柔性直流输电系统三端口混合参数建模及其稳定性分析

模块化多电平换流器(MMC)与系统网络之间的交互是诱发振荡的主要原因,然而现有MMC单侧阻抗/导纳建模方法往往没有计及对端换流站的动态过程,因此该文重点通过建立可以考虑交直流耦合的换流器三端口混合参数模型实现整个双端柔直系统的稳定性分析。首先,该文基于谐波状态空间法推导考虑桥臂间谐波动态交互过程的MMC换流器交直流端口功率守恒方程,并据此建立换流器的三端口混合参数模型;其次,基于所建立的三端口混合参数模型和广义奈奎斯特判据,对MMC互联系统的稳定性进行分析,因该方法可避免计算开环传递函数右半平面零极点的数量,与传统单侧阻抗稳定性分析方法相比,可实现系统稳定性的准确判断;再次,推导了特征值相位关于三端口混合参数元素的灵敏度计算公式,揭示了系统振荡的诱因,进一步结合控制参数灵敏度分析,实现了一种用于改善互联系统直流侧稳定性的直流电流前馈附加阻尼控制策略;最后,结合时域仿真算例验证了稳定性分析和改善措施的有效性。

对称双芯移相变压器有载分接开关最大级电压计算方法研究

移相变压器可实现电网潮流的灵活控制,其负荷情况复杂多变且负载电流的大小与负载侧电压的相位差变化较大,有载分接开关作为移向变压器相位调节的关键组件,其档位调节过程中所需开断的级电压大小与负载条件密切相关。该文基于对称双芯移相变压器的工作原理及运行特性,结合负载条件下有载分接开关级电压的计算公式,分析了包括负载电流的大小、负载电压与负载电流的相位差以及移相变压器做超前与滞后调节在内的不同负荷条件对级电压大小的影响,得出了励磁变压器二次侧电压的变化规律,提出最大级电压的计算方法。通过实例计算与Matlab/SIMULINK仿真结果的对比,验证了所提最大级电压计算方法的可行性和准确性。

双芯移相变压器中有载分接开关技术参数确定方法

双芯移相变压器中有载分接开关开断级电压、电流的大小与负载条件关系密切,为了确定负载条件对有载分接开关技术参数的影响,在介绍双芯移相变压器的工作原理及运行特性的基础上,推导了实用、精确的负载条件下的级电压计算式,并以230 k V/150 MVA双芯移相变压器为例,通过对比计算式与MATLAB/SIMULINK仿真模型的结果,验证了级电压计算式的准确性。通过分析级电压与负载大小及性质的关系表明,采用负载条件下的级电压计算方法可更为准确地确定移相变压器有载分接开关的技术参数。此外,通过分析负载功率因数对最大级电压的影响可知级电压随着负载功率因数的增大而增大。

高压直流断路器组件内IGBT关断瞬态电压过冲的关键影响参数

基于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的全控型混合式高压直流断路器是多端柔性高压直流输电工程的关键设备,其半导体组件内IGBT关断瞬态电压过冲是工程中需重点关注的问题,该文以典型的IGBT全桥拓扑结构的半导体组件为例,研究了半导体组件内部的母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响,揭示了母排杂散电感对IGBT关断瞬态电压过冲的影响机理,获得了IGBT关断瞬态电压过冲关于组件内不同母排中杂散电感的灵敏度;在研究高压直流断路器中IGBT关断机理的基础上获得了包括IGBT器件本身的物理特性参数在内的影响关断瞬态电压过冲的关键参数及其影响规律,最后通过试验验证了理论分析的正确性。研究结果表明:组件内电容支路杂散电感对IGBT关断瞬态电压影响最大,其应作为重点优化对象;除杂散电感外,IGBT的栅极氧化层电容、关断过程集射极电压快速上升时对应的拐点电压以及栅极驱动电阻为影响IGBT关断瞬态电压的关键参数,且均与关断瞬态电压呈负相关性。该研究结论可为半导体组件内部杂散电感的控制、栅极驱动电阻的选择以及IGBT器件的选型或定制提供指导。

压装组件中圆柱形母线的部分电感计算方法

在大功率变换器、高压直流断路器等含有电力电子器件的设备中,大尺寸圆柱形压接母线与平板压装型器件配合使用的现象普遍存在。开关器件通断过程中,母线杂散电感的存在会造成强烈的电磁干扰,因此对母线杂散电感的准确提取进而对其结构进行优化配置是设备电磁兼容设计中必不可少的环节。该文针对压装组件中的圆柱形母线导体,基于部分单元等效电路理论提出了一种通用的部分电感计算方法。该方法采用圆环单元进行剖分,考虑了圆形截面导体的中心对称特性,与传统矩形和三角形剖分方法相比,计算结果更为准确且可有效提高计算效率。此外,现有的基于圆环单元剖分的计算方法仅适用于导体的长度大于横截面直径的情况,而文中所提方法不存在任何限制条件,具有普遍适用性。结合典型算例并通过与几种现有计算方法对比,验证了所提计算方法在准确性和计算效率方面存在的优势。

