使用方根據運行經驗與廠家共同制定。測量方法參照GB/T29332-2012中6.3.5。ton測量方法參照GB/T29332-2012中6.3.11。ton,refΔton,refRth(j-c)測量方法參照GB/T29332-2012中6.3.13。結-Rth(j-c),refΔRth(j-c),refIGBTVCE-on（IGBT的集射極導通壓降。計算方法參見附錄A。125IGBTIGBT（0.5（0.5IGBT狀子模塊IGBT結溫可由熱模型計算或溫敏電參數測量獲得。CResr17702-20215.3CResr。電容器的在線評估方法的參量是電容器的電容C，利用子模塊投入橋臂時的子模塊電壓vsm和橋臂電流ib進行計算。計算方法可參考附錄B電容計算方法。C0.51在換流閥正常運行時應進行子模塊IGBT和子模塊直流支撐電容器的在線狀態評估。當開展A、B、C級檢修時應開展離線狀態評估。具體檢修周期、抽樣方法等參照DL/T1833-2018。子模塊狀態評估方法采取越限檢查的方法。狀態參量通過子模塊器件的離線評估方法和在線評估方法取得。推薦的狀態分級標準參見表1。1狀態參量老化表征狀態分級參考老化原因集射極導通壓降VCE-on1/3ΔVCE-on,ref<ΔVCE-on<ΔVCE-on,ref注意微動磨損、柵氧化層失效ΔVCE-on>ΔVCE-on,ref嚴重柵極漏電流比值σIGES100<σIGES<1000注意柵氧化層失效σIGES>1000嚴重開通時間ton1/3Δton,ref<Δton<Δton,ref注意柵氧化層失效Δton>Δton,ref嚴重結殼熱阻Rth(j-c)ΔRth(j-c)>ΔRth(j-c),ref嚴重熱老化電容量CΔC大于5%嚴重電容器失效串聯等效電阻ResrΔResr大于30%嚴重電容器失效狀態評估結果出現注意或嚴重狀態時應提示報警。提示報警子模塊數量大于總子模塊數的1%且小于3%時應加強換流閥監視，并在離線評估時增加抽樣比例。提示報警子模塊數量大于總子模塊數的3%時應適時安排檢修。離線評估結果為嚴重狀態時建議更換相應組件。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撲結構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，其拓撲結構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。信號S2j-1和S2j（j=1,2,…,N）是互補的關系。B.3 IGBT集射極導通壓降是集電極電流IC的函數，在式（1）中剝離IC對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N個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，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)器件結溫對導通電阻的影響被納入電阻的計算過程中，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，在負橋臂電流方向下，有另外的2N個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,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估方法電容器等效模型如圖B.1所示。+ vC -C Resr構建電壓平衡方程：

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

（33）C C0 C0c c結合MMC運行特性，vC、iC可以用子模塊電壓vsm、橋臂電流ib及開關狀態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時刻值構建方程組，解方程組可得到電容器的電容值C和等效串聯電阻Resr。I t I

1

v pi qiC

smi

（38）Ipj