可控线换流器在交流电压扰动下的内部瞬态过程建模方法 杨梦婷、 杜兆新、 赵文斌

《Energies》：Modeling Methods for Internal Transient Processes of Controllable Line-Commutated Converters Under AC Voltage Disturbance Mengting Yang, Zhaoxin Du and Wenbin Zhao

　　摘要：可控线换流器（CLCC）是一种新型设备，用于提高高压直流（HVDC）传输系统的换流故障抵抗力。传统的集总参数模型忽略了内部分布式杂散电容的高频耦合效应，导致瞬态仿真精度不足，限制了精细的工程设计。本文以HVDC转换项目中的CLCC为研究对象，分析了堆叠结构下压装式绝缘栅双极晶体管（IGBT）中杂散参数的分布特性。通过将分布式杂散参数网络与器件的非线性特性相结合，建立了一个改进的IGBT等效电路模型，并根据现场测量数据确定了关键参数。此外，构建了一个LCC-CLCC仿真模型，用于替代改进的IGBT模型进行短路故障仿真验证。结果表明，该高保真模型能够准确再现交流（AC）电压干扰下的瞬态波形，并真实反映避雷器和IGBT的实际运行特性，从而有效补偿了传统模型中固有的理想化误差。这种建模方法为参数优化、阀控系统设计以及CLCC的安全运行提供了坚实的理论和仿真基础。

1. 引言
在全球能源互联快速发展和向新型电力系统转型的背景下，HVDC传输已成为大容量、远距离能源传输和跨区域异步互联的关键技术[1,2]。随着多馈入直流（MIDC）接收电网结构的日益复杂，传统的线换流器（LCC）在弱交流系统条件下容易发生换流故障，导致电网运行不稳定[3,4,5,6,7,8,9]。CLCC将基于IGBT的辅助支路集成到传统的晶闸管阀中，以实现换流过程的有源调节。从拓扑机制的角度来看，这显著增强了直流系统的故障穿越能力和运行稳定性[10,11]。目前，首个CLCC已于2023年6月在中国上海电网投入运行。现场运行结果验证了其在交流系统故障期间能够实现可控换流，有效抵抗换流故障并减弱此类事件引起的功率干扰[12,13,14,15,16]。然而，对CLCC建模和特性分析的研究表明，基于传统集总参数的理论模型无法准确再现测量得到的瞬态波形。这种理论仿真与实际物理特性之间的偏差的根本原因在于传统模型忽略了由内部空间分布的杂散电容引起的高频耦合机制。在IGBT的高频开关瞬态过程中，杂散参数会引发显著的电压峰值、电流振荡以及动态电压和电流不平衡问题[17,18]，这些因素限制了器件的安全运行。由于传统仿真模型对高频瞬态机制的描述不足，仿真结果与现场测量数据之间存在非物理差异，难以支持CLCC过电压保护、电压和电流平衡策略以及阀控系统的精细设计。

上述建模偏差削弱了对CLCC内部避雷器和IGBT的电应力和热应力评估的准确性，可能导致关键组件参数设计的科学依据不足。这种不确定性进一步限制了换流阀整体性能的优化和对关键参数的深入研究。因此，迫切需要深入研究在分布式杂散电容影响下关键组件的特性。针对这一关键科学问题，国内外学者在电力器件建模、杂散参数提取及其影响方面取得了显著进展。在电力器件建模方面，参考文献[19]通过构建嵌入在杂散参数网络中的IGBT芯片的行为模型，并利用静态特性和有限元方法（FEM）提取结果，提出了一个IGBT功率模块的高频寄生模型。参考文献[20]基于内部寄生电感的分布特性提出了一种优化方案；优化后，IGBT模块内的寄生电感和关断过电压均显著降低。一些研究采用了部分元件等效电路（PEEC）方法和3D电磁仿真来精确提取功率电路的杂散参数。参考文献[21]提出了一种基于多端口网络模型的功率模块布局电感快速提取方法。参考文献[22]研究了不同积分间隔对杂散电感提取精度的影响，并选择在误差较小的积分间隔内计算杂散电感。通过对电压和电流进行多项式拟合，获得了电压和电流的功能表达式，然后将其代入杂散电感的计算公式中，以计算在不同寄生电容影响下的杂散电感。参考文献[23]提出了一种基于LC高频振荡原理的多参数寄生电感提取方法，充分利用了转换器自身的结构。通过三次现场实验，主动构建了不同的谐振电路，并根据其振荡频率计算了转换器不同位置的寄生电感。关于杂散电容的影响，参考文献[24]研究了高压直流（HVDC）传输项目中桥式差动保护电流表异常高读数的问题。参考文献[25]指出，测量设备与转换器阀之间的杂散电容会导致测试电压测量不准确，并根据测试电路参数建立了仿真模型。