基于序阻抗的虚拟同步发电机并网稳定性分析及虚拟阻抗设计

在分布式发电高渗透率的微电网中,虚拟同步发电机(VSG)因可提供必要的频率和电压支撑而被广泛关注,其并网稳定性研究已成为热点问题。该文首先在获得VSG输出序阻抗矩阵的基础上,通过建立单输入单输出(SISO)等效模型,并结合Nyquist准则对VSG进行并网稳定性分析;然后,针对正负序之间存在的频率耦合现象,基于所建SISO等效序阻抗模型,对比分析了考虑频率耦合效应前后的VSG输出阻抗特性,揭示了频率耦合效应对VSG并网稳定性的影响机理,以及造成VSG并入强电网失稳的根本原因;最后,在上述机理分析的基础上,提出一种用于提升系统稳定性的虚拟阻抗简化设计方法,该方法从提升系统的幅值裕度的角度出发,直接利用SISO等效输出阻抗与电网阻抗二者的交互关系实现虚拟阻抗的定量计算,简化了虚拟阻抗的设计过程。仿真结果验证了稳定性分析的正确性以及虚拟阻抗设计方法的有效性。

直流断路器半导体组件内母排电感对并联IGBT关断特性的影响及其结构优化

大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)混合式高压直流断路器是适应多端柔性直流输电工程发展的关键装备,优化断路器半导体组件内IGBT故障大电流的关断特性进而确保器件安全可靠运行是断路器工程的重要部分。文章围绕组件内杂散电感对IGBT关断瞬态电压峰值、关断损耗和并联IGBT间关断动态均压、均流特性的影响,对组件的母排结构进行了优化设计。通过实验和仿真对比研究可得:采用将2组缓冲RCD分散、对称布置于并联IGBT两侧的方式设计的母排结构可更大程度优化并联IGBT的关断瞬态特性,但采用将单组缓冲RCD布置于并联IGBT中间的方式可在满足器件安全可靠运行条件的同时提高经济性,更适合工程应用。该研究结论可为基于并联IGBT的直流断路器组件中母排结构设计及优化提供技术指导。

一种快速准确的大功率IGBT建模方法

高压大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的准确建模对IGBT应用中的损耗计算、机理分析、骚扰特性预测有重要意义。基区载流子分布计算是IGBT建模的核心内容,对于计及不同注入条件下大功率IGBT载流子分布计算,现有模型存在计算量大或精度低等缺点。文中首先研究大功率IGBT工作过程中基区载流子的分布特性,然后,以准静态和非准静态条件下基区载流子分布的差异性为突破口提出一种快速、准确、适用于大功率IGBT的建模方法。依据器件内基区耗尽层的边界是处于栅极区域附近还是越过栅极区域,该方法将IGBT工作状态分为两部分,并分别基于准静态假设和非准静态假设对两部分建模。由此可在不失精度的情况下避免载流子二维分布计算,有效地减小在计及不同注入条件下的计算量。最后,通过与现有方法和试验对比,验证所提方法在精度和计算速度方面的优势。

真空预载型多孔质气体止推轴承静态特性研究

为了提高孔质静压气体轴承的刚度,将负压腔引入多孔质静压气体止推轴承的设计中,运用有限元方法对真空预载型多孔质静压气体止推轴承进行数值分析,分析负压腔真空度、负压腔面积比S_a/S(负压腔横截面积与轴承横截面积比值)、多孔材料渗透率、供气压力等因素对轴承静态特性的影响。分析结果显示:负压腔中真空度的变化对轴承的刚度几乎没有影响;真空度的增大,改变了气膜的压力分布造成轴承承载能力在一定程度上的下降;在气膜间隙5～12μm之间,真空腔的引入使气膜刚度明显增加;当S_a/S≠0,气膜间隙8～10μm时,S_a/S值的变化对轴承承载能力的影响较刚度更大;在一定承载能力下,轴承刚度随负压腔面积比增大而增大,而气膜厚度随之逐渐减小。试制真空吸附型多孔质静压气体止推轴承,并对其承载能力、刚度进行试验,实验值和理论值有较好的一致性。

