《柔性直流輸電換流站模塊化多電平換流器子模塊狀態(tài)評估方法》

ICS號

中國標準文獻分類號

CES

團體標準

T/CESXXX-XXXX

柔性直流輸電換流站模塊化多電平換流器

子模塊狀態(tài)評估方法

Conditionassessmentmethodforsub-modulesofmodularmultilevel

converterusedinhighvoltagedirectcurrent(MMC-HVDC)

transmissionconverterstation

（征求意見稿）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中國電工技術(shù)學會發(fā)布

T/CESXXX-XXXX

1范圍

本文件規(guī)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(tài)評估方法。

本文件適用基于半橋子模塊、全橋子模塊構(gòu)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(jié)構(gòu)的子模塊狀態(tài)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(zhì)電容器組成，其他類型器件的狀態(tài)量獲取方法可參考本文件。

2規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適

用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T11204.1標稱電壓1000V以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器第1部分：總則

GB/T17702電力電子電容器

GB/T29332半導體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

GB/T34118高壓直流系統(tǒng)用電壓源換流器術(shù)語

GB/T35702.1高壓直流系統(tǒng)用電壓源換流器閥損耗第1部分：一般要求

GB/T35702.2高壓直流系統(tǒng)用電壓源換流器閥損耗第2部分：模塊化多電平換流器

GB/T37008柔性直流輸電用電抗器技術(shù)規(guī)范

GB/T37010柔性直流輸電換流閥技術(shù)規(guī)范

IEC60749-34半導體器件機械和環(huán)境試驗方法第34部分：功率循環(huán)（Semiconductor

devices-Mechanicalandclimatictestmethods–Part32:Powercycling）

IEC62747高壓直流(HVDC)系統(tǒng)電壓源變流器(VSC)術(shù)語（Terminologyforvoltage-sourced

converters(VSC)forhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)systems）

IEC62751-2高壓直流(HVDC)系統(tǒng)電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)的功率損耗第2部分:模塊化多電平

轉(zhuǎn)換器（Powerlossesinvoltagesourcedconverters(VSC)forhigh-voltagedirectcurrent(HVDC)

systemsPart2:Modularmultilevelconverters）

QC/T1136電動汽車用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊環(huán)境試驗要求及試驗方法

DL/T1833柔性直流輸電換流閥檢修流程

3術(shù)語和定義

GB/T17702、GB/T29332、GB/T34118、GB/T37008、DL/T1833下列術(shù)語和定義適用

于本文件。

3.1

集射極導通壓降collector-emitteron-statevoltage;VCE-on

IGBT運行導通過程中集電極和發(fā)射極之間的直流電壓。

3.2

結(jié)溫junctiontemperature;Tj

描述功率器件運行過程中的虛擬結(jié)點溫度。

3.3

熱阻thermalresistance;Rth

1

T/CESXXX-XXXX

IGBT熱阻分為結(jié)-殼熱阻Rth(j-c)和結(jié)-環(huán)境熱阻Rth(j-a)。

3.4

熱阻抗thermalimpedance;Zth

IGBT熱阻分為結(jié)-殼熱阻抗Zth(j-c)和結(jié)-環(huán)境熱阻抗Zth(j-a)。

3.5

自愈式金屬化電介質(zhì)電容器self-heatingmetallizeddielectriccapacitor

其至少一個電極是由粘附在電介質(zhì)的金屬組成的電容器。

注：在電介質(zhì)被局部擊穿的情況下，電容器的電氣屬性能夠快速且基本上自行恢復。本

質(zhì)上由電容表征其特性的具有兩個端子的設(shè)備。

[GB/T17702-2021電力電子電容器，術(shù)語和定義3.8]

3.6

電容器的等效串聯(lián)電阻equivalentseriesresistanceofacapacitor;Resr

一個有效電阻，當串聯(lián)連接于一個理想電容器、其電容值與所探討的電容器的電容值相

等時，在規(guī)定運行條件下，其產(chǎn)生的損耗功率與電容器消耗的有功功率相等。

[GB/T17702-2021電力電子電容器，術(shù)語和定義3.39]

