基于IGCT抑制换相失败的关键控制策略

针对基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统因以晶闸管作为换流器件而存在的换相失败问题,以集成门极换流晶闸管(IGCT)在中国某背靠背高压直流工程中的应用为基础,首先介绍了IGCT型高压直流的拓扑及基本运行原理。接着,从兼顾换相失败抵御效果和IGCT阀的关断应力角度,提出了适应IGCT阀的关断策略。在此基础上,研究了不同类型交流故障对故障电流峰值的影响,提出了利用故障扰动系数动态调整电流控制器参数的策略,实现故障电流抑制和故障期间直流功率的稳定输送。最后,通过实时数字仿真(RTDS)验证了所提策略的正确性和有效性。

IGCT门极驱动装置杂散电感测量与改进

集成门极换流晶闸管(IGCT)的关断能力高度依赖其门极驱动单元的换流能力,为了提高其换流能力,限制杂散电感是关键。分析了影响关断电路中杂散电感的主要因素,提出了抑制和减小电路杂散电感的方法,采用此方法将关断回路总杂散电感从13.6 nH降低到4.7 nH,最终达到3.5 nH,使门极电流峰值和上升率分别达到-6 120 A和-5 720 A/μs,满足4 500 V/4 000 A IGCT的驱动电路关断能力的要求。对环绕型关断电路的杂散电感进行详细划分和测量,针对采集的各部分电感分布量进行分析,结果对更高电流容量IGCT驱动电路板的设计有重要的参考价值。

双芯IGCT浪涌电流鲁棒性研究

作为晶闸管类器件,双芯集成门极换流晶闸管(Dual IGCT)必须具备的抗浪涌电流能力研究鲜见报道。基于多单元集成的器件仿真结构模型,揭示了Dual IGCT在浪涌电流下工作时,总电流在GCT-A部分和GCT-B部分间的分配比例会随晶格温度升高而减小。在此基础上,分析了寿命控制技术对Dual IGCT浪涌鲁棒性的影响。结果表明,增大GCT-B的载流子寿命可以提高器件的浪涌鲁棒性,但同时会增大器件的功耗;而在对GCT-B进行载流子寿命控制时,引入具有较大寿命对温度依赖系数的复合中心,可以有效提高Dual IGCT浪涌电流鲁棒性,同时不影响器件的其他性能。最后,提出了一种工艺成本较低的阳极短路Dual IGCT新结构,其在浪涌电流下的晶格温升与传统的Dual IGCT相比大幅减小(约150 K),呈现出极高的抗浪涌能力。

IGCT门阴极换流路径杂散阻抗在线监测方法研究

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)换流路径杂散阻抗是评估其关断能力的重要参数,现有离线测量方法有诸多缺陷并且测试过程复杂,实时性差。该文主要针对IGCT换流路径杂散阻抗在线监测问题,结合IGCT关断过程,分析了换流路径杂散阻抗的构成;根据基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’s current law,KCL)、基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’s voltage law,KVL)推导了换流路径电压、电流方程,进而提出基于阴极集成印刷电路板(printed circuit board,PCB)式电流传感器的换流路径杂散参数在线监测方法;采用高速采集卡和LabVIEW软件,构建了测量系统;通过在高压、大电流加速老化测试平台上的实际测试,实现了mΩ级电阻与nH级电感的杂散阻抗准确提取,验证了在线监测方法的有效性。

新型IGCT直流输电换流阀运行试验研究及其等效性评估

换相失败问题(commutation failure,CF)是电网换相换流高压直流输电技术(line commutated converter high voltage directcurrent,LCC-HVDC)面临的固有难题。为了解决该问题,已有文献主要从拓扑结构、控制策略等方面着手,鲜见抵御换相失败的新型换流阀研制及试验研究。该文开展基于大功率逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate commutated thyristor,RB-IGCT)的新型换流阀试验研究及试验等效性分析。首先,阐释新型换流阀抵御换相失败的原理,并针对新型换流阀不同的工作模式,提出对新型电力电子器件的需求。然后,利用现有的型式试验合成回路平台开展适用于传统晶闸管换流阀的运行试验,并分析试验结果,得出大部分试验项目等效性较好而小熄弧角试验和关断试验等效性较差的结论。最后,针对这两项特殊试验提出新的试验方法和试验电路,可为新型换流阀的研发和应用提供一定的技术基础。

高压直流断路器中的IGCT功能性模型仿真研究

高压直流断路器在柔性直流输电系统中起着至关重要的作用,其中集成门级换流晶闸管(Integrated gate commutated thyristors,IGCT)是保障高压断路器正常分断的关键器件之一。因此,研究IGCT开通和关断时的电压电流暂态特性模型,是高压断路器系统研究中的一个重要内容。对PSCAD中的自带IGCT模型进行了二次开发,建立一种IGCT开、断暂态的功能性模型。首先,采用电气等效、曲线拟合的方法,实现电路仿真中IGCT的不同运行状态。其次,在PSCAD中用所提出的模型搭建了仿真测试电路,并与器件手册进行对比分析。最后,将该模型嵌入到组合式直流断路器中进行仿真验证。仿真结果验证了IGCT功能性模型的有效性与正确性,为进一步研究高压断路器中半导体模块的应力分析打下了基础,具有较高的工程价值和研究意义。

