2023柔性直流换流阀子模块损耗测试方法

柔性直流换流阀子模块损耗测试方法II目 次前言 III1围 12范引文件 13语定义 14则 3子块试入件 3测的境件 3测的况件 35于脉法损量 35.1测环境 35.2测要求 35.3子块耗脉试方法 35.4测程序 55.5测结误修正 66于测的耗量 66.1测环境 66.2测要求 66.3电法耗量法 66.4测程序 76.5测结误修正 77于热的耗量 77.1测环境 77.2测要求 77.3量法试法 87.4测程序 87.5测结误修正 98于衡热的测量 98.1测环境 98.2测要求 98.3平量损测法 98.4测程序 108.5测结误修正 119模损测结估 11附录A（料）柔直流流子块 12附录B（范）损测量入件 14附录C（料）双冲法理 15IIII附录D（料）电法试平示例 17附录E（料）损测量法用景结表格 19PAGEPAGE5柔性直流换流阀子模块损耗测试方法范围（MMC）（GB/T5321—2005量热法测定电机的损耗和效率GB/T29332—2012半导体器件分立器件第9部分：绝缘栅双极晶体管(IGBT)GB/T34118—2017高压直流系统用电压源换流器术语GB/T34139—2017柔性直流输电换流器技术规范GB/T35702.1—2017高压直流系统用电压源换流器阀损耗GB/T37010—2018柔性直流输电换流阀技术规范GB/T34118-2017GB/T34139-2017GB/T37010-20183.1模块化多电平换流器modularmulti-levelconverter；MMCGB/T34118-2018，6.4]3.2柔性直流换流阀voltage-sourcedconvertervalve由若干个子模块串联组成的模块化多电平换流阀。注：如没有特殊说明，本文“换流阀”皆指柔性直流换流阀。3.3子模块sub-module柔性直流换流阀的标准组件，其中每个开关单元仅由一个IGBT-二极管对组成。注1：柔性直流换流阀子模块主拓扑及主要构成元件介绍详见附录A。注2：本文件中的子模块由IGBT、二极管、直流电容、控制板和其他附件等组成。[来源：GB/T34118-2018，7.13，有修改]3.4IGBT-二极管对IGBT-diodepairIGBT和与其反并联的续流二极管的组合。[来源：GB/T34118-2018，7.4]3.5绝缘栅双极晶体管insulatedgatebipolartransistor；IGBT具有三个端子的可关断半导体器件：一个栅极端子（G）和两个负荷端子，即发射极（E）和集电极（C）。[来源：GB/T34118-2018，7.2]3.6续流二极管free-wheelingdiode；FWD具有二极管特性的功率半导体器件。（A）和一个阴极（K）。续流二极管中的电流方向和与其反并联的IGBT中的电流方向相反。续流二极管具有应对由于IGBT开关作用导致的电流急剧下降问题的能力。[来源：GB/T34118-2018，7.3]3.7开通能量turnonenergyEon单脉冲集电极电流开通期间，IGBT内部耗散的能量。[来源：GB/T29332-2012，3.4.6]3.8关断能量turnoffenergyEoff单脉冲集电极电流关断时间和尾部时间期间，IGBT内部耗散的能量。[来源：GB/T29332-2012，3.4.7]3.9二极管反向恢复能量diodereverserecoveryenergyErec二极管在关断过程中耗散的能量。[来源：GB/T35702.1-2017，3.4.5]3.10双脉冲法doublepulsemethod利用IGBT-/数据手册中IGBT3.11电测法electricalmethod采用电压、电流测量结果直接或间接计算子模块损耗的方法。3.12量热法calorimetricmethod3.13平衡量热法balancedcalorimetricmethod总则柔性直流换流阀子模块损耗测试需要提供子模块相关参数，详见附录B的表B.1。柔性直流换流阀子模块损耗测试应明确测试的环境条件，宜在实验室或换流阀厅进行，详见附录B的表B.2。B。应记录测试环境的温度、湿度和大气压力。双脉冲测试宜在多组不同冷却液进阀温度（例如25℃、50℃、75℃）下开展；如有其它要求，由购买方和卖方共同确定，应在测试结果中注明。2%2%100MS/s双脉冲测试应多次（不少于3次）测量取平均值。IGBTC双脉冲试验方法按照GB/T29332-2012中6.3.11和6.3.12的规定开展（测试原理见附录C），记录相应的电压、电流，可由公式（1）计算得到IGBT的开通能量：C式中：