目前，关于高频开关瞬态及其诱导效应的研究主要集中在碳化硅（SiC）等快速开关宽带隙器件领域[26,27,28,29]。相比之下，对大规模HVDC换流阀内部瞬态特性和分布式参数效应的系统研究仍然相对较少[30]。传统上认为，由于大规模HVDC阀的开关频率较低且开关速率（dv/dt和di/dt）较慢，激发显著分布式效应的开关瞬态概率较低。然而，在本文研究的新型阀结构和实际运行条件下，局部开关特性与阀塔的空间分布参数之间的耦合导致了不可忽视的瞬态问题。本文基于直流改造项目中可控换流阀的实际物理结构，对其压装式IGBT的串并联电路特性进行了详细建模研究。我们深入分析了CLCC堆叠结构下的物理分布特性，并提取了影响器件动态过程的关键寄生参数。基于电阻器、电感器和电容器等基本组件，我们构建了一个能够表示寄生效应的改进IGBT等效电路模型，并使用现场测量的稳态和瞬态电压电流数据进行了参数识别和模型验证。本文的主要内容分为几个部分：第2节分析了CLCC中杂散参数的分布特性，并开发了一个结合分布式寄生效应的改进压装式IGBT等效电路模型；第3节建立了LCC–CLCC仿真模型，并基于现场测试数据展示了在交流电压干扰下的验证结果；第4节详细讨论了建模精度及其工程意义；最后，第5节总结了本文的主要结论。本文开发了一个高保真CLCC建模框架，将分布式杂散参数效应整合到改进的IGBT模型中，实现了准确的瞬态仿真，为HVDC系统的工程设计和运行提供了可靠的支持。

2. 材料与方法
2.1 CLCC中杂散参数分布特性的分析
2.1.1 CLCC中IGBT的连接结构
在HVDC改造项目中，CLCC采用单阀模块化设计，每个阀模块由一个主支路和一个并联的辅助支路组成。整体物理结构采用八层堆叠结构。每层包括关键组件，如功率器件、分级电阻器、缓冲电容器和连接母线。为了确保高电压绝缘性能，相邻层之间由绝缘屏障分隔。CLCC的八层堆叠结构如图1所示。主支路采用晶闸管和压装式IGBT的串联结构，用于进行主要功率传输。辅助支路由串并联的压装式IGBT模块组成，通过输出补偿电流来调节换流电压并抑制换流故障，从而实现换流过程的有源调节。

考虑到转换器阀的工作电压水平和功率传输要求，单个阀的主支路和辅助支路都采用了多个压装式IGBT串联配置。结构拓扑如图2所示。压装式IGBT采用陶瓷封装结构，具有优异的散热性能、高机械强度和高压能力。然而，封装和堆叠布局不可避免地引入了杂散参数。与传统IGBT相比，压装式IGBT具有更复杂的电极连接、外壳和层间绝缘。这些因素导致杂散参数的非线性分布特性更加明显，显著影响了高频开关瞬态。反映这些特性的具体内部阀拓扑如图3所示。该图详细展示了阀内V12和V13部分的IGBT拓扑，清楚地说明了主支路和辅助支路中的IGBT结构。通过详细描述内部组件的电气连接，可以观察到压装式IGBT的复杂电极引线以及转换器阀塔的空间布局构成了非线性分布式杂散参数的基本物理来源。