基于IGCT的大容量谐振直流变压器设计

更大容量、更低成本的单向直流变压器(DCT)是提高光伏直流汇集技术经济性的关键手段。此处结合集成门极换流晶闸管(IGCT)的低通态压降与谐振拓扑的正弦波电流、器件开关电流低等特征,提出了基于IGCT的大容量谐振直流变压器(IGCT-SRC)。在此基础上,通过二极管直接串联来简化IGCT-SRC拓扑结构并实现高电压增益。同时分析了考虑均压电容与死区时间后IGCT-SRC的软开关特性。最后,研制了1.5 kV/10 kV 2 MW的IGCT-SRC样机,验证了所提方案的有效性。

IGCT过应力关断下动态雪崩诱发的电压自箝位效应

作为高压功率器件,集成门极换流晶闸管(IGCT)关断过程中必然发生的动态雪崩效应是限制器件反偏安全工作区(RBSOA)的重要因素。通过建立能更好地反映电流集中效应的多单元仿真结构模型,对IGCT过应力条件下的关断特性进行了仿真,发现了一种与开关自箝位模式(SSCM)非常相似的电压自箝位效应。然而,与SSCM不同的是,这种自箝位效应是由动态雪崩效应诱发的。在强烈的动态雪崩下,雪崩产生的载流子与被移除的载流子达到了动态平衡,耗尽区电场无法展宽导致了电压箝位。由于自箝位期间雪崩产生的电流丝无法快速移动,器件极易因局部过热而损毁。并且,随着器件电流增益的增大,这种效应更容易发生。研究结果可为IGCT提供更清晰的RBSOA。

基于双层模型的可控电流源换流器损耗优化方法

逆阻型集成门极换流晶闸管是构建可控关断电流源型换流器(current source converter,CSC)的可行器件之一。在换流器运行过程中,损耗的产生使得器件芯片结温上升,从而限制了换流阀的运行能力,因此必须明确并优化CSC中器件结温情况。该文提出了系统性的损耗特性、约束条件,建立了损耗抑制的双层模型,并给出了求解方法。提出了缓冲电路和损耗分析的综合设计方法,对缓冲回路及杂散参数范围进行了研究,对比了优化后的CSC与传统直流和柔性直流换流阀的损耗。结果表明,基于该模型的计算参数,器件损耗为5.7kW,电阻损耗约为1.8kW,器件结温增量为38℃,CSC的损耗与系统占比为0.54%。

±525kV/3000MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀研制

基于IGCT的柔性直流输电模块化多电平换流阀(MMC)具有低成本、低损耗、高可靠等潜在优势,在未来陆上大规模新能源送出以及深远海风电并网等应用中具有广阔的前景。在对比集成门极换流晶闸管(IGCT)和绝缘栅型双极晶体管(IGBT)两类功率器件技术性能基础上,介绍了±525 kV/3000 MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀的产品设计。依据IEC 62501标准,完成了IGCT-MMC换流阀产品的第三方见证试验。试验结果表明,所研制的IGCT-MMC换流阀产品技术性能符合设计要求。

基于IGCT串联的10kV直流混合断路器研究

直流断路器是直流系统组网的关键设备。该文针对直流断路器工作模式对集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristors,IGCT)特性进行研究,首先结合仿真与实验结果,分析了母线电压、关断电流、缓冲阻容及杂散电感等因素对IGCT关断动态特性的影响。然后以两IGCT串联系统为例,研究了缓冲阻容、杂散电感差异和触发时间差异对串联均压特性的影响。结果表明,触发时间差异对均压效果影响最大,串联系统应尽量保证所选器件和阀体杂散参数的一致性,并通过调整触发时间等方法改善均压效果。接着,该文给出一种自然换流型混合断路器方案,与已有串联辅助开关的方案相比,该方案通态损耗几乎为零、不需水冷散热、控制逻辑简单、系统可靠性高。基于IGCT动态特性和均压特性分析,该文选取合适参数,搭建了4个IGCT串联开关支路,并完成母线电压10 kV、关断电流3.5 kA开通关断实验,不均压系数约为5%。结合快速机械开关,设计并实现了10 kV自然换流型直流混合断路器,完成了关断电流3.6 kA的整体实验,关断过电压21.4 kV,验证了该方案的可行性。近期还完成了40 kV/3.4 kA的实验,为中高压直流断路器的实际工程应用奠定了坚实基础。

