大功率电力电子组件试验等效分析

大功率电力电子组件试验等效分析

0电力电子装置等效试验机理随着现代能源系统的发展，大型能源电子装置能够通过快速、连续、精确的控制和优化趋势，合理分配供电输送能力，提高供电电压的负荷能力和电压的稳定性，抑制低频振动，提高供电安全稳定运行。同时，它显著提高了资源的利用率。另外，电力电子装置还对提高电网运行可靠性提供有益的帮助，已经成为促进电网发展的重要技术手段。同时，电力电子装置由于自身的高度复杂性、多样性，发展不成熟以及与电力系统关联度极高等特点，也面临着提高自身可靠性的严峻挑战。其自身的复杂性、不成熟性和脆弱性，使得运行可靠性比较低，有时甚至会由于电流、电压容量不足或附属电路损坏而导致整个装置被毁，危及电网安全，对电网可靠性又会产生不利的影响。而电力电子装置运行特性和超高压、大容量等特点，必须采用等效试验的方法，模拟实际各种运行工况下复杂的应力环境，确保电力电子装置自身的可靠性，进而提高电网运行的有效性。电力电子装置试验技术是实现电力电子技术自主创新，完成工程化和产业化的前提和基础，也是我国电力电子技术发展的重大瓶颈。国内外学者都在对电力电子装置的试验方法进行研究，并研制了一些试验装置，也形成了一定程度的共识性成果，但对于等效试验理论缺乏系统化的体系，亟需开展等效试验机理、等效试验方法和等效试验技术等方面的基础理论研究。本文以大功率电力电子装置的试验方法为主线，以试验等效性为核心，对大功率电力电子组件试验的一般研究方法、等效性理论、等效分析和等效设计方法进行研究，从而初步建立了大功率电力电子装置的等效试验机理，为大功率电力电子试验装置的研究和开发提供了有益的理论指导，为大功率电力电子试验能力建设提供了坚强的技术支撑。这些试验装置对我国灵活交流输电和直流输电核心技术的自主创新及其工程化应用发挥了巨大的推动作用。最后，本文还对试验理论的发展和基于可关断器件换流器试验方法的研究提出了初步的展望。1等试验方法的研究1.1等式研究的一般原则和数学模型1.1.1基于第2个层次的等效任何产品试验的“等效性”均存在2个层次上的涵义：第1个层次是宏观的应力等效，即被试品在试验中所承受的电、热和机械的应力水平相当或者略高于所模拟的实际工况中的水平；第2个层次是微观的“失效”等效，所关注的是被试品的失效指标，即在试验过程中试品是否发生了与所模拟的实际工况相同的内在变化。第1个层次的研究不过是通过某种间接的方法帮助实现第2个层次的等效，是在系统应用所允许条件下的折中；第2个层次的等效才是最根本的，也是试验最终应该满足的目标。此前研究成果往往仅局限在第1个层次上展开的讨论。1.1.2评估系统的构建根据等效的层次，将基于某一试验目的的自身的特征量分为2种：一种表示宏观特性的物理量，用向量C来表示；一种表示与失效机理相关特性的微观物理量，用向量C来表示。这2个物理量是联系实际运行过程和试验过程的纽带。无论在试验条件还是实际工作条件下，研究要考察的都是电力电子装置在一定环境、应力、时间和空间条件下的表现，首先应该是宏观层次的。如果用e、p、t、s分别表示环境因素、应力因素、时间因素和空间因素，则某一特性在某一组条件下的表现可表示为对于所有条件和所有的特性的表现，式(3)可以改写为或简写为R为电力电子装置在各种综合作用下的宏观表现或输出，是第1个层次的等效指标。当然，对于试验等效机理的研究，还需要针对不同的试验目的找出所关心的变量进行研究。对于第2个层次的等效，还需要引入C，在求出第1层次的输出R之后，装置的失效特性表现可以用式(6)描述。可简写为R为基于装置失效机理的“失效度”向量，每个元素分别与考察失效的特性指标(物理量)相对应。基于上述数学模型，等效性的分析有2个指标：式(1)～(9)构成了等效机理研究的数学模型。