柔性直流輸電技術目前在國內外得到了廣泛的應用，其規模、容量和電壓等級也在逐步提高，完全一致的功率模塊級聯方案，在研發、生產、測試及后期維護上都有著明顯的優勢。

目前，國內已投運的柔性直流輸電工程有南澳多端柔性直流輸電示范工程、舟山多端柔性直流輸電工程、廈門柔性直流輸電工程、云南魯西背靠背直流輸電工程、渝鄂背靠背聯網工程以及建設中的烏東德混合多端直流輸電工程等。結合這些工程，一些高校和科研機構對柔直換流閥的拓撲結構、系統控制、故障特性、保護策略等方面做了大量的研究工作，也積累了比較全面的技術方案。

僅此為止，針對換流閥功率模塊測試裝置的研究還遠遠不夠，由于柔直工程換流閥功率模塊基數十分龐大，所以在投運后難免會出現功率模塊故障的情況，故障模塊數量較少時可以進行旁路處理，一旦數目過多，就會直接導致系統跳閘。再者，傳統的功率模塊測試裝置功能有限，測試效率低，測試準確性不高。

本文針對傳統功率模塊測試裝置的不足，提出一種改進型的功率模塊測試裝置方案。該測試裝置不僅包含傳統測試裝置所有的功能，而且新增了一些實用功能，包括測試裝置自檢、快速放電等。該測試裝置硬件主要包括可調直流電源、模擬采樣回路、數碼顯示電路、LED指示燈、測試裝置輸出電壓/電流顯示屏、功率模塊輸出電壓顯示屏和測試裝置快速放電電阻等。

1 換流閥拓撲結構及功率模塊運行方式

1.1 換流閥拓撲結構

圖1（a）所示為柔直換流閥主電路拓撲結構。a、b、c分別為換流閥三相交流輸入端，P、N分別為換流閥直流輸出正、負極母線，每相由上、下兩橋臂組成一個相單元，每個橋臂分別級聯N個子功率模塊，上、下橋臂間分別級聯一個電抗Ls。圖1（b）所示為功率模塊拓撲結構。可將功率模塊看成一個逆變半橋的結構，上半橋由IGBT1及反并聯二極管VD1組成，下半橋由IGBT2及反并聯二極管VD2組成，C為子模塊儲能電容器。

圖1 換流閥主電路及功率模塊拓撲結構

閥控系統通過調節各功率模塊電容電壓和投入模塊數來控制直流電壓。實際運行過程中，在橋臂電流的作用下，各功率模塊電容器會有充放電的過程。為確保各功率模塊電容電壓平衡，可以采用相關文獻提到的排序算法實現。

與常規換流閥不同，柔直換流閥每個橋臂上均級聯一個電抗器。電抗器有兩方面作用：①有效抑制由于橋臂電壓和不平衡而引起的相間環流；②在直流極故障時，可以降低電流上升速率，抑制短路沖擊電流，確保IGBT可靠閉鎖。

1.2 功率模塊運行方式

功率模塊運行方式如圖2所示。功率模塊共有閉鎖、投入、切除3種工作狀態。

圖2 功率模塊運行方式

取通過二極管VD1向電容器充電方向為正：①當IGBT1、IGBT2都關斷時，功率模塊為閉鎖狀態，當電流ism＞0時，電容充電，當電流ism＜0時，電容電壓維持不變；②當IGBT1開通、IGBT2關斷時，功率模塊為投入狀態，當電流ism＞0時，電容充電，當電流ism＜0時，電容放電；③當IGBT1關斷、IGBT2開通時，功率模塊為切除狀態，電容電壓維持不變。

2 功率模塊測試裝置

2.1 功率模塊傳統測試裝置

圖3所示為功率模塊傳統測試裝置實物圖。該測試裝置主要包括功率模塊、測試機箱、供電電源、開關電源、限流電阻、變壓器及整流橋和示波器。

圖3 功率模塊傳統測試裝置實物圖

1）傳統測試裝置的主要功能

（1）充電。供電電源采用220V市電輸入，充電回路主要包括充電限流電阻、變壓器、整流橋三部分。

（2）功率模塊異常檢測。主要完成功率模塊配置檢查、通信檢查、取能電源故障檢測、模塊采樣檢測、模塊故障檢測等。

（3）發波試驗。操作人員進行發波試驗時，控制系統按照一定的占空比下發上、下IGBT的脈沖信號，操作人員在測試過程中通過示波器確認功率模塊運行是否正常。

2）充電原理及方法

采用220V市電輸入，經變壓器及二極管整流橋整流輸出直流電壓。整流橋直流側與功率模塊正、負極通過限流電阻相連，輸出電壓不可調。

對功率模塊傳統測試裝置的主要操作步驟如下：①接線，連接相關光纖、網線和高壓線纜；②充電，利用充電設備對功率模塊進行充電；③測試，完成通信檢查、發波運行等試驗項；④記錄，讀取示波器數據并完成數據分析。