3.7

子模塊電壓voltageofasubmodule;vsm

子模塊測試端子間的電壓。

3.8

橋臂電流currentofabridgearm;ib

流經(jīng)換流器橋臂的電流。

3.9

基準值referencevalue

器件的額定參數(shù)或廠家型式試驗、例行試驗得出的參考值。可以由廠家提供或由使用方

根據(jù)運行經(jīng)驗與廠家共同制定。

3.10

老化偏差differencerelativetoreferencevalueduetodeterioration

設(shè)備特征參量的測量值或計算值與基準值的差值。

3.11

老化臨界偏差criticaldifferencerelativetoreferencevalueduetodeterioration

設(shè)備特征參量在壽命范圍內(nèi)測量值與基準值允許的最大差值

3.12

柵極漏電流比值ratioofgateleakage;σIGES

IGBT柵極漏電流與IGBT柵極漏電流基準值之間的比值。

2

T/CESXXX-XXXX

4子模塊IGBT狀態(tài)評估

4.1離線評估方法

4.1.1集射極導通壓降VCE-on

在指定結(jié)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(jié)溫和電流下。

測量方法參照GB/T29332-2012中6.3。

集射極導通壓降VCE-on的基準值VCE-on,ref和老化臨界偏差ΔVCE-on,ref由廠家提供或由使用

方根據(jù)運行經(jīng)驗與廠家共同制定。

測量方法參照GB/T29332-2012中6.3。

4.1.2柵極漏電流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(jù)運行經(jīng)驗與廠家共同制

定。

測量方法參照GB/T29332-2012中6.3.5。

4.1.3開通時間ton

測量方法參照GB/T29332-2012中6.3.11。

開通時間的基準值ton,ref和老化臨界偏差Δton,ref由廠家提供或由使用方根據(jù)運行經(jīng)驗與

廠家共同制定。

4.1.4結(jié)-殼熱阻Rth(j-c)

測量方法參照GB/T29332-2012中6.3.13。

結(jié)-殼熱阻基準值Rth(j-c),ref和老化臨界偏差ΔRth(j-c),ref由廠家提供或由使用方根據(jù)運行經(jīng)

驗與廠家共同制定。

4.2在線評估方法

將歸算到指定結(jié)溫和電流下的子模塊IGBT集射極導通壓降VCE-on作為其狀態(tài)判斷參

量。利用橋臂電壓（不含橋臂電抗器電壓）、橋臂電流及子模塊電壓計算獲得各子模塊IGBT

的集射極導通壓降。計算方法參見附錄A。

指定結(jié)溫建議采用125℃，指定電流建議采用IGBT額定電流。指定結(jié)溫及電流也可由

廠家及使用方協(xié)商確定。

用于計算子模塊IGBT集射極導通壓降的橋臂電壓（不含橋臂電抗器電壓）、橋臂電流

及子模塊電壓測量準確度應(yīng)不低于0.5級。橋臂電壓（不含橋臂電抗器電壓）、橋臂電流及

子模塊電壓信號通常來自換流器控制系統(tǒng)采集，可根據(jù)需要額外增加必要的電壓、電流監(jiān)測

點，增加的監(jiān)測點測量準確度應(yīng)同樣滿足不低于0.5級的要求。用于計算的各測量量需對應(yīng)