2.1.2 CLCC中杂散参数的来源
CLCC中的杂散参数主要来自器件封装、功率电路布局、层间连接和辅助组件。根据其物理性质，这些杂散参数分为杂散电感、杂散电容和互感耦合。杂散电感来源于导电部件，如功率母线、IGBT电极引线和分级电阻器连接；其大小与导体长度、截面尺寸、排列方式和周围介质属性密切相关。寄生电容主要存在于IGBT芯片与封装外壳之间、层间导体与绝缘隔板之间以及功率器件与接地结构之间，属于分布式电容，具有广泛的分布范围和不均匀的值。互感耦合源于不同功率支路和堆叠单元之间的电磁感应，主要发生在主支路和辅助支路的相邻IGBT串并联单元之间，导致支路间的瞬态应力干扰。

由于CLCC的堆叠结构，杂散参数的分布表现出明显的层次特性。顶部和底部单元受到接地结构的影响，导致相对较大的杂散电容。中间单元由于电磁环境更加均匀，保持相对稳定的杂散电感和互感耦合。主支路和辅助支路之间的杂散参数耦合效应最为显著，是换流过程中电压和电流振荡的主要原因。此外，压装式IGBT的芯片与电极之间的接触电阻以及内部寄生电感也会显著影响开关瞬态，在参数提取过程中必须加以考虑。

作为HVDC传输系统的核心组件，CLCC具有高度复杂且重复的物理结构。为了研究其内部瞬态演变过程，本文将这一复杂物理实体抽象为一个广义的分布式参数网络，如图4所示，基于转换器阀的层状分布特性和其功率母线的电气拓扑。需要注意的是，图4中的支路参数并不与转换器阀的几何结构一一对应，而是代表了功率电路、电压均衡电路和层间绝缘结构中杂散效应的物理来源的分类和拓扑聚合。这种抽象方法使得物理空间中的电磁耦合关系能够转换为便于计算的电路模型。在实际的建模过程中，任何复杂的转换器阀结构最终都可以通过遵循这种逻辑转换为等效的原理图。为了在平衡仿真精度和计算效率的同时准确获得CLCC的内部杂散参数，本文进一步将图4中显示的分布参数网络简化为图5所示的集总参数等效模型。通过将复杂的层压结构分解为多个基本单元，并计算电感、电容和互感，建立了一个杂散参数等效电路模型，从而实现了定量提取。

2.2. 考虑杂散效应的IGBT改进等效电路建模
2.2.1. 传统IGBT模型的局限性
当前电力系统的电磁瞬态仿真主要包含三种类型的IGBT等效模型：理想开关模型、简化行为模型和物理级模型。理想开关模型忽略了器件的导通电压降、开关损耗和寄生参数，仅表示器件的开/关逻辑，无法反映其高频瞬态特性。简化行为模型包含了导通电阻和结电容等基本参数。虽然这些模型可以在一定程度上反映导通损耗和开关动作，但它们忽略了由压装封装引起的分布杂散参数和互感耦合，使得难以准确描述高频开关期间的电压峰值和电流振荡。物理级模型基于器件内部的载流子传输机制，具有较高的仿真精度。然而，其复杂的结构、众多的参数和巨大的计算负担使其难以应用于涉及多个串联和并联器件的复杂系统（如CLCC）的仿真。

目前，在PSCAD等电磁瞬态仿真软件中，内置的IGBT模型大多是理想开关模型或简化行为模型。这些模型的主要局限性在于它们的简化程度过高：它们仅具有基本的导通和关断逻辑，在仿真过程中其电阻随控制信号变化，本质上表现为“可变开关”。它们忽略了器件内部的复杂载流子传输过程以及封装引入的微观寄生参数，因此无法再现高频开关瞬态期间的电压和电流动态响应。这种高度理想化的处理方式导致模型无法准确捕捉到在涉及大量串联和并联器件的复杂换流过程中（如CLCC系统）由交流电压波动引起的杂散振荡。结果，仿真波形显得过于平滑，失去了在实际工程应用中对过电压保护和电压平衡策略研究的参考价值。

