功率单元是换流阀的最小构成单位，也是一个集合了自动控制、电力电子、结构机械等技术的独立系统。功率单元由电容器、阀串、控制单元和旁路接触器等组成，其结构如图1所示。其中，阀串主要包含IGBT、二极管、晶闸管等功率器件。控制单元则主要由高位取能电源、驱动板、驱动板电源、采样板、单元主控板等构成。

图  1  功率单元三维结构示意图

Figure 1.  Three-dimensional structure diagram of power module

在模块化多电平换流技术中，电容器与开关器件被视为一个整体来构建功率单元，通过功率单元串联提升换流器的电压及功率等级，易于扩展到任意电平输出。功率单元共有闭锁、投入、切除三种工作状态，如图2所示。

图  2  功率单元工作状态

Figure 2.  Operating states of power module

取电流i_sm流入功率单元的方向为正。

1)当功率单元上IGBT管S₁，下IGBT管S₂均关断时，子模块处于闭锁状态，如图2(a)所示。当电流i_sm>0时，电流通过上二极管D_l向电容充电，当电流i_sm<0时，电流经过下二极管D₂流出，对电容电压无影响，这两种闭锁状态一般在充电或故障状态下使用。

2)当上IGBT管S₁开通、下IGBT管S₂关断时，此时子模块处于投入状态，如图2(b)所示。当电流i_sm>0时，电流通过上二极管D_l向电容充电，当电流i_sm<0时，电流通过S_l对电容进行放电。

3)当上IGBT管S_l关断、下IGBT管S₂开通时，子模块处于切除状态，如图2(c)所示。当电流i_sm>0时，电流通过S₂流出，电流对电容电压无影响，当电流i_sm<0时，电流通过D₂流出，电流对电容电压无影响。

为验证功率单元各电气部件的状态，以及相关控制和保护逻辑。需要对功率单元做基本的功能试验，试验内容主要包括目视检验、低压测试和高压测试三个部分，具体测试内容如图3所示。

图  3  功率单元功能测试项目

Figure 3.  Items of functional testing of power module

换流试验主要用来记录IGBT和二极管在换流过程中的动态开关波形，通过测试和评估在不同的门极驱动板、不同的外部门极电阻和门极电容组合、甚至在不同门极驱动板的放置位置情况下的器件开关波形，从而达到优化门极电路设计甚至功率单元器件串设计的目的。

热稳定试验是用于验证功率单元是否能够稳定运行在预定的负载电流，从而验证功率单元的载流能力的试验，也可以用来评估半导体器件在高结温下的换流情况。

在测试过程中，被测功率单元的两个IGBT的两个电极面都安装有温度传感器来监测温度，另外功率单元的冷却液进出口分别都安装有温度、流量和压力传感器，通过这些传感器测量到的信号，就可以计算出功率单元在任意负载电流下的损耗和IGBT平均结温。

短路保护试验主要用于验证IGBT的短路电流关断能力和门极驱动电路的检测及保护功能，是型式试验中必要的测试项目。

短路保护试验一般采用双脉冲测试法^[10]。如图4所示，使用直流电源给子模块充电，将下IGBT管S₂的集电极和发射极短接以模拟下IGBT管短路。随后将上IGBT管S₁触发导通，检查当S₁的集电极发射极间电压U_ce过高时，门极驱动板能否向门极发出关断信号并成功关断电流，以验证其抗短路能力。

图  4  IGBT双脉冲测试

Figure 4.  IGBT double-pulse test

功率单元的现场测试主要是在功率单元运输和安装后的验收、功率单元投运后的定期检查以及故障诊断等场景下进行。在这些测试场景中，功率单元的热稳定能力和抗短路能力只有极低的概率会发生变化，而功率单元换流试验主要在功率单元的设计阶段开展，因此在现场测试中我们应重点关注功率单元的功能测试。根据厂内各项功能测试对功率单元稳定运行的重要程度，我们对其进行筛选和梳理，并将功率单元现场测试流程整合为充电试验、运行试验、放电试验三个阶段，具体测试流程如图5所示。

