柔性直流输电系统的功率模块涡流损耗及其温升分析_张艳梅.pdf

柔性直流输电系统的功率模块涡流损耗及其温升分析张艳梅，娄彦涛，孙小平，马志荣，雒雯霞，郑全旭（西安西电电力系统有限公司，西安710065）摘要：基于模块化多电平换流器的柔性直流输电在电力传输领域有着广阔的应用前景，而主回路母线的大电流会在功率模块的铁磁框架中产生涡流损耗，导致不必要的温升。因此文中针对柔性直流输电换流阀的功率模块建立电磁模型，对其进行电磁热耦合仿真分析，得出了涡流损耗和温度的分布特征。根据仿真结果及相关分析，提出了3种改进温升问题的方法，对功率模块设计具有一定的指导意义。最后通过实验验证了仿真结果的真实性和改进方案的有效性，为今后功率模块的设计制造和模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的运行管理提供参考依据。关键词：涡流损耗；温升；功率模块；模块化多电平；柔性直流输电系统Analysis of Eddy Current Loss and Temperature Rise in Power Module of VSCHVDCZHANG Yanmei，LOU Yantao，SUN Xiaoping，MA Zhirong，LUO Wenxia，ZHENG Quanxu（Xi an XD Power System Co.，Ltd.，Xi an 710065，China）Abstract:VSCHVDC based on modular multilevel converters has a broad application prospect in power transmission.However，the large current of the busbar will induce the eddy current loss in the ferromagnetic frame of powermodules，resulting in undesired temperature rise.Therefore，the electromagnetic model of the power module forHVDC converter valve is set up in this paper，of which the electromagneticthermal coupling simulation analysis isperformed and the distribution characteristics of the eddy current loss and temperature is obtained.According to thesimulation results and related analysis，three kinds of methods for improving the temperature rise problem are proposed，which have a definite guidance significance to the design of the power module.Finally，the authenticity of simulation results and effectiveness of the improved scheme are verified by experiments，which can provide referencefor manufacture of power modules design and operation management of MMC in the future.Key words:Eddy current loss；temperature rise；power module；modular multilevel converter；VSCHVDC0引言近年来，随着工业规模和城市规模的不断发展，电力用户对于各种形式的电力需求与日俱增，需要不断增加电网的容量。在这样的背景下，高压、大功率的全控型电力电子器件得到了越来越广泛 的 应 用。柔 性 直 流 输 电 系 统(voltage sourceconverterhigh voltage direct current，VSCHVDC)正是在这种情况下提出的，因其高电压、大功率、节能、稳定等技术优势，成为了近几年来的研究热点。模 块 化 多 电 平 换 流 器(modular multilevelconverter，MMC)是新一代高压柔性直流输电技术中性能优越的一种拓扑结构，由德国学者MARQUART R和LESNICAR A于2003年首次提出1。凭借其可扩展性强、所需设备少、开关损耗2小等优点，受到了国内外学者的高度关注。随着柔性直流输电工程朝着远距离、特高压、大容量的方向发展，换流站阀塔中的功率模块需要工作在高电压大电流环境中，其电磁和热的问题变得越来越重要。而目前关于MMC的研究主要集中在调制技术、直流电压控制技术、环流分析和抑制技术、谐波分析和抑制技术、MMC的建模和参数设第59卷第2期：006900802023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：00690080Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.010_收稿日期：20220819；修回日期：20221021基金项目：国家重点研发计划资助项目资助(2018YFB0905804)。Project Supported by National Key Research and Development Program of China(2018YFB0905804).2023年2月第59卷第2期计MMC的故障保护研究等等3-10，对于电磁和热方面的研究相对较少。