等效机理的分析就是要考察在Ftest≠Freal的条件下，∆R或者∆R是否小到可以接受的程度，若不是，又需要做哪些调节，相关的试验参数对等效性的影响又有多大。1.2等效试验方法的确定如图1所示，等效试验方法的研究首先要确定等效试验的目标和层次；然后对各层次的多物理场作用下的复杂应力环境进行分析，考察各层次的试验结果是否满足试验要求。这一系列的研究，涉及到试验原理分析、拓扑结构设计、试验目标提出和试验实现方法等，而这些成果加在一起就形成了等效试验方法。在大功率电力电子装置试验方法的研究中，把等效试验界定为4个层次，即系统层、装置层、单元层和元件层。对于系统层次上的试验，主要考察装置整体在系统各种工况下的状态是否满足要求；对于装置层次上的试验，主要考察装置中各个单元是否满足装置运行的各种要求；对于单元级的试验，主要考察各元件能否满足单元运行的要求；对于元件层次的试验，主要考察各元件在正常或者恶劣工况下的承受力和寿命。等效试验方法研究的前提是对电力电子装置所处的多物理场作用复杂应力环境中多种物理场的模拟，以及后续的应力分析(主要包括电压强度、di/dt强度、du/dt强度、电流强度、热应力和阻尼电阻损耗分析等)，不同系统结构等效、不同装置拓扑等效、不同运行条件等效、不同变化物理场的等效，实现真正意义上的2个层面的“效”。在明确了目的之后，对“等效”的分析方法必须具有实证性和逻辑说服力。可以综合使用物理试验、数学和逻辑工具，将机理的分析与逻辑分析相结合，分析各个条件对试验结果的影响度，综合各种社会因素所能接受的标准，最终给出定性或者定量的明确的标准。常用的等效分析的方法有4种，即解析分析法、灵敏度分析法、目标函数优化分析法和相似理论分析法。1.3功率晶闸管阀的特性与应用大功率电力电子装置有2个突出的特点：一个是装置及其组件的高度复杂性，相比于传统电力装置，大功率电力电子组件的核心是更加精密、有独立控制系统和带有更多附属设备的电力电子元件，更复杂的是大功率电力电子装置还要承受电力电子器件本身开通、关断以及电压分布差异等众多附加电压的电流应力的影响；另一个是装置研制及工程应用技术不够成熟、缺乏实际运行经验。目前，各种大功率电力电子装置真正投入实际工程运行的很少，即使有，其投入运行的时间也较短，运行经验缺乏。另一方面，随着大功率电力电子技术的不断成熟，其组件的试验技术也要随之发展，不同的发展阶段，试验的目标不同，社会约束不同，功能不同，方法也应相应的有所变化。这2个特点决定了大功率电力电子组件试验研究的特殊性和高难度。现代大功率电力电子装置的核心器件是单、双向的高压电力电子阀，组成这些电力电子阀的基本元件是半控型晶闸管器件或全控型IGBT、IGCT等器件。其中半控型器件晶闸管是目前开关容量最大的电力电子开关器件，其开关容量随着半导体材料研究的不断进步仍在逐步递升，同时晶闸管器件还具有高可靠性和低成本的优点，因此成为电力系统应用范围最广的电力电子器件。由于晶闸管元件对于过电压、过电流、电流变化率(di/dt)、电压变化率(du/dt)等强度非常敏感，所以大功率晶闸管阀必须要有完善的保护和检测电路，又由于其在电力系统中的实际运行工况复杂，因此大功率晶闸管阀是一个非常复杂的电气部件，必须建立与其实际运行工况相应的试验手段。因此，大功率晶闸管阀的试验技术是当前大功率电力电子装置试验方法研究的重点。1.4高压晶闸管阀试验手段国际电工委员会(IEC)仅针对SVC晶闸管阀和HVDC换流阀提出了试验标准——IEC61954,IEC60700-1。标准规定了针对高压晶闸管阀可采取的试验手段，主要可分为绝缘试验和运行试验。绝缘试验主要针对阀对地、阀端间和阀相间的绝缘进行，包括交、直流耐压试验、冲击电压试验和局部放电试验，对试验设备和试验方法标准均有较为详尽的描述；运行试验是模拟阀实际运行工况的试验方式，是最重要、也是最复杂的一种试验方式，包括周期触发和熄灭试验、最小交流电压试验、温升试验、过电流试验等一系列试验，对保证高压阀在实际工况中的无故障运行有重要意义。