Et_on

t2v

)i(1)VCE——IGBTiCIGBTt1——IGBT电流上升至10%额定电流时刻；t2——IGBT电压下降至2%额定电压时刻。详见附录图C.3。IGBT的关断能量由公式（2）计算：Et_off=

t4vt3

)i(2)Ct3——IGBT电压上升至10%额定电压时刻；Ct4——IGBT电流下降至2%额定电流时刻。详见附录图C.3。IGBT的开通损耗Pt_on由公式（3）计算：N

))

Pt_on

=Et_onIk=1 I

(3)VCN（1s）IGBTEt_onICVCIVIGBT的关断损耗Pt_off计算公式见公式（4），其中Et_off是额定工况下每次开关的关断损耗：Pt_on

NNI=Et_offIk=1

(4) 式中：N（1s）IGBTEt_off——IGBT额定工况下每次开通损耗；IC——器件的额定工作电流；VC——器件的额定工作电压，可在器件的数据手册中查到；IVIGBTT1BBGTIGBT在单位时间内的通态损耗Et_pass为该管上电流和电压的乘积积分，（5）（6）T1Pt_pass

=T

t

t)v(5) (1)式中：it——流过IGBTvt——IGBT

vt)=

+Rtt

t) (6IC/VCERtt——IGBT的CEIC/VCEIGBTIGBTLIGBTIGBT二极管单次的反向恢复损耗由公式（7）计算如下：5E = t6i(t)dt （7）5式中：

rc t d rrirr——为二极管的反向恢复电流；vd——二极管的瞬时电压；t5——二极管电压上升至10%额定电压时刻，详见附录图C.2；t6——二极管反向恢复电流下降至最大反向恢复电流式中：

Pd_off

NNI=ErecIk=1

VC

(8)N （1s）ICVC——器件的额定工作电压，可在器件的数据手册中查到；I——子模块实际输出的电流；V——子模块输出电压。使用双脉冲测试方法，在第一个脉冲关断后IGBT反并联的续流二极管流过额定电流，记录额定电流时刻二极管导通压降，作为计算通态损耗时二极管导通电压。T1Pd_pas（（1）T1Pd_pass

=T

d

t)vd(t)dt (9)式中：

vt)=

+

t) (10id——流过续流二极管的瞬时电流；vd——二极管两端的瞬时电压；Vdt0IF/VFRdt以半桥子模块为例，器件总损耗由T1、T2这两个IGBT和D1、D2这两个反并联二极管的损耗构成，即该子模块的器件总损耗Pm可由公式（11）计算：2 2m=Ti+i (1i=1 i=1每个IGBT的损耗由开通损耗Pti_on，关断损耗Pti_off和通态损耗Pti_pass这三部分构成，见公式（12）：PTi

=_

+_

+_

，i=1~2 (12)Pdi_offPdi_pass=_off+_pass，i=1~2 (13)使用双脉冲法测量损耗是用实测的Et_on、Et_off和Erec代替数据手册中的同名变量，用来计算开关损耗；使用实测的vt和vd代替数据手册中通态IGBT管和二极管压降，用来计算通态损耗。GB/T35702.2基于双脉冲法的测量器件损耗和计算子模块损耗的具体过程如下：IGBTIGBTIGBT、IGBT1）、2）（1s）1）、2）（1s）3）4）双脉冲试验时IGBT结温变化带来的误差，是影响双脉冲损耗测量准确度的主要因素。可根据双脉冲试验温度条件下的试验数据进行修正计算得到子模块运行结温对应的IGBT和二极管参数值，通过迭代计算得到IGBT运行结温条件下对应的子模块的损耗。应记录测试环境的温度、湿度和大气压力。电测法冷却液进阀温度由买方和卖方共同确定，应在测试结果中注明。应采用示波器或功率测试仪进行测试。电压测量仪器精度宜不低于2%，电流测量仪器精度宜不低于2%。电测法测试应多次（不少于3次）测量取平均值。应开展子模块额定运行工况损耗测试，如需开展其他工况损耗测试，由买方和卖方共同确定。电测法测量子模块损耗一般是指基于试验系统输入功率与输出功率之差，计算得出子模块的损耗。通过测量系统的电压和电流，计算得到子模块的损耗。（（Lf1（）2380V