微低重力试验多孔青铜气浮转台研制

在微低重力环境模拟中,为降低涡流干扰力矩,设计了基于多孔青铜节流器的气浮转台系统。首先,在止推轴承选型中,对局部多孔质节流器和全多孔质节流器进行了对比分析,发现在气膜厚度20μm条件下,全多孔质节流器承载能力比局部多孔质节流器高40%,因此设计选择全多孔节流器形式;然后,分析了在不同供气压力、不同材料渗透率下,气浮转台止推轴承及径向轴承的承载能力和刚度特性,发现选择较小的材料渗透率能够获得更高的气膜刚度,为气浮转台的结构设计提供了依据。最终研制的气浮转台采用开式止推轴承形式,节流器使用自研的多孔青铜材料,通过精密加工技术,使得加工前后的渗透率保持近似不变。试制成功的气浮转台回转精度小于0.8μm,150 kg负载下,未出现气锤自激振动现象。气浮转台系统的最大干扰力矩为9×10^(-4) m。该气浮转台系统不仅可用于微低重力试验,还可应用于超精密加工等领域。

两端固支屈曲梁准零刚度隔振器的微振动隔振性能分析

航天器微振动具有幅值低、频带宽的特点,传统的被动隔振器难以对其有效隔离,两端固支屈曲梁准零刚度隔振器具有高静刚度低动刚度特性,且避免了铰接引入的间隙和摩擦,可适用于微振动隔振;对该隔振系统的动力学特性和隔振特性进行了分析;推导了屈曲梁正负刚度并联系统的零刚度条件,利用谐波平衡法得到系统阻尼、扰动幅值对系统隔振性能的影响;通过SIMULINK仿真对隔振系统的性能进行了验证。结果表明,该隔振系统低频隔振性能优于线性系统,可有效隔离微振动。

一种适用于压接型IGBT瞬态大电流测量的PCB罗氏线圈

为保证电力电子器件瞬态电流测量准确,大多数场景下必须考虑邻近导体对被测器件电流测量产生的影响,而对于邻近导体的磁场,目前并没有有效的方法消除。文中基于一种特定工况,提出了一种考虑邻近导体耦合项的测量方法,通过使用定制的PCB罗氏线圈测量压接型IGBT瞬态电流,并将其与实际电流参照值曲线进行量化对比,验证了此测量方法的准确性。另外,文中考虑了器件因电流馈入位置不对称而导致电流非均匀分布的实际情况,消除了模型误差,进一步阐述了PCB罗氏线圈在定制化方面相较于传统罗氏线圈的优势。

用于微重力试验的气磁混合悬吊单元研制

传统被动式跟随悬吊法应用中摩擦干扰力大的问题影响了微低重力试验的精度,本文中结合悬吊法和气浮法的优点,利用气体轴承极低摩擦力的特点,设计了一款气磁混合悬吊单元原理样机,以提高被动式跟随悬吊法微低重力试验的精度.首先介绍了气磁混合悬吊单元的工作原理,对气磁模块的布局方案进行了初选,选择了环形气体止推轴承与中央磁吸力单元组合的结构形式.设计了独特的永磁-电磁模块,并对其电磁吸力特性进行了分析,分析结果显示在气隙厚度为0.65 mm左右时,磁力能够保持在2 kN左右,得到了0.3~1.0 mm气隙长度下混合磁单元的磁力及刚度变化曲线.气体止推轴承采用大块多孔石墨作为节流器,能够在较小的空间尺寸中实现最大的承载能力,应用有限元方法对多孔质气体轴承的承载能力进行了分析,并进行了网格无关性分析,确定了计算模型的规模.对供气压力和渗透率等主要参数的影响规律进行了分析,分析结果显示选定的工作参数可在20μm气膜厚度下实现2 kN的承载.完成了气磁混合悬吊单元的结构设计,并试制了3台样机.针对气浮轴承进行了多孔材料渗透率测试.针对气磁混合悬吊单元,考虑到测试的安全性,设计了倒扣拉力法试验装置进行了气磁混合悬吊单元承载能力测试.针对气磁混合单元的极限承载能力和承载-位移特性进行了测试.基于恒定磁吸力及非线性磁吸力假设,将气磁混合单元的承载-位移特性转化为气体轴承的承载-位移特性,并与气体轴承承载能力的理论分析结果进行了比较.试验结果显示:试制的3台样机其最大极限承载能力均在2.4 kN以上,在安全系数3的条件下,可以承载80 kg的重物悬挂;磁吸力设计过程中应当使用非线性假设进行计算校核,得出的气膜承载能力与理论分析能够较好地吻合.