在同一時刻，采樣頻率不低于控制保護系統(tǒng)的最低采樣頻率。

單次計算的集射極導通壓降受測量不確定性的影響較大，不能直接用于子模塊IGBT狀

態(tài)評價，應(yīng)進行時間不低于一分鐘的連續(xù)采樣。評估過程中應(yīng)多次連續(xù)計算，將計算結(jié)果進

行濾波處理，直至獲得穩(wěn)定的濾波結(jié)果。

子模塊IGBT結(jié)溫可由熱模型計算或溫敏電參數(shù)測量獲得。

5子模塊直流支撐電容器狀態(tài)評價

5.1離線評估方法

電容器的離線評估方法的參量是電容器的電容C和等效串聯(lián)電阻Resr，測量方法參考

GB/T17702-2021中5.3。應(yīng)在制造商指定的電壓、頻率和溫度條件下測量電容C和等效串

聯(lián)電阻Resr。

3

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5.2在線評估方法

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。

電壓電流的測量準確度對評估結(jié)果有很大影響，用于計算電容C的子模塊電壓和橋臂

電流的測量準確度均應(yīng)不低于0.5級，數(shù)據(jù)采樣時間不低于1分鐘。評估過程中應(yīng)進行多

次連續(xù)計算，將計算結(jié)果進行濾波處理，直至獲得穩(wěn)定的濾波結(jié)果。

6子模塊狀態(tài)評估

6.1子模塊狀態(tài)評估方法

在換流閥正常運行時應(yīng)進行子模塊IGBT和子模塊直流支撐電容器的在線狀態(tài)評估。

當開展A、B、C級檢修時應(yīng)開展離線狀態(tài)評估。

具體檢修周期、抽樣方法等參照DL/T1833-2018。

6.2狀態(tài)分級標準

子模塊狀態(tài)評估方法采取越限檢查的方法。狀態(tài)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(tài)分級標準參見表1。

表1子模塊健康狀態(tài)評估表

狀態(tài)參量老化表征狀態(tài)分級參考老化原因

集射極導通壓降1/3ΔVCE-on,ref<ΔVCE-on<ΔVCE-on,ref注意微動磨損、柵

VCE-onΔVCE-on>ΔVCE-on,ref嚴重氧化層失效

柵極漏電流比值100<σIGES<1000注意

柵氧化層失效

σIGESσIGES>1000嚴重

1/3Δton,ref<Δton<Δton,ref注意

開通時間ton柵氧化層失效

Δton>Δton,ref嚴重

結(jié)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(lián)等效電阻ResrΔResr大于30%嚴重電容器失效

6.3處置建議

狀態(tài)評估結(jié)果出現(xiàn)注意或嚴重狀態(tài)時應(yīng)提示報警。

提示報警子模塊數(shù)量大于總子模塊數(shù)的1%且小于3%時應(yīng)加強換流閥監(jiān)視，并在離線評

估時增加抽樣比例。

提示報警子模塊數(shù)量大于總子模塊數(shù)的3%時應(yīng)適時安排檢修。

離線評估結(jié)果為嚴重狀態(tài)時建議更換相應(yīng)組件。

4

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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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)及子模塊電壓與電流的正方向定義如圖A.1所示。

T1D1T1D1T3D3

ib+i+

CbC

+_+_

T2T

D2T2D24D4

vsmvsm

__

(a)半橋子模塊(b)全橋子模塊

圖A.1子模塊電路拓撲及子模塊電壓與電流的正方向定義

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

B.1概述

基于基爾霍夫電壓定律和MMC子模塊的不同開關(guān)運行狀態(tài)，搭建每個橋臂的導通電

阻的矩陣方程。分析方程組系數(shù)矩陣的秩，然后提出二極管導通電阻相等的假設(shè)，減少未知

量個數(shù)，并減小矩陣方程的維度以使其可解決。本文件使用一個由N個半橋子模塊組成的

MMC橋臂來說明計算方法。

B.2電壓平衡方程

由MMC運行特性可知，一個由N個半橋子模塊組成的MMC橋臂，有2N種開關(guān)狀

態(tài)，考慮不同的橋臂電流方向，則有2×2N種運行狀態(tài)。對于不同的橋臂電流方向，方程具

有不同的形式?？紤]橋臂電流的正方向，基于基爾霍夫電壓定律的橋臂電壓平衡方程表示為：

vSVSb1C,12=++·(VVF,1CE,2)()

+++SVS3C,24·(VVF,3CE,4)·()+（1）

++SVS2NNNNN??1·(VF,21C,2CE+)·(V,2)

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(guān)系。

B.3導通電阻矩陣方程

IGBT集射極導通壓降是集電極電流IC的函數(shù)，在式（1）中剝離IC對VCE的影響：

5

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vSVSb1F,1C,12CE,2=++·(iRViRVbF0,1bCE0,2++)()

+++SV3F,3C,24CE,4·(iRViRVbF0,3bCE0,4++)S·()

+

++SV·iRVi++S·(R+V)

21F,21CNN?(bF0,21b?N?,2CE,2N)NNCE0,2N（2）

式中ib是橋臂電流，同時也是流過導通的IGBT和二極管的電流。

定義描述開關(guān)狀態(tài)的行向量：

S=SSSS12212NN?（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,1

R

CE,2

Rp=（4）

R

F,21N?