为了克服上述局限性，在PSCAD环境中开发了一个用户定义的IGBT组件模型。与仅提供“开关功能”的内置模型相比，该模型具有以下显著优势：
- **非线性瞬态的再现**：通过将提取的杂散参数网络嵌入到核心开关逻辑中，该模型能够捕捉IGBT的固有特性，而不仅仅是将其表示为简单的阶跃变化。
- **精度与效率的平衡**：该模型避免了基于物理的模型极高的计算复杂性，同时通过用户定义的接口忠实再现了压装IGBT的实际工作特性。它有效地消除了传统模型中的“理想化误差”，为CLCC阀控制系统的设计提供了可靠的理论支持。

2.2.2. 改进等效电路模型的推导
本文提到的改进型压装IGBT等效电路模型基于简化行为模型，并结合了分布杂散参数网络和非线性器件特性，以实现更高的仿真保真度。

为了验证改进等效电路模型的准确性，本研究使用全尺寸CLCC测试阀进行了运行测试，以获取IGBT在运行过程中的电压和电流数据，如图6和图7所示。如图6所示，在自然换流过程中，电流的下降速度比电压变化慢，表明电路中的电感不可忽略；辅助支路的电压波动与主支路IGBT的电压波形有一定的相关性。这是基于前一节的分析，并考虑了IGBT的电气连接结构和空间分布，特别是在辅助支路IGBT经历过电压的情况下。如图8所示，提出了一个精细的IGBT电气模型。根据电路原理，在自然换流过程中，浪涌抑制器通常处于非激活状态。因此，可以将其大致视为辅助支路本身的特性。基于建立的电路模型，推导出以下基本控制方程：

通过对现场短路测试的数据进行分析和拟合，放大图7中的IGBT电压和电流，观察IGBT关断过程中的电压和电流变化。详细的放大视图如下图9所示。为了简化拟合，我们将关断过程分为两个阶段进行参数化。
- **第一阶段是快速电流下降期**：在此阶段，电流从其稳态值迅速降至0，导致斜率很大。此时，电感开始上升。忽略较小的电感和电容项，电压尖峰主要由电感引起，满足以下关系：
- **第二阶段是电压尾部和振荡期**：这一阶段发生在电流完全衰减至0之后。方程变为：
根据上述分析，可以获得相关参数的值。

为了在交流电压扰动下准确仿真CLCC的内部瞬态过程，在建模CLCC的高频瞬态过程时，不能忽视时间延迟和器件一致性的影响。实际应用中的总体开关延迟主要由两部分组成：门极驱动电路引入的延迟和IGBT功率晶体管本身的固有延迟。所提出的组件是根据IGBT的工作逻辑设计的，可以从两个方面进行描述。
- **控制逻辑方面**：组件的开关操作严格由内部阀控制系统发出的触发角指令（IG）控制。控制逻辑单元实时接收IG信号，并根据给定的时序序列将其转换为相应的高电平和低电平脉冲。结合监测器件两端的电压极性，只有当接收到触发脉冲且器件处于正向偏置时才会生成导通信号。在瞬态过程中需要强制电流中断时，触发信号被撤销，逻辑单元立即发出关断指令以强制电流换流。
- **拓扑结构方面**：由于传统IGBT的反向阻断能力有限，定制组件中加入了辅助二极管。总共使用了两个二极管：一个反并联二极管，提供自由轮路径，在IGBT高速关断时耗散存储在杂散电感中的能量，并抑制开关过电压；另一个串联二极管，提供高频反向阻断能力，防止由于交流侧电压导致器件反向偏置时发生击穿。

