《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(píng)估方法編制說(shuō)明》

《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(píng)估方法》

編制說(shuō)明

（征求意見(jiàn)稿）

一、工作簡(jiǎn)況

1主要工作過(guò)程

起草（草案、調(diào)研）階段：2021年12月成立西安交通大學(xué)、南方電網(wǎng)電力

科技股份有限公司、西安西電電力系統(tǒng)有限公司、無(wú)錫賽晶電力電容器有限公司

等單位組成的工作組，2022年12月完成征求意見(jiàn)稿。

征求意見(jiàn)階段：2022年12月開(kāi)始征求意見(jiàn)。

送審階段：

報(bào)批階段：

2主要參加單位和工作組成員及其所做的工作

本標(biāo)準(zhǔn)由西安交通大學(xué)、南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司、西安西電電力系

統(tǒng)有限公司、無(wú)錫賽晶電力電容器有限公司、國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司、南

方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司、中電普瑞電力工程有限公司、國(guó)網(wǎng)北京電力公

司、國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司、國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院、特變電工新疆

新能源股份有限公司、國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司超高壓分公司等單位共同負(fù)責(zé)起

草。

主要成員：祝令瑜、占草、張健、涂小剛、雷喬舒、邢照亮、陳德興、謝文

杰、崔燾、劉濤、左強(qiáng)林、王偉丞、鄭琳子、劉俊杰、姜鵬、梁基重、王頌、李

香龍、吳鵬、盛俊毅等。

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容

1、標(biāo)準(zhǔn)編制原則

本文件在遵循技術(shù)發(fā)展規(guī)律、總結(jié)大量工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)以下原

則編制：

1

1)適用性原則：編制的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)適應(yīng)不同電壓等級(jí)直流工程的應(yīng)用需求，既

要滿足新工程的設(shè)計(jì)要求，也要兼顧已有工程的運(yùn)行維護(hù)需要；既要考慮子模塊

IGBT和金屬化膜電容器的共性技術(shù)，也兼顧考慮子模塊IGBT和金屬化膜電容

器的特殊性需求；

2)先進(jìn)性原則：充分吸收借鑒國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的前沿技術(shù)、先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，

反映最新直流工程已取得的先進(jìn)成果和經(jīng)驗(yàn)；

3)成熟性原則，充分反映國(guó)內(nèi)外柔性直流工程已大量投產(chǎn)，子模塊IGBT

和電容器設(shè)備制造具有成熟的技術(shù)體系；

4)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較原則：積極落實(shí)國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，柔性直流工程的相

關(guān)系統(tǒng)應(yīng)做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理；

5)節(jié)能環(huán)保原則：積極落實(shí)國(guó)家的節(jié)能環(huán)保政策，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下提

倡采用高效節(jié)能設(shè)備。

2、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

--第1部分：范圍

--第2部分：規(guī)范性引用文件

--第3部分：術(shù)語(yǔ)和定義

--第4部分：子模塊IGBT狀態(tài)評(píng)估.

--第5部分：子模塊直流支撐電容器狀態(tài)評(píng)價(jià)

--第6部分：子模塊狀態(tài)評(píng)估

第4章和第5章分別為子模塊IGBT和子模塊直流支撐電容器的狀態(tài)評(píng)

價(jià)，是子模塊的核心元器件狀態(tài)評(píng)價(jià)參數(shù)，第6章為子模塊的狀態(tài)評(píng)估方法、

狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及處置建議。在附錄中分別列出了柔性直流輸電換流站模塊化多電

平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、MMC子模塊IGBT集射極導(dǎo)通壓降在線自感知方法、

子模塊電容器電容在線評(píng)估方法和模塊化多電平換流器子模塊關(guān)鍵組件狀態(tài)劣

化機(jī)理。

3、解決的主要問(wèn)題

1）提出子模塊IGBT和金屬化膜電容器狀態(tài)評(píng)估方法；

2）形成子模塊狀態(tài)劣化特征量和評(píng)價(jià)判據(jù)共識(shí)；

3）為滿足子模塊狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)需求，提出MMC運(yùn)行電氣參量的測(cè)量傳

感器精度要求。

2

三、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）情況

3.1子模塊IGBT集射極導(dǎo)通壓降在線自感知算法驗(yàn)證與誤差分析

搭建了MMC快速控制原型仿真平臺(tái)用于驗(yàn)證MMC子模塊IGBT監(jiān)測(cè)方法

可行性。所設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)為單相7電平逆變電路，子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用半橋子

模塊，系統(tǒng)電路圖如圖1所示。系統(tǒng)由電源部分、子模塊部分、電流測(cè)量部分、

轉(zhuǎn)接板和仿真機(jī)部分構(gòu)成。MMC平臺(tái)實(shí)物圖如圖2所示。本平臺(tái)參數(shù)選取如表

1所示。

圖1MMC快速控制原型仿真系統(tǒng)電路圖

圖2MMC快速控制原型仿真系統(tǒng)實(shí)物圖

表1系統(tǒng)參數(shù)選取

功率等級(jí)整流側(cè)電壓負(fù)載電橋臂電感子模塊電容值橋臂電容

參數(shù)

（kW）（V）阻（Ω）（mL）（μF）（μF）

數(shù)值1040027660010000

MMC硬件平臺(tái)直流側(cè)施加120V直流電壓。其運(yùn)行的輸出電壓、上橋臂電

3

壓、上橋臂第一個(gè)子模塊上IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、上橋臂第一個(gè)子模塊電容器電壓

分別如圖3(a)(b)(c)(d)所示。

(a)MMC硬件平臺(tái)輸出電壓

(b)MMC硬件平臺(tái)上橋臂電壓

(c)MMC硬件平臺(tái)上橋臂第一個(gè)子模塊上IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)