RCE,2N

公式（4）中定義的列向量包含N個IGBT導通電阻和N個二極管正向電阻，該列向量

包含元素為矩陣方程的待求未知量。

定義描述橋臂內(nèi)N個子模塊電容器電壓的列向量：

VC,1

0

VC,2

V=（5）

C0

VC,N

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：

VF0,1

V

CE0,2

V0p=（6）

V

F0,21N?

VCE0,2N

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電阻方程的結(jié)溫修正

式（4）和（6）中定義的矩陣所包含的元素RCE,2j，RF,2j-1，VCE0,2j和VF0,2j-1（j=1,2,…,

N）是結(jié)溫的函數(shù)。因此，這些元素需要使用器件結(jié)溫進行修正。定義IGBT的結(jié)溫為TCE，

二極管的結(jié)溫為TF。

矩陣Rp中的元素RCE,2j，RF,2j-1分別使用式（8）和（9）替代為RCE,2j,125，RF,2j-1,125分別

為125℃條件下的IGBT導通電阻和二極管正向電阻。

6

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RRTkRR=+?=+(125)

CE,2CE,2jjjjj,125CE,2CECE,2,125T,2（8）

RRTkRR=+?=+(125)

F,21F,21,125F,21FF,21,125T,21jjjjj?????（9）

式中，。

RTkT,2CE,2CEjj=?(125)RTkT,21F,21Fjj??=?(125),jN=1,2,,

式（7）中的矩陣Rp可被矩陣Rp125+RTp所替代，其中：

RF,1,125

R

CE,2,125

Rp125=（10）

R

F,21,125N?

RCE,2,125N

RT,1

R

T,2

RTp=（11）

R

T,2-N1

RT,2N

同時，包含元素VCE0,2j和VF0,2j-1的矩陣V0p也被修正為：

VTF0,1j,1()

VT()

CE0,2j,2

V0p=（12）

VT()

F0,21j,21NN??

VTCE0,2j,2NN()

器件結(jié)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（13）

在式（13）中，S·V0p、S·VC可被定義為

V0Sp=S·V0p（14）

VCS=S·VC（15）

即

vb=ib·S·(Rp125+RTp)+V0Sp+VCS（16）

B.5導通電阻矩陣方程組

一個含有N個子模塊的MMC橋臂有2N種不同的開關(guān)狀態(tài)，而每種開關(guān)狀態(tài)都對應(yīng)一

個如式（3）定義的行向量S，因此也同時對應(yīng)一個如式（16）所描述的矩陣方程。所以，在

正橋臂電流方向下，共有2N種不同的矩陣方程。

NNNN

2種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)2個行向量S，表示為Sj（j=1,2,…,2）。2個行向量S可以集成

為一個矩陣，表示為：

S1S1,1S2,1S2N,1

S2S1,2S2,2S2N,2

S==（17）

t

SSNSNSN

2N1,22,22N,2

7

T/CESXXX-XXXX

進而，定義矩陣SI為：

ib,11SiSiSiSb,11,1b,12,1b,12,1N

iSiSiSiS

b,22b,21,2b,22,2b,22,2N

iSiSiSiS

b,22NNb,21,2b,22,2b,22,2NNNNNNN

SI==（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,1

vb,2

V=（20）

b

v

b,2N

VCS,1

VCS,2

V=（21）

CS

V

CS,2N

V0Sp,1

V0Sp,2

V=（22）

0Sp

V

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）

其中，矩陣SI,Vb和VCS分別與式（18）（20）和（21）定義的矩陣相同，其他矩陣的定義

如式（26）（27）和（28）所述。

N

與式（14）14）相似，V0Sn,j（j=1,2,…,2）定義為：

N

V0Sn,j=Sj·V0n,j（j=1,2,…,2）（24）

式中

VTCE0,1()j,1

VT()

F0,2j,2

V0n=（25）

VT()

CE0,2NN??1j,21

VTF0,2NN()j,2

因此，V0Sn定義為：

8

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V0Sn,1

V0Sn,2

V=（26）

0Sn

V

0Sn,2N

矩陣Rn125和RTn定義為：

RCE,1,125

R

F,2,125

Rn125=（27）

R

CE,21,125N?