测量点1i1+u1

T1 D1 + Lf i

D3+交流

可调直流电源

-T2

测量点2T4

-D4说明：T1、T2、T3、T4IGBT；D1、D2、D3、D4

MMC子模块1

MMC子模块2图1典型子模块背靠背对拖测试平台记录测量点1的电压和电流波形分别为u1(t)、i1(t)，则测量试验系统总体损耗计算见公式（14）：Ptotal

=t=0

t)

=PSMloss

+

+PBusbarloss (14)1试验系统总体损耗包括子模块损耗PSMloss、电抗器损耗PLf和铜排损耗PBusbarloss。1电抗器损耗计算见公式（15）：

P=I2R

(15)式中：PLf——电抗器损耗，W；

Lf LfI ——电流A；RLf——电抗器等效电阻，Ω。铜排损耗计算见公式（16）：P =I2R

(16)式中：PBusbarloss——电阻损耗，W；

Busbarloss CuI 2i2RBusbar——流经铜排电阻值，Ω。由此，被试子模块损耗见公式（17）：P (17)SMloss= 2DD.1基于电测法的换流阀子模块测量损耗的试验操作步骤如下：126.3若采用间接法测量，两个子模块分别工作在整流和逆变状态，损耗有所差异，可通过仿真对测量结果进行修正。应记录测试环境的温度、湿度和大气压力。电测法测冷却液进阀温度由买方和卖方共同确定，应在测试结果中注明。外界环境湿度不应过大使得被试对象冷却液管路发生凝露现象，以免影响被试对象的安全绝缘。流量计精度宜不低于1%，温度传感器精度宜不低于1%。测量过程中，试验应达到热平衡状态：进水、出水温度波动宜保持在±1K范围内。系统达到热平衡状态后，测量时间不应少于90min，宜每隔15min或30min记录1次。应开展子模块额定运行工况损耗测试，如需开展其他工况损耗测试，由买方和卖方共同确定。柔性直流换流阀一般采用液体（例如水）进行冷却，冷却介质带走的损耗PW为子模块器件损耗和与直流电压相关损耗之和。PW，（18）：式中：

=CQT=Cut

)(18)C ，kJ/(kg.K)；Q，m3/s；——冷却液的密度，kg/m3；ΔT K；Tin、Tout——冷却液进阀、出阀温度，K。SM1被试功率模块SMSMSM...SM进水温度计水冷主机回水温度计流量计热量交换器7.4

测试程序量热法步骤如下：

图2MMC定工况（子模块电压、电流达到预设值）PW注：子模块直流电容器损耗、其他损耗之和也可采用第8章空气散热损耗测量方法进行测量。冷却液在流动过程中会与管壁摩擦而温度发生小幅上升，导致换流阀在空载运行时出水温度会高于进水温度，实际中需对这种“零漂”温差进行修正。试验在实验室环境进行，环境温度和湿度满足以下条件：——环境温度：5℃～35℃；——相对湿度：45%～75%；86kPa～106kPa应记录测试环境温度、湿度和大气压力。试验期间环境环境温度变化不超过15K，相对湿度不超过20%。测试设备要求如下：±0.1434dd/3说明：d——进出风管道直径。图3 风温传器置式0.5%±0.1%3)-40℃～80±0.40～100%RH3%RH0～120kPa0.5%6若柔性直流换流阀子模块采用空气强迫冷却，子模块产生的损耗全部通过空气带走，则可以通过空4PAGEPAGE10绝热箱绝热箱 时间顺序 入口流体 出口流体块 加热器图4平衡量热仪示意图（（（126～126～～191328711516水冷系统1415105标引序号说明：51——被试； 8-9——温2——加热器；10——铂电阻测温探头；3——绝热箱；11——预热器；4-5——扩散板；12——径向鼓风机；6——进管； 13-15——电7——出风管；16——水冷测温点。图5单室闭环量热法测量系统示意图试验测量步骤如下：——第1阶段T1；T2——第2阶段T1；T213）PaPa注：实际试验操作过程中，为了获得更为准确的测试结果，可对实验步骤适当调整。由于试验过程中，部分连接线缆在绝热箱内发热，也被计入了第1阶段实验的热源中，损耗测量结果应修正，修正后得到子模块散到空气中的损耗P2见公式（19）：P2=Pa