1阀支架文学微观验证阀的绝缘试验主要包括交、直流耐压试验、冲击电压试验和局放试验。试验的主要目的是检验阀支架、冷却水管、光导的绝缘和其它同阀支架相关的绝缘部件的耐受电压能力及验证局部放电的起始和截止电压高于阀支架上出现的最大运行电压。SVC和HVDC阀的绝缘试验方法在IEC标准中有详细的要求，此处不再赘述。2高压阀的运行试验技术大功率晶闸管阀有多种工作状态，包括截止、开通、通态和关断，在正常工况和故障工况下不同工作状态下的电流、电压和热应力又不尽相同，因此晶闸管阀的运行试验分为正常工况下的试验、故障工况下的试验和温升试验。开展运行试验方法研究的前提是对试品的应力进行分析。在研究高压阀频繁开通、关断过程中，电气、热、机械等复杂应力及其综合作用的前提下，采用系列等效运行试验技术和方法，实现对高压阀中电力电子器件、触发单元、辅助元件及整体性能的全面考核。在高压阀的运行试验领域早期的试验方法中，试验电压应力与试验电流应力同时来自于同一电源，不仅受电源容量限制，而且试验能力有限。为了满足现代高压阀的运行试验要求，正常工况下采用的试验方法是在一个试验周期内，用单注入、双注入、多注入等合成试验方法，将高电压和大电流交替施加于试品阀，使试品阀耐受应力接近实际各种运行工况，从而完整、全面地考验试品阀的设计目标。电力系统故障、控制系统误动作以及一些意外事故都可能导致高压串联阀的过电流故障。试验需采用高压阀快速调节试品正反向电压及脉冲电流时间、频率和幅值等，对过电流故障前、故障期间和故障后的各种电气、热及机械应力环境进行综合等效。大功率晶闸管阀在正常和故障工况下都会产生大量的热量，而晶闸管阀在不同的温度条件下动态性能差别很大。温升试验的目的是为了验证晶闸管阀最主要的发热元件产生的温升仍在规定范围内，证明元件和材料在最不利的运行工况下不至于到过热状态，且冷却系统的冷却能力也是充分的。2等式试验方法在开发和开发富氏试验装置方面的应用2.1绝缘试验单元1高电压大电流无局放努力试验系统大功率电力电子装置高压阀由于具有强制均压措施，其试品特性往往呈现出大电容特性，因此其耐压试验需要数十倍于传统电力设备的试验电流。并且，由于高压阀试品自身的复杂性，局放指标要求较高，对试验设备的局放要求就更严格。基于上述原因，采用了高电压大电流无局放交直流耐压试验技术，其原理描述如图2所示。通过接头的转换，可灵活实现交直流耐压试验，在额定110kV试验电压下，最大可输出5AAC或2ADC电流，而设备自身的局放控制在5pC以下。实践表明，高电压大电流无局放交直流耐压试验技术完全满足大容量阀试品交直流耐压及局放试验的要求。2冲击电压波形调制试验技术由于大功率电力电子装置高压阀试品自身的大电容特性，给冲击调波带来很大困难，波形效率也很低，传统结构的冲击电压发生器根本无法满足大容量阀试品冲击电压试验的需求，因此必须对传统冲击电压发生器的拓扑结构做出调整，在主回路中串入调波电感，与发生器本体电容及试品电容产生谐振，采用谐振的方法调制冲击电压波形。试验技术原理如图3所示(L为调波电感)，电感分级可调以满足各类FACTS装置高压阀试品的冲击电压试验需求。基于上述原理所研制的冲击电压试验装置额定参数为±300kV、3级。2.2运行试验装置1合成全工况运行试验装置为满足现代高压阀的运行试验要求，主要跨国公司都先后采用了合成全工况试验回路形式，但实现方式不尽相同，本文给出的合成回路原理如图4所示。试验装置电路由高电压部分和大电流部分共同组成，将高电压应力试验和大电流应力试验分别由2个电源系统提供，再通过一定的合成手段将其交替施加于试品阀上，采用复杂的逻辑控制、触发控制、隔离保护等技术来模拟阀试品实际工况中要耐受的电压、电流、du/dt、di/dt等应力。