RF,2,125N

RT,1(125)TkCE,1CE?

R(125)Tk?

T,2F,2F

RTn==（28）

RT,2-N1(125)TkCE,21CEN??

RT,2N(125)TkF,2FN?

綜上所述，正橋臂電流方向下建立的矩陣方程組描述為式（19），負橋臂電流方向下建

立的矩陣方程組描述為式（23）。

B.6導通電阻矩陣方程組降維處理

B.6.1等RF假設(shè)

為了降低矩陣的維度，使所建立的矩陣方程組（19）（23）可解，假設(shè)所有二極管的正

向電阻相等，描述為：

RRjNF,j,125F,125==1,2,,2（29）

隨著老化，二極管的導通電阻的增大比IGBT慢得多，故與IGBT相比，二極管的正向

電阻變化差異較小，二極管的正向電阻的分散很小并且可以忽略不計。

因此，矩陣方程組（19）和（23）中的待求未知量均減少為N+1，等于系數(shù)矩陣的秩，

方程組可解。

B.6.2系數(shù)矩陣秩判斷

N

式（17）中給出的矩陣St由2行組成，但其秩僅為N+1。實際上，N+1個不同的開關(guān)

狀態(tài)足以產(chǎn)生具有秩為N+1的矩陣St。因此，為了簡化計算，采用N+1個方程構(gòu)建矩陣St，

即：

S1SSS11121,2N

SSSS

221222,2N

SN+1SSSNNNN+++1,11,21,2

St==（30）

N

簡化的矩陣St包含N+1行，代表著N+1種不同的開關(guān)狀態(tài)。取決于從2個不同的開

關(guān)狀態(tài)中所選取的N+1個開關(guān)狀態(tài)，簡化的矩陣St的秩小于等于N+1。為了保證方程組可

解，增加一個矩陣St的秩的判斷過程。在MMC運行過程中，當控制系統(tǒng)控制橋臂中所有

的IGBT產(chǎn)生一種新的開關(guān)狀態(tài)時，則會產(chǎn)生相應(yīng)的描述開關(guān)狀態(tài)的矩陣St，只有當矩陣St

的秩等于N+1時，才求解所建的矩陣方程組。

9

T/CESXXX-XXXX

當矩陣St的秩等于N+1時，矩陣方程組的系數(shù)矩陣SI的秩也等于N+1，同時等于矩陣

方程組中待求未知量的個數(shù)。因此，通過計算N+1維的矩陣方程組（31）和（32），可以獲

得125℃條件下所有的IGBT的導通電阻。

-1

Rp125=SI·(Vb-V0Sp-VCS)-RTp（31）

-1

Rn125=SI·(VCS-Vb-V0Sn)-RTn（32）

10

T/CESXXX-XXXX

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-

CResr

圖B.1電容器等效模型

構(gòu)建電壓平衡方程：

1t

vtvittitR()()d()=++（33）

CCccesr0C0

結(jié)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(guān)狀態(tài)S表示

vvCsm=（34）

iCbiS=（35）

1t

vtvi()(tS=++)(tti)d(tS)(tR)（36）

smsmbbesr0C0

式中，S取值為0或1，當S=0時，表示子模塊切除，當S=1時，表示子模塊投入。

當S=1時，取t、t-1時刻值相減并對方程進行離散化處理：

1i(t)+?i(t1)

v(t)?v(t?1)=bbt+i(t)?i(t?1)R（37）

smsmC2bbesr

取ti、tj時刻值構(gòu)建方程組，解方程組可得到電容器的電容值C和等效串聯(lián)電阻Resr。

1

ItIvpiqismi

C=（38）