基于上述分析，用户定义的组件可以如图10所示构建。通过将上述杂散参数提取结果与IGBT核心非线性模块集成，用户定义的组件模型可以更真实地模拟功率器件在导通和关断瞬态期间的动态行为。与传统的理想开关模型相比，这种改进模型为在PSCAD仿真环境中再现高频瞬态过程中的电压尖峰和电流振荡提供了关键的建模支持。这种精细的建模方法是提高电磁瞬态仿真精度的重要前提。

3. 结果
为了验证用户定义组件模型的有效性，使用PSCAD 5.0.0构建了一个AC-DC系统的电磁仿真模型。系统配置包括发送端的LCC和接收端的CLCC。LCC-CLCC仿真模型如图11所示。内部阀的仿真结构如图12和图13所示。为了验证建立的LCC–CLCC仿真模型的正确性，在LCC-CLCC仿真模型中对A相施加了单相接地故障。故障在某个时刻开始，持续时间为t。仿真得到的电压波形如图14所示。利用CLCC的现场测试数据，进行了人工短路测试以测量A相接地故障。电网侧的相应记录电压波形如图15所示。将图14中的仿真波形与图15中的测量电压波形进行比较，发现波形形状、幅度变化和故障发展趋势高度一致。这种一致性表明，建立的LCC–CLCC仿真模型能够准确捕捉交流系统在电压扰动条件下的动态响应特性，特别是在单相接地故障发生和发展的瞬态行为。

然而，应该注意的是，这种一致性主要体现在系统层面，例如外部电网侧的电压响应。转换器阀内部的电磁瞬态过程，特别是与电力电子器件的详细开关行为和分布杂散参数的影响相关的过程，在当前模型中尚未得到充分表示。因此，仿真仍然缺乏反映阀内组件之间细粒度高频相互作用和内部耦合效应的能力。

为了进一步验证用户定义组件的建模效果，提取了人工短路测试的瞬态数据。观察到在电压下降期间，浪涌抑制器经历了连续触发，如图16所示。通过用用户定义的组件替换图13中的原始IGBT，仿真得到的浪涌抑制器电流波形与优化前的模型有所不同，如图17和图18所示。通过比较图15和图16中的仿真浪涌抑制器电流与图14中的现场记录电流，可以看出改进模型更准确地反映了抑制器的实际工作条件。使用传统的IGBT模型得到的模拟避雷器电流在幅度和振荡特性上与测量数据存在显著偏差，无法准确再现避雷器的实际行为。相比之下，更换为改进后的IGBT模型后，模拟避雷器电流的幅度、脉冲发生时间和瞬态振荡频率都与测量波形非常吻合。这表明改进后的模型能够准确捕捉阀内的瞬态过电压过程，并真实反映避雷器在交流电压干扰下的性能。图中展示了模型更换前后IGBT电流的对比，可以看出改进后的模型在导通过程中提供了更丰富的高频成分，如图19和图20所示。图19为使用原始模拟模型的IGBT电流；图20为使用用户定义组件模型的IGBT电流。在模拟过程中，对相同工作条件下的电流波形进行了密切监测和记录。对比结果表明，原始模型主要依赖于简化的理想开关逻辑，未能充分考虑实际电力电子设备在开通和关断瞬态时的非线性特性。通过引入自定义的IGBT组件，改进后的模型更准确地再现了开关瞬态、导通电压降和高频动态响应，使得电流波形与现场测量结果更为一致，有效消除了原始模型中的理想化误差。此外，改进后的模型提供了更详细的波形信息，并显著提高了测量精度，从而能够更精确、客观地描述交流/直流系统在真实工作条件下的电磁瞬态行为。

本研究指出了传统集总参数模型在再现测量瞬态波形方面的局限性，并确定由空间分布的杂散电容引起的高频耦合是模拟结果与实际行为之间差异的主要原因。实验结果表明，改进后的模型能够准确描述压装式IGBT在器件层面的电应力分布，填补了现有研究中大型换流阀高频瞬态特性表征的空白。

