第34卷第5期电网技术V ol. 34 No. 5 2010年5月Power System Technology May 2010文章编号：1000-3673（2010）05-0025-05 中图分类号：TM 83；TM 41 文献标志码：A 学科代码：470·4054 电压源换流器高压直流输电换流阀的试验方法罗湘，汤广福，查鲲鹏，贺之渊，吴亚楠(中国电力科学研究院，北京市海淀区 100192)Test Methods of Converter Valves in VSC-HVDC Power TransmissionLUO Xiang, TANG Guang-fu, ZHA Kun-peng, HE Zhi-yuan, WU Ya-nan(China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)ABSTRACT: To ensure its secure and reliable operation, the type test of flexible voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC) converter valves is necessary, and the substitute equivalence methods are usually applied to the type test of converter valves. In this paper, the structures of two kinds of flexible VSC-HVDC converter valves, i.e., series-connected valves and modular multi-level converter (MMC) valves, are presented, and it is pointed out that the research on test methods for converter valves should consist of analysis of tested valves, valve stress analysis, establishment of stress mathematical model, test requirements, analysis of testing contents, research on equivalence test methods and so on. The testing methods for above-mentioned two kinds of VSC-HVDC converter valves are researched in the hope of laying the foundation for the theoretical research on equivalent test of self-turn-off devices.KEY WORDS: voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC) power transmission; series- connected valves; modular multi-level converter (MMC) valves; equivalence test method摘要：对柔性直流换流阀进行型式试验可保证其安全可靠运行，型式试验通常采用等效试验的方法。
介绍了串联阀和模块化多电平换流器阀2种柔性直流换流阀的结构，指出阀试验方法研究应包括试验对象分析、应力分析、应力数学模型的建立、试验要求及试验内容分析、等效试验方法研究等，并针对上述2种柔性直流换流阀试验方法的各项内容进行了研究，以期为可关断器件阀等效试验的理论研究奠定基础。
关键词：电压源换流器高压直流输电；串联阀；模块化多电平换流器阀；等效试验方法0 引言随着我国风能、太阳能等可再生能源利用规模的扩大，如何实现大规模风力发电及其他可再生能源发电的并网运行是关键问题。
电压源换流器高压直流(voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)输电技术是一种以电压源换流器(voltage source converter，VSC)、可控关断器件和脉宽调制(pulse width modulation，PWM)技术为基础的新型直流输电技术，是解决上述问题的有效途径之一[1-11]。
根据拓扑结构的不同，柔性直流输电装置的换流器分为2种：一种是由可关断器件串联组成的多电平换流器；另一种是由可关断器件首先构成子模块，再由子模块串联组成的模块化多电平换流器[12-14]。
可关断器件阀是VSC的核心，对于温度、电压、电流及其变化率非常敏感，因此必须在投入使用前对阀进行相关的型式试验，以保证其安全可靠运行。
同时由于装置容量较大，须采取等效试验的方法[15]来进行阀的型式试验。
对于不同的换流器拓扑结构，虽然阀试验的试验对象不同，但等效试验方法类似。