(d)MMC硬件平臺(tái)上橋臂第一個(gè)子模塊電容器電壓

4

圖3MMC硬件平臺(tái)重要信號(hào)

焊接型IGBT功率模塊技術(shù)手冊(cè)給出了導(dǎo)通電壓的出廠參數(shù)，如表2所示。

流經(jīng)IGBT的電流在0-8A范圍內(nèi)，因此IGBT的發(fā)熱并不嚴(yán)重。IGBT集射極導(dǎo)

通壓降VCE和二極管正向電壓VF均使用結(jié)溫Tj=25℃條件下的參數(shù)值作為對(duì)照。

將計(jì)算電壓歸算到25℃，75A條件下，IGBT集射極導(dǎo)通壓降結(jié)果如圖4所示，

VCE1-6的平均值如表3所述。

表2IGBT模塊主要參數(shù)

主要參數(shù)典型值備注

1.85VIC=75A，VGE=15V，Tj=25℃

IGBT導(dǎo)通電壓VCE2.15VIC=75A，VGE=15V，Tj=125℃

2.25VIC=75A，VGE=15V，Tj=150℃

1.70VIF=75A，VGE=0V，Tj=25℃

二極管正向電壓VF1.65VIF=75A，VGE=0V，Tj=125℃

1.65VIF=75A，VGE=0V，Tj=150℃

圖4IGBT集射極導(dǎo)通壓降計(jì)算結(jié)果

表3VCE1-6的平均值

導(dǎo)通電壓VCE1,25VCE2,25VCE3,25VCE4,25VCE5,25VCE6,25

平均值1.8561.8301.8701.8701.8741.863

以表3所示IGBT集射極導(dǎo)通壓降典型值1.85V為參考，IGBT集射極導(dǎo)通

壓降計(jì)算結(jié)果的誤差小于3%。此外，研究測(cè)試了其他時(shí)間段內(nèi)的所測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)

算結(jié)果顯示出良好的重復(fù)性?？紤]到器件本身分散性，可以認(rèn)為本方法的計(jì)算精

度能夠滿足IGBT的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.2金屬化膜電容器狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法驗(yàn)證與誤差分析

利用閥段實(shí)驗(yàn)對(duì)金屬化膜電容器狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。閥段運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平

臺(tái)由補(bǔ)能系統(tǒng)、陪試閥段和被試閥段組成。其結(jié)構(gòu)如圖5所示，試驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵

參數(shù)如表4所示，橋臂電流和子模塊電壓數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示。

5

補(bǔ)能系統(tǒng)陪試閥段L被試閥段

SM1SM1

i

多繞組SM2SM2

變壓器整

流

SM3SM3

橋

調(diào)壓器

SM6SM6

三相

電網(wǎng)

圖4閥段實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖

表4閥段實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)

電氣參數(shù)數(shù)值

負(fù)載電感4.5mH

直流側(cè)最大電壓10.2kV

子模塊電容器電容值18mF

閥段級(jí)數(shù)6

圖6橋臂電流

2400

2350

2300

2250

2200

/V

2150

電壓值2100

2050

2000

1950

1900

0.40.410.420.430.440.450.460.470.480.490.5

運(yùn)行時(shí)間/s

圖7子模塊電容器電壓

6

子模塊電容器濾波后計(jì)算結(jié)果及誤差如圖8、圖9所示。由下圖可見(jiàn)，閥段

實(shí)驗(yàn)中對(duì)電容值的計(jì)算誤差可以保持在1%以內(nèi)，滿足在線監(jiān)測(cè)的要求。

圖9濾波后根據(jù)閥段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的電容值

圖10利用閥段試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算子模塊電容值的計(jì)算誤差

四、標(biāo)準(zhǔn)中涉及專利的情況

本標(biāo)準(zhǔn)不涉及專利問(wèn)題。

五、預(yù)期達(dá)到的社會(huì)效益、對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用等情況

高壓直流輸電用MMC子模塊數(shù)量眾多，對(duì)子模塊的狀態(tài)維護(hù)提出了高要

求?，F(xiàn)階段無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定子模塊的監(jiān)測(cè)方法和規(guī)范。制定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(píng)估方法標(biāo)準(zhǔn)，保證MMC-HVDC系統(tǒng)的可靠

運(yùn)行，可促進(jìn)海上風(fēng)電接入等新興領(lǐng)域的發(fā)展，具有顯著的社會(huì)效益。

本標(biāo)準(zhǔn)的制定可填補(bǔ)柔性直流輸電換流站模塊化多電平換流器子模塊狀態(tài)

7

評(píng)估技術(shù)的空白，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化升級(jí)，提高狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的制造水平，

規(guī)范狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)保證MMC-HVDC系統(tǒng)的安全具有重要意義。

六、與國(guó)際、國(guó)外對(duì)比情況

1.國(guó)外尚無(wú)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(píng)估方法

標(biāo)準(zhǔn)，同一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已有或正在編制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：

IEC62501:2014

IECTR62543:2011

IEC62747:2014

IEC62751-1:2014

IEC62751-2:2014

上述標(biāo)準(zhǔn)僅規(guī)定了系統(tǒng)試驗(yàn)、例行試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)監(jiān)測(cè)

技術(shù)沒(méi)有提出可行方案和明確要求。

2.國(guó)內(nèi)尚無(wú)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(píng)估方法

標(biāo)準(zhǔn)，同一技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已有或正在編制的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有：

GB/T38878-2020柔性直流輸電工程系統(tǒng)試驗(yàn)