合成全工况试验装置可大大减小试验所需的电源总容量，使采用较小容量满足较高电压电流等级阀试品的运行试验成为可能，同时具备对装置处于异常态时极端运行工况的考核能力，解决了限制高压阀试验技术发展的瓶颈，对于高压阀技术的发展具有十分重要的实际意义。根据上述原理所研制的合成全工况运行试验装置额定参数如下：最大电流为3kA；最高电压峰值为75kV;di/dt为1～10A/µs，分档可调；试验频率为12.5或50Hz。采用双注入和三注入合成试验方法的试验波形如下图5所示。2晶闸管阀试验过程过电流试验装置拓扑等效如图6所示，其中Cs1、Rs1、Cs2、Rs2、Cst、Rst分别为阻尼吸收回路，Rp1、Rp2、Rpt为静态均压电阻，V1、V2为隔离和控制晶闸管阀。该装置可分为低压大电流回路和高电压谐振回路，前者由大电流源和隔离晶闸管阀组成，用以提供被试阀所需的稳态电流试验应力；后者由电容器组、谐振电抗以及控制晶闸管阀组成，提供试验所需的过电流及其前后的高电压应力。谐振过程试品阀上的电流电压波形如图7所示。该试验波形很好模拟了高压阀过电流随后带闭锁故障的电流、电压应力。根据上述原理研制的过电流试验装置额定参数如下：最大电流峰值为40kA；最高电压峰值为45kV+100%过冲；试验频率为60、150、250、350Hz。3相位变换控制试验温升试验装置要的求试验容量大、试验电流范围宽。因此试验设备研发的关键问题之一就是单相大容量试验负荷的分配和宽试验电流范围的实现。为解决这个问题，采用了独特的相位变换技术，将大容量单相试验负荷较平均的分配到三相输入配电系统中，从而尽量减小大容量试验负荷给电网造成的不平衡，技术原理如图8所示。对于试验电流范围大的问题，考虑到高压阀试验电流的特点，相位变换技术采用了独立绕组可串可并的方法解决宽范围电流的问题。在温升变压器的副边采用了6个1kV、500A的独立绕组，可串可并，原边配置了调压范围-21%～+3%的有载分接开关，最大限度增强了装置的灵活性，采用该技术的电流输出范围500～4000A，充分利用了设备容量，减少了设备投资。温升试验中的电流波形如图9所示。根据上述原理研制的过电流试验装置额定参数达到大电流为500～3000A，容量达3000kVA。3试验方法hvdc的开发3.1绝缘试验安装HVDC换流阀和FACTS晶闸管阀的最大不同在于两者的运行工况有很大差别，且HVDC换流阀阀的试验参数要求更高。1交直流病驱动试验交直流耐压试验装置主要用来对直流换流阀进行多重阀、单阀和阀悬吊/支撑结构的交直流耐压绝缘试验，另外还可用来对换流阀进行充电，配合冲击电压发生装置完成非周期触发试验。2直流换流阀进行非周期触发试验冲击电压(含非周期触发)试验装置主要用来对直流换流阀进行多重阀、单阀和阀悬吊/支撑结构在各种冲击电压作用下的电气性能进行考核，同时配合交直流耐压试验装置完成非周期触发试验。3.2运行试验装置1直流换流阀运行性能考核合成全工况运行(含故障电流)试验装置用来对直流换流阀在多种运行状态下(如额定运行状态和过负荷、大角度、短路等极端运行状态)的运行性能进行试验考核，其原理如图10所示。2数运行状态下的试验设计换流阀低参数运行(含恢复期间暂态正向电压)试验装置是对直流换流阀在某些低参数运行状态(如最小交流电压、暂态欠电压、直流断续等)下的运行性能进行试验和考核，为换流阀在低参数运行状态下的运行性能的进一步提升和完善提供试验平台，同时配合必要的冲击电压发生器完成恢复期间暂态正向电压试验，其原理如图11所示。4试验能力推动了fac装置的示范工程4.1fact示范工程试验大功率电力电子组件试验能力，已经承担了多项FACTS工程的型式试验任务，包括甘肃成碧输电线路可控串补(TCSC)示范工程、上海黄渡分区±50MvarSTATCOM示范工程、鞍山红一变SVC示范工程、500kV可控电抗器示范工程以及500kV故障电流限制器示范工程阶段性试验任务等。