图  5  功率单元现场测试流程

Figure 5.  On-site testing process of power module

正常运行过程中如果功率单元出现故障，其旁路接触器会吸合，功率单元通过内置电阻进行放电。在这种情况下功率单元被旁路，运维人员无法开展后续的现场测试工作。因此在现场测试开始前，运维人员应检查旁路接触器是否吸合。如果旁路接触器吸合应先将其断开再继续测试工作。

功率单元充电前，应将其与测试设备及辅助设备进行连接。用辅助充电设备连接功率单元电容正、负极，将功率单元控制器通过光纤连接到功率模块，笔记本电脑与功率单元控制器通过网线连接进行功率单元状态控制，用示波器对功率模块输出母线电压和电容电压进行采样，功率单元控制器连接示波器读取电压采样数据。具体测试接线如图6所示。

图  6  功率单元现场测试接线

Figure 6.  Wire connection for power module on-site test

在完成测试接线后，辅助充电设备对功率单元进行充电。在取能电源正常工作之前，单元主控板处于未上电状态，此时控制器会上报取能电源故障和通讯故障。当取能电源正常工作后，单元主控板得电，控制器开始给单元主控板下发配置命令，配置完成后，单元主控板上报配置完成，并在收到复位命令后，清除相应故障信息。待功率单元充电至预定电压值后，充电完成。如果功率单元状态正常则进入下一阶段的测试。

在充电过程中，功率单元应完成以下测试项目：

1)充电时间判断

用于判断充电回路是否正常。当充电过慢时，控制器报“充电故障”。充电时间是否正常的具体判据图7所示。

图  7  功率单元充电时间判断

Figure 7.  Evaluation of charging time of power module

2)模块闭锁状态判断

在闭锁状态下上、下管IGBT电压应基本一致，满足：

式中：U_{dc_Fbk}为辅助充电设备输出电压；U_{ac_Fbk}为功率单元输出电压；当U_{dc_Fbk}、U_{ac_Fbk}不满足公式(1)和公式(2)时，控制器报“闭锁状态异常”。

3)模块采样数据误差判断

当单元主控板上传的电容电压U_{dc_Upl}与辅助充电设备输出电压U_{dc_Fbk}偏差过大，不满足公式(3)时，控制器报“单元电压采样异常”。

4)功率单元故障检测，功率单元在配置完成后，充电过程中如果报出故障信息，控制器报“功率单元异常”。

5)取能电源故障检测

功率单元一般采用高位取能电源供电，功率器件并联的电容器充电至一定电压后，取能电源才能给单元主控板正常供电，并与上级系统建立通讯。功率单元在充电试验过程中，会对取能电源故障进行检测，在单元主控板得电正常工作后，会上报取能电源状态信息，如果取能电源故障，控制器报“取能电源异常”。

6)单元通讯状态检测

测试装置在对功率单元进行测试过程中，能实时检测以下四项通讯故障：单元主控板至测试装置的上行通讯中断和上行通讯错误，以及测试装置至单元主控板的下行通讯中断和下行通讯错误。

当功率单元在充电试验过程中出现上述故障时，应立即停止充电并通过辅助充电设备内置放电电阻快速给电容器放电，同时控制器报“充电异常”。如果充电过程正常，控制器报“充电正常”。

在功率单元充电完成后，开始进行空载发波运行试验，控制器按照一定的工频、开关频率和调制度生成上、下管的脉冲信号，如图7所示。此时功率单元处于解锁状态，通过检测下一控制周期的模块输出电压来判断上、下管IGBT能否正常导通及关断。