(19)按照GB/T3048.4-2007中6.3的规定，线缆的损耗可按公式（20）计算：式中：Pcable——试验线缆损耗，W；

2=I=I

=I2tl (20)SI——运行电流的有效值，A；Rcable——线缆电阻，Ω；t——tΩ·mm2/mt0t00电阻率；L S——线缆截面积，mm2。（（）如被试子模块含冷却（水）系统，应考虑水管热传导与热辐射带来的影响。主拓扑

附录A（资料性）柔性直流换流阀子模块如图A.1所示，是柔性直流换流阀半桥子模块电路。每个子模块都包含一个直流电电容器和两个（IGBT1和IGBT2MMC半桥子模块可以产生两个离散的输出状态：U0（IGBT2）；UUdc（IGBT1获得。Udc是单个子模块的直流电压。可见，该拓扑型式可以合成阀级的单极性输出电压。但是，该拓扑电路没有抑制换流阀直流端子间短路引起的过电流的能力。这是因为尽管两个IGBT可以很快关断，但始终存在一个与IGBT2并联的续流二极管带来的导电路径。柔性直流换流阀子模块的另一种实现方式是通过使用如图A.2所示的全桥结构来解决此缺点。功率模块n+1功率模块n

IGBT1IGBT2

+Udc

Udc

功率模块输出电压功率模块n-1

图A.1半桥子模块电路功率模块n+1

功率模块输出电压GT1

GT3+

Udc功率模块n

GT2

UdcGT4

-Udc功率模块n-1图A.2全桥子模块电路全桥子模块包含四个IGBT-二极管对，可以输出三个离散的电压状态：U0（IGBT1+IGBT3或IGBT2+IGBT4UUdc（IGBT1+IGBT4）；U=-Udc（IGBT2+IGBT3）（MMCIGBT以半桥子模块为例，介绍子模块内部的电气元器件构成，如图A.3所示，各元器件及其连接电路所产生的损耗相加则为子模块的损耗。全桥模块需要配置相应数量IGBT-二极管对和IGBT驱动。功率模块功率模块IGBT1控制器供电IGBTC +R电源IGBT2旁路开关 驱动晶闸管门极驱动IGBTK T可选图A.3子模块内部电气元件构成完整的子模块中各主要部件的功能介绍如下：IGBT1、IGBT2（）IGBT——直流电容器C：子模块的直流侧能量支撑环节；——均压电阻R：用于串联子模块间的均压，并构成停机后的放电回路；——旁路开关K：子模块发生故障时，将其闭合使子模块退出运行；T（）：——IGBT门极驱动：提供IGBT的触发信号，在IGBT故障时保护关断并反馈信息；——旁路开关驱动：提供旁路开关的触发信号，并回报旁路开关闭合或开路的信息；——晶闸管门极驱动（可选）：提供旁路保护晶闸管的触发信号。附录B（）测试子模块输入条件见表B.1，测试环境和工况输入条件见表B.2。表B.1测试子模块输入条件测试子模块参数值子模块额定电流（A）子模块额定电压（V）IGBT集电极电流（A）IGBT集射极电压（V）二极管正向直流电流（A）二极管额定电压（V）支撑电容值（mF）均压电阻值（kΩ）门极电阻（Ω）驱动电压（V）门极电容（nF）回路杂散电感（nH）表B.2测试环境和工况输入条件测试环境和工况值温度（℃）湿度（%）大气压强（kPa）调制方式冷却介质流量（L/min）进阀压力（kPa）进阀温度（℃）器件开关频率（Hz）子模块运行电流（A）子模块运行电压（V）附录C（资料性）双脉冲法原理IGBTIGBTIGBTIGBTC.1IGBTIGBTIGBTIGBTC.1T0IGBT开通时，直流电源、下管IGBT和电抗构成回路。电流迅速上升，达到设定电流点（图C.1b）T1时刻后关闭驱动，此时可以观测到IGBT在设定电压和电流点下的关断特性。第二个脉冲到来后，下管IGBTIGBT（C.1b）T2）IGBT+_+_DUTVceIcCVgeT0 T1T2 T3a）双脉冲测试IGBT开关特性原理示意图VVVITTTTtb）双脉冲测试IGBT开关波形图表C.1双脉冲法原理示意图及波形VVVItttttIGBTVVVIdttt表C.2双脉冲测试IGBT和二极管开关特性波形示意图附录D（资料性）电测法试验平台示例112312电源1电源2

附录E（资料性）损耗测量方法应用场景和结果表格E.1表E.1不