本文将分析VSC 2种拓扑下VSC-HVDC换流阀的电气结构，并对2种不同结构阀的等效试验方法进行研究。
1 VSC-HVDC中阀的结构1.1 串联阀由串联阀组成的VSC-HVDC主电路如图1所示。
图中：可关断器件为绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)；U DC为直流侧电压。
工程中根据需要将若干子模块阀串联起来的电气和机械联合体称为阀组件。
一个单阀是一个半桥臂上的所有IGBT及其辅件构成的电气和机械联合体。
图1中虚线框内的IGBT单阀是由多个IGBT基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973项目) (2004CB217907)；电力青年科技创新项目。
The National Basic Research Program (973 Program) (2004CB217907).26 罗湘等：电压源换流器高压直流输电换流阀的试验方法V ol. 34 No. 5图1由串联阀组成的VSC-HVDC主电路Fig. 1VSC-HVDC main circuit composed ofseries-connected valves阀串联而成的，每个IGBT阀包括续流二极管的IGBT模块及其控制电路以及静态均压电路、吸收电路等附属电路。
串联阀阀组件的电气结构如图2所示。
图中：I T、I D分别为IGBT和二极管的电流；门极驱动电路为IGBT提供开、关脉冲；均压电阻R P 起静态均压的作用；由吸收电容C S、吸收电阻R S和快速二极管D S组成的吸收电路起动态均压的作用。
PP图2IGBT串联阀的结构Fig. 2Structure of IGBT series-connected valves1.2 模块化多电平换流器模块化多电平换流器(modular multi-level converter，MMC)阀的拓扑结构是由西门子公司提出的一种新型的能实现多电平输出的换流器拓扑，如图3所示。
图3(a)中：三相MMC有3个桥臂，每个桥臂分上下2个半桥臂，半桥臂通过子模块(submodule，SM)串联构成，SM是MMC阀的最小功率单元。
图3(b)中：D1、D2是与IGBT反并联的续流二极管；C是子模块电容。
MMC中阀组件的电气结构如图4所示。
图中：T是IGBT器件；D是续流二极管；C是子模块电容。
串联阀是以提高单个IGBT模块的电压等级为目的的，可以看成是单个IGBT模块的扩展，因此其应用场合最广泛，但由于IGBT的工作频率非常高，开通关断的时间均为μs级，因此串联阀对于IGBT 的驱动和保护系统、甚至是每个串联IGBT模块的差异性都有非常高的要求，设计实现难度较大。
MMC阀易于提高装置容量等级，驱动控制较简(a) MMC阀(b) SM图3 MMC阀及其子模块的电路拓扑Fig. 3Circuit topology of MMC valvesand its submodules图4MMC阀的结构Fig. 4Structure diagram of MMC valves单，但与串联阀相比，在同样电压等级下，MMC阀所需使用的可关断器件数量要多出1倍，同时由于直流电容器分散于每个子模块中，子模块的体积较大。
2VSC-HVDC阀的试验方法2.1试验对象本文的可关断器件阀试验是指阀的型式试验，目的是检验阀的设计是否符合要求。
对于应用于VSC- HVDC中可关断器件阀的型式试验，IEC62501规定型式试验内容有2大类[16]：一类是检验阀的导通、第34卷 第5期 电 网 技 术 27关断和有关电流特性，即运行试验；另一类检验阀的高压特性，即绝缘试验。
可关断器件阀绝缘试验与半控器件晶闸管阀的绝缘试验并无很大差别，而对晶闸管阀的绝缘试验，国内外已有很多文献进行了详细而深入地研究[17-19]。
本文主要研究运行试验。
IEC62501规定，运行试验包括最大持续运行负载试验、最大暂时过载运行试验、最小直流电压试验、IGBT 过电流关断试验和短路电流试验。
由于试验能力的限制，无论是串联阀还是MMC 阀，通常无法对整个换流器进行试验，因此型式试验的试品均为阀组件。
对于串联阀，试品为如图2所示的串联的多个IGBT 模块及其附属电路，而对于MMC 阀，试品为图4所示的串联的多个子模块。
2.2 阀的应力分析 2.2.1 稳态应力分析阀在稳态下的应力主要有5类：电压、电流、电压变化率、电流变化率和温度。
如果忽略IGBT 模块之间驱动信号的差异，串联阀可以看成是一个高压大电流的IGBT 模块，其工作状态有截止、开通、导通和关断4种。
当阀处于导通状态时，其上无电压应力，只有正向和反向电流流过。
阀截止是指IGBT 及其反并联续流二极管均截止的状态。
由于续流二极管具有单向导通性，在阀截止状态下，阀只承受正向电压。
需要重点关注的是阀的开关状态。
由于续流二极管上PN 结反向恢复电荷的存在，在续流二极管完全进入阻断状态之前会出现一个很大的反向恢复电压过冲和反向恢复电流。
因此在阀开通时，处于开通过程的阀上将会出现一个明显的电流尖峰，但不会出现电压尖峰。
阀开通过程中的IGBT 集电极和发射极之间的端电压u CE 和集电极电流i C 如图5所示。