截至目前，电力系统电力电子实验室共完成60余项FACTS装置的出厂和型式试验任务，为FACTS装置安全稳定运行奠定了坚实的基础。本文以SVC、TCSC和STATCOM示范工程试验为例，简要说明试验能力的技术支撑作用。鞍山红一变SVC是国内第一套自主研制并投入实际运行的用于输电网的大容量SVC。该示范工程突破了大容量电力电子器件串联、冷却等关键技术问题并提高电压稳定性，降低网损，提高鞍山受电断面的稳定水平改善电能质量。试验内容主要包括电介质试验(包括局放试验)、运行试验和温升试验。试验发挥了如下作用：1）通过局放试验，改进了阀体的均压设计、结构设计、绝缘材料的选型及试验方法。2）掌握了包括冷却水在内的所有组件在高压电场内的相互作用规律。3）通过冲击电压试验，改进了过电压保护(BOD)中存在的配合问题。4）有效验证了高压大容量串联晶闸管阀的设计技术。4.2ct取能装置稳定性试验甘肃成碧可控串补示范工程是我国第一个国产化示范项目。该工程所采用的大功率晶闸管阀串联技术、TE板取能和自纠错设计技术达到国际领先水平，工程的投入可有效提高输送能力，改善系统的稳定运行状况，增强系统阻尼，提高系统的动稳定性，改善电压质量、降低网损。试验内容主要包括电介质试验、温升试验、周期性触发与熄灭试验、最小交流电压试验、晶闸管阀保护串联电容器(TPSC)模式试验和过电流试验。试验发挥了如下主要作用：1）通过局放试验，解决了CT取能装置的结构优化设计问题。2）通过高压运行试验，发现了高电位板在低压试验下不会出现的不稳定问题，并予以解决，大大提高了阀的可靠性。3）通过温升试验和过电流试验，重新核算了水系统容量，大大节约了成本。4.3最大试验和试验历程上海黄渡分区±50MvarSTATCOM示范工程是我国自主知识产权的STATCOM工程，它的投入运行标志着FACTS技术在国内的应用进入了一个新的阶段。它在一定程度上解决了上海作为受端负荷的电网稳定问题，提高了电网输送能力。同时随着工程的进展，在国内首次制定了相应的技术规范和试验规程。试验内容主要包括电介质试验、周期触发和熄灭试验、功率损耗试验、温升试验、过电流后续闭锁试验、快速放电试验和空载电压发生试验。试验发挥了如下作用：1）试验发现缺少吸收回路的设计是不合理的，可能造成管子击穿。2）试验发现电抗器容量不够，发热严重。3）局放试验发现隔离变压器设计不合理，并发现阀体加工工艺的缺陷。4）试验中发现水冷电阻的研制方法和安装位置的缺陷，导致水冷电阻多次烧毁。5hvdc换流阀试验能力中国电力科学研究院承担了国家科技部“十一五”科技支撑计划课题——±800kV直流工程6英寸晶闸管元件及换流阀的研究开发，担负着我国基于6英寸晶闸管高压直流换流阀国产化研制的重任。为此，中国电力科学研究院决定在原有FACTS试验能力的基础上，继续开展基于6英寸晶闸管高压直流换流阀型式试验技术研究及成套试验能力建设，为我国基于6英寸高压直流换流阀的自主研发奠定坚实的基础试验条件。目前，已建成了一个5900m2的试验大厅。该试验大厅包括2个部分：其中54m×27m×16m的试验低跨大厅承担所有FACTS阀的试验以及HVDC阀的运行试验；另一个54m×44m×30m的试验高跨大厅可承担HVDC阀的绝缘试验。试验大厅的接地电阻为0.283Ω，对0.1～100MHz信号的屏蔽效率可≥55dB。HVDC换流阀试验能力建设主要包括了4套等效试验装置，分别如下：1）交直流耐压试验装置。装置的技术参数如下：交流耐压为600kV、4A,1600kV、1A；直流耐压为±1800kV、0.3A。2）冲击电压发生(含非周期触发)试验装置。装置的技术参数如下：电压峰值为3600kV；雷电波为1.2/50µs；操作波为250/2500µs；特种波为20/200µs；陡波为du/dt>1200kV/µs。3）合成