4. 讨论
传统的集总参数模型无法准确再现交流电压干扰下的测量瞬态波形，主要是因为它们忽略了换流阀内杂散电感、杂散电容和互感的高频耦合效应。CLCC的八层堆叠结构导致了杂散参数的明显分层分布，主支路和辅助支路之间的强耦合是换流过程中电压和电流振荡的主要原因。此外，压装式IGBT的封装特性进一步放大了杂散参数对开关瞬态的影响，这在精细建模中必须予以充分考虑。本文提出的IGBT模型整合了分布式的杂散参数网络和器件的非线性特性，并根据现场测量数据确定了关键的R、L和C参数。与理想开关模型和传统行为模型相比，改进后的模型能够在不显著增加计算成本的情况下精确描述电压尖峰、电流振荡和高频动态响应。它有效弥补了传统模型忽视分布参数和互感耦合的缺陷，从而为关键器件的电应力和热应力评估提供了可靠的支持。大多数现有研究集中在宽禁带器件上，而对CLCC的分布参数效应的系统研究仍然不足。基于实际工程需求，本文系统地揭示了CLCC中杂散参数的分布规律和工作机制。所提出的建模方法可以扩展到类似的可控线换流换流阀的设计、仿真和运行分析中，对于提高HVDC传输系统的换流故障免疫力具有重要的工程意义。

将定制的改进IGBT组件嵌入到已建立的LCC-CLCC模型中后，单相接地故障下的电网侧电压、避雷器电流和IGBT电流波形与现场测量结果高度一致。改进后的模型能够真实反映避雷器和IGBT的实际工作特性，消除传统模型的理想化误差，并为阀控系统的设计和过电压保护策略的制定提供有效的仿真支持。需要注意的是，当前验证是基于单相接地故障数据的。尽管杂散参数网络是从CLCC的固定物理结构中提取的，并且在各种工作条件下保持一致，但更严重的干扰（如三相短路）可能会触发更复杂的耦合机制。未来的研究将重点评估模型在更广泛故障场景下的鲁棒性，以进一步提高其工程适用性。本研究开发的改进模型虽然针对特定的八层CLCC结构进行了验证，但提供了一个通用的瞬态分析框架。对于涉及不同拓扑结构或不同功率/电压等级的应用，可以通过调整杂散参数网络的级联阶段来适应等效电路。所采用的提取方法——结合物理几何分析与电磁场计算——适用于HVDC系统中的各种硬件配置。

5. 结论
为了解决传统集总参数模型无法准确再现CLCC内部瞬态过程以及交流电压干扰下与现场测量波形之间的差异问题，本研究聚焦于DC转换项目的CLCC。通过对内部杂散参数的分布特性和精细建模的研究，得出了以下结论：
- CLCC的杂散参数主要来源于四个方面，包括器件封装和电源电路布局，在八层堆叠结构中表现出明显的分层分布特性。
- 主支路和辅助支路相邻层之间的杂散参数耦合效应是换流过程中电压和电流振荡的主要驱动因素。
- 压装式IGBT的封装特性使其杂散参数对高频瞬态行为的影响更加显著。
- 基于简化的行为级模型，通过整合分布式杂散参数网络和器件非线性特性，构建了改进的压装式IGBT等效电路模型。利用现场测量数据确定了精确的R、L和C参数。该模型弥补了传统IGBT模型忽略分布杂散参数和互感耦合的缺陷，有效描述了高频开关瞬态过程中的电压尖峰和振荡特征。
- 提出了LCC-CLCC交流/直流系统仿真模型。通过改进的用户定义IGBT组件，交流电压干扰下的模拟电网侧电压波形与人工短路测试中的现场记录波形高度一致。此外，该模型更真实地再现了避雷器的实际工作电流和IGBT导通过程中的高频成分，消除了传统模型中的理想化误差，提高了瞬态过程仿真的精度。