如图8所示，当正弦调制信号V_cmd大于三角载波U_z时，功率单元上管IGBT导通，当正弦调制信号V_cmd小于三角载波U_z时，功率单元下管IGBT导通。

图  8  SPWM调制

Figure 8.  SPWM modulation

因为控制器采样数据是离散的，控制周期设定为100 μs，当IGBT执行某动作时，对应的模块输出电压在下一个控制周期才会反馈给控制器。按照1.2小节描述的工作机制，在解锁状态下，当控制器下发上管IGBT开通信号时，在下个控制周期检测出模块输出电压等于电容电压，上管IGBT开通正常，反之异常；当装置下发下管IGBT开通信号时，在下一控制周期检测出模块输出电压为零，则说明下管IGBT开通正常，反之异常。当上、下管IGBT测试都通过后，控制器报“运行正常”、“系统正常”，反之报“运行异常”、“系统异常”。

功率单元完成运行测试后，开始进行放电试验。功率单元放电有两种方式：通过功率单元电容器并联的放电电阻进行放电，称为慢放；通过辅助充电设备内置放电电阻进行放电，称为快放。

在放电测试过程中，单元主控板会实时上报模块电容电压，测试装置也会测量直流输出端口电压，并通过AD板卡上传给控制器，控制器通过采集到的电压值，根据公式(4)进行放电曲线RC时间常数计算，用于判断功率单元放电情况是否正常，RC时间常数异常时控制器报“放电异常”。

式中：U_t为任意时刻电容电压；U_e为电容初始放电时刻电压。

在功率单元没有故障时，先采用慢放的方式进行放电。当电压跌落到设定的电压阈值、RC时间常数异常或放电过程中出现其他类型的故障时，功率单元电容放电直接由慢放切换到快放。功率单元放电测试具体流程如图9所示。

图  9  功率单元放电测试流程

Figure 9.  Evaluation of discharging performance of power module

在上述功率单元现场测试方法及流程的基础上，我们研制了一台功率单元现场测试装置，测试装置设计原理框图如图10所示。

图  10  测试装置设计原理框图

Figure 10.  Design scheme of the test device

如图10所示，功率单元主控板与测试装置采用光纤通讯，功率单元会上报自身的运行状态和故障信息给测试装置，测试装置再综合状态字、故障字及系统的运行状态，制定对应的测试逻辑并下发相关命令。运行状态包含IGBT的解、闭锁状态，旁路接触器返回的状态等，故障信息包含功率单元的通讯故障、IGBT驱动故障、取能故障、模块过压、模块欠压等。

测试装置基于实际单元主控板与阀控系统通讯协议为前提，以控制器和各功能板卡为基础，集成了充电电源、放电回路、测试按钮、液晶显示等功能，其面板布局如图11所示。

图  11  测试装置面板布局

Figure 11.  Panel layout of the test device

测试装置设计自动测试和分步测试两种操作模式，自动测试模式下测试装置自动完成各项试验，测试结果通过IO面板上对应指示灯显示。分步测试模式下，装置面板上提供各项试验的使能按钮，由操作人员手动选择需要进行的试验项目。使用自动测试，可快速检测功率单元是否存在问题，提高工作效率，使用分步测试，可对自动模式下已排查出的功率单元再进行详细测试，以锁定问题来源，便于检修。

本项目研制的功率单元模块测试装置已在南澳多端柔直工程塑城换流站进行应用。应用该装置可将单个功率单元模块测试时间由原来的30 min缩短为10 min，每年至少可缩短功率单元模块现场测试时间49 h，有效提高了功率单元模块现场测试效率。

本文在分析功率单元工作原理以及厂内测试项目的基础，设计了一种适用于现场的功率单元测试方法，解决了目前功率单元测试内容完备性不足、测试效率低下的问题。在所述测试方法的基础上，我们研制了一台功率单元测试装置，可实现功率单元的自动测试和分布测试，进一步提高了测试效率和准确性。目前研制的装置已经在南澳多端柔直输电工程塑城换流站试点应用。工程实践表明，该测试装置所采用的测试方法贴近工程实际情况，为功率单元的运检、验收提供了有效的测试手段，所提出的方法也可为其他柔直工程的功率单元测试工作提供借鉴。