文11研究了高压直流输电系统中直流偏磁电力变压器铜屏蔽的涡流损耗分布，优化该应用下电力变压器的性能指标；文12研究了MMC中电力电子器件的开关损耗和温度场分布，提出了开关损耗的计算方法；文13研究了换流站阀厅穿墙套管封堵材料的涡流分布，分析了材料厚度、集肤深度等因素与温升之间的关系；文14分析了高压直流输电线路中电场强度和温升分布，计算并分析了电场强度分布和温度之间的互相影响。以上文献在电磁热方面对直流输电工程的开发和工程设计提供了参考依据，但是对于阀塔中关键部件功率模块的涡流损耗及其发热的分析却没有涉及，而这对保证MMCHVDC系统运行的安全性和稳定性具有十分重要的作用。在换流站阀塔中，电流母排依次穿过所有的功率模块，其中会流过千安级的交流电流。并且由于功率模块大多采用铁磁材料的框架结构，交流电流会令铁磁材料框架感应出涡流，而涡流损耗产生的热效应会导致功率模块升温。功率模块升温会直接影响其工作效能和材料特性，导致其工作稳定性降低、工作寿命减小。严重的可能造成换流站不能正常工作，进而导致大范围供电的中断，造成工厂生产停滞和巨大经济损失等。文中将分析MMCHVDC功率模块的涡流损耗及其温升。首先分析MMCHVDC系统的基本工作原理，并建立MMCHVDC中功率模块的电磁仿真模型。然后，计算并分析功率模块铁磁材料上涡流电流的分布。再计算和分析涡流损耗造成温升的具体分布，并提出降低温升的改进方案。最后，实验验证仿真结果的真实性和改进方案的有效性，为今后功率模块的设计制造和MMC的运行管理提供参考依据。1基于MMC技术的功率模块基本原理功率模块在MMC的运行中承担系统的高电压和大电流，是完成MMC功能不可或缺的重要组件。1.1单个功率模块的电路工作原理MMC系统通过功率模块的投切控制输出的电压和功率。单个功率模块拓扑由两个绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关反并联二极管和一个储能电容构成15，见图1。图1单个功率模块电路示意图Fig.1Schematic diagram of single power moduleS1和S2为IGBT器件；D1和D2为续流二极管；C为直流电容。快速旁路真空接触器K用来快速切除故障功率模块，从而使换流阀能继续运行而不会造成断电。晶闸管T用于在系统发生直流侧短路故障时，在交流侧断路器断开前分流IGBT模块反并联二极管的电流，降低二极管损坏的机率，提高系统可靠性。通过控制S1和S2的开通和关断来控制功率模块的投入和切除，使模块在系统工作中共有3种工作状态：闭锁状态、投入状态、切除状态。为实现这一电路功能，模块化的功率模块采用H半桥模式16，其硬件架构见图2。图2功率模块硬件构架示意图Fig.2Hardware circuit structure of the power module自取能电源直接从直流电容器取电，实现高位取能。自取能电源可输出直流电压为旁路真空接触器K的储能电容供电，用于驱动旁路真空接触器；还可为功率模块控制板(PMC)供电；PMC板具有脉冲分配、信号采样、故障保护、上层通讯等功能，实现功率模块级的控制与保护，可同时为IGBT驱动电路、电压传感器和温度传感器供电；IGBT驱动电路和晶闸管驱动电路分别用于驱动IGBT和晶闸管。701.2单个功率模块的几何结构在实际工程应用中，单个功率模块结构，采用图 3 的模块设计图，并对部分外壳做了透明化处理。功率模块整体为一个长方体。母排由金属材料铜制成，自前面板狭缝引入。母排为3层分离结构，对应电路图1中的3根母排。母排经2个IGBT与反并联二极管相连，再与电容串联，最后从同一狭缝处伸出。IGBT和二极管与铝制水冷板紧贴，便于工作中及时散热。而IGBT的驱动与控制电路的部分靠近水冷板一侧，与最外面的铁磁框架紧贴，且四周被铁磁材料包裹单独隔离。母排下方的延伸为功率模块的故障防护装置。其他辅助装置以母排结构为核心，分布在壳体内部的其他空间。图3功率模块内部结构图示Fig.3Structure of the power module功率模块内部构造紧凑，功能部件之间相距很近，仅用一些铁磁材料的薄板隔开。因为电磁防护的需要，整个功率模块被铁磁材料包围。所有的部件，如二极管、电容器、IGBT及其驱动电路板、控制电路板等，全部集成在这个壳体中。考虑散热的需要，隔离薄板大多开有散热的贯穿孔阵。大电流通过母排流入功率模块，此时模块中的铁磁材料会感应出涡流，涡流损耗造成温升，可能会给模块中的功能部件带来不利影响。1.3仿真模型简化考虑到计算机的内存和CPU的计算时间，用完全精确的模型进行仿真计算是不现实的，也是十分低效的。因此，需要对实际功率模块模型进行简化。首先，功率模块中有为了现场安装而预留的螺丝钻孔，见图4。这类螺孔半径相对较小，螺孔内部结构精细而复杂，仿真时需要精细的网格剖分。但是，螺丝钻孔所处位置一般在功率模块的边缘和角落，对所关心的模块功能区域影响几乎可以忽略。为了不重要的精细结构增加多余的计算量是没必要的。因此，可以忽略模块结构上所有的螺丝钻孔。另外，水冷装置的进出水口和防漏装置，见图4，这部分结构复杂，采用绝缘塑胶材料，对电磁涡流和温度场的仿真结果几乎没有影响，也可以忽略。功率模块内部还存在部分故障保护装置，本章主要研究模块正常工作的情况，保护装置中无电流通过，并且此类装置安装在模块中离母排较远处。为了减小仿真规模，对保护装置也做忽略处理。图4忽略精细部件结构图Fig.4Ignored elaborate structures of the power module网格采用六面体单元进行剖分。对于模型中的拐角圆弧部分，网格会划分得过于细密。但是对于拐角而言，其精度并不需要太过细密的网格结构。考虑到仿真网格剖分的效率和计算机内存的限制，将拐角全部简化为直角结构。此外，IGBT等开关器件、储能电容和仅使用小电流低电压的控制板、驱动板电路虽然也是单个功率模块工作时重要的热源。但它们属于内部热源，其发热的主要机理是正常工作中的自身的损耗，并不在本章涡流损耗的考虑范围之内。并且功率模块中的功能器件内部结构精细