從技術方案上看，功率模塊傳統測試裝置有幾點不足：①采用的是不可調直流電源；②對功率模塊進行測試時，需要操作人員手動讀取示波器數據，并進行數據分析；③功率模塊采用自然放電方式，放電速度慢。

2.2 改進型功率模塊測試裝置

圖4所示為本文提出的改進型功率模塊測試裝置實物圖。

圖4 改進型功率模塊測試裝置實物圖

圖5所示為改進型測試裝置前面板實物圖。該裝置主要由各功能板卡、LED指示燈、功能按鈕、液晶顯示屏、高壓輸出端口等組成。

圖6所示為改進型測試裝置功能按鈕實物圖，功能按鈕主要包括復位、充電、運行、放電、旁路等功能。

圖7所示為改進型測試裝置與功率模塊連接實物圖。

1）改進型功率模塊測試裝置主要功能

（1）裝置自檢。判別測試裝置自身運行狀態是否正常。

圖5 改進型測試裝置前面板實物圖

圖6 測試裝置功能按鈕實物圖

圖7 改進型測試裝置與功率模塊連接實物圖

（2）充電及功率模塊檢查。包括取能電源故障判斷、通信故障判斷、充電故障判斷、IGBT解閉鎖狀態判斷、模塊電壓采樣精度判斷、功率模塊檢查等。

（3）運行測試。對IGBT進行解閉鎖測試。

（4）放電測試。放電過程中計算RC時間常數，用于判別電容容值和電阻阻值是否正常。

（5）旁路測試。判別功率模塊旁路開關是否正常。

2）與傳統的測試裝置相比，改進型測試裝置的主要優點

（1）直流電源輸出電壓可調

輸出電壓可調的意義：功率模塊在運行過程中，有多種電壓相關的保護功能，包括單元欠壓故障、單元過壓故障等，為測試相關保護邏輯是否正常，功率模塊需要工作在不同電壓值下。

輸出電壓可調的必要性：工程現場，在功率模塊檢修時，需要快速定位故障模塊及故障器件，期間，部分試驗需要在低壓下完成（如旁路試驗），因此要求輸出電壓可調。

（2）不需要外接示波器進行數據采集，內置采樣回路。

（3）不需要外接示波器觀察波形，內置數碼顯示屏。

（4）自動化程度高，不需要人工記錄和分析數據，軟件系統會自動處理，并通過LED、顯示屏和上位機界面顯示測試結果，測試準確率高。

（5）內置放電電阻，可以實現對功率模塊快速放電。

2.3 改進型測試裝置應用實例

圖8所示為改進型測試裝置開機初始狀態圖。初始狀態下，前面板所有LED紅燈被點亮，等待裝置自檢。

圖8 測試裝置開機初始狀態圖

圖9所示為改進型測試裝置自檢完成后狀態圖。自檢完成后，前面板所有LED綠燈被點亮。

圖9 測試裝置自檢完成后狀態圖

以改進型測試裝置運行測試項為例，當對功率模塊進行IGBT解閉鎖測試時，從功率模塊交流輸出端口采集的電壓波形如圖10所示。

圖10中，IGBT解閉鎖測試時，基波頻率為50Hz，載波頻率為200Hz，功率模塊電容電壓為2.5kV。測試完成后，測試裝置前面板“運行狀態-正常”的綠燈被點亮，因下一步操作為“放電”，所以除了“放電-正常”綠燈未被點亮外，其他綠燈在系統沒有故障時均會被點亮，如圖11所示。

圖10 測試裝置運行測試項試驗波形

圖11 測試裝置運行測試項

3 結論

本文首先介紹了功率模塊傳統測試裝置的功能和操作流程，在此基礎上分析了傳統測試裝置存在的不足；接著針對傳統測試裝置的不足，提出了改進型測試裝置方案，并詳細給出了改進型測試裝置的結構設計、面板布局和功能描述；最后將傳統測試裝置和改進型測試裝置進行了對比，指出改進型測試裝置具有功能多、自動化程度高和測試準確率高等優點。