基于链式逆变器的50MVA静止同步补偿器的直流电压平衡控制

结合 50MVA 静止同步补偿器的研制,建立了基于链式逆变器的 STATCOM 直流电容电压稳态数学模型,揭示了电容电压不平衡现象产生的机理,分析了控制直流电压平衡的手段,提出了一种基于直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法。分析了基于交流电源母线能量交换的直流电容电压平衡控制方法的原理,提出了最大(或最小)电容电压跟踪的平衡控制方法,并在 50MVA STATCOM 的PSCAD 模型上进行了仿真研究及在±18kvar 物理模拟装置上进行了实验。仿真结果及实验结果验证了稳态模型以及所提控制方法的正确性和可行性。

4000A/4500V系列IGCT器件驱动电路

IGCT是一种新型大功率电力电子器件,其开关控制必须依靠集成门极驱动电路实现。文章首先对IGCT的驱动技术进行了研究,阐述了IGCT开关控制所涉及的硬驱动和门极换流等关键问题。在此基础上,文章完成了4000A/4500V不对称型IGCT器件集成门极驱动电路开发,并通过实验对IGCT驱动技术以及电路设计方案进行了检验,相关技术能够满足4000A/4500V系列IGCT器件驱动的要求。

IGCT在直流电网中的应用展望

相对于交流电网中的电力电子设备,直流电网中的电力电子设备具有很多不同的特性,为集成门极换流晶闸管（integrated gate commutated thyristor,IGCT）的应用提供了可能的契机。该文紧密跟踪直流电网中关键电力电子设备的发展需求,对IGCT在直流电网中的应用前景进行展望。首先介绍了IGCT的应用特性和直流电网中的关键电力电子装备,包括：高压大容量电压源换流器、中高压大容量直流变压器、高压大容量直流断路器。在此基础上,结合IGCT与电压源换流器、直流变压器以及直流断路器的内在特征,系统阐述IGCT在这些关键设备中的应用契机、可行方案以及技术特点等。最后,对IGCT应用于直流电网中待研究的关键问题进行了讨论,推动我国直流电网中的高效率、高密度、高可靠性、低成本的电压变换和功率传递。

基于IGCT的大功率NPC逆变器设计仿真与分析

新的门极换流晶闸管IGCT(IntegratedGateCommutatedThyristor)器件,优化的系统设计以及三电平拓扑的应用使大功率逆变器得到巨大的发展。详细描述了1个5MV·A基于IGCT的中点箝拉式NPC(NeutralPointClamped)逆变器的设计、仿真和分析。该逆变器直流母线电压为5kV,使用的IGCT是4.5kV/4.0kA,无关断吸收电路。成本、可靠性和开关特性是此逆变器设计的主要准则。该逆变器在软件包PSIM下仿真,其中IGCT模型是在PSIM下实现的功能型模型,控制算法采用的是空间矢量脉宽调制SVPWM(SpaceVectorPulse鄄WidthModulation)算法。仿真结果中既有逆变器的系统性能,也有单个IGCT的暂态过程。通过仿真结果,详细分析了该逆变器主电路在SVPWM算法控制下的换流过程,重点分析了1个桥臂中各杂散电感位置和定义以及它们对换流过程的影响。最后给出优化的设计规则和方案。

基于IGCT的新型固态桥式短路故障限流器

提出将带旁路电感的桥式短路故障限流器中的半控开关器件——可控硅,用大功率自关断器件——集成门极换流晶闸管(IGCT)代替,从而将整流桥的失控时间从半个周期缩短到电流信号检测时延,从而可以有效减小直流限流电感的电感量,将占据限流器体积、重量、成本主要部分的直流限流电感量缩小5/6以上。研究了在该特定电路条件下的基于IGCT的有源逆变控制方法,可以保证在采用IGCT后,桥路转入逆变工作方式和从限流器中退出时均不引起电感电流通路的阻断,因而不引起操作过电压。直流限流电感的电感量减小,有利于提高限流器动态特性,缩减由于充磁而导致波形畸变的时间。详细介绍了基于IGCT的短路故障限流器的控制策略,并进行了仿真和实验研究,结果证明了所提出的故障限流器及其控制策略的有效性和实用性。

集成门极换流晶闸管驱动电路的研究

根据集成门极换流晶闸管驱动电路基本逻辑功能的要求,提出应用电子设计自动化技术和复杂可编程逻辑器件芯片实现高可靠性、单片化、灵活设计的方案,设计出一种采用了硬驱动和集成门极技术的集成门极换流晶闸管门极驱动电路.该电路具有结构简单,开关速度快,可靠性高,增加保护电路和测试电路方便等优点.电路仿真结果表明,开通时门极电流可在2μs内迅速达到200A左右,关断时电流门极电流可在4μs内抽取400A左右,符合集成门极换流晶闸管开通和关断时的特性要求.

IGCT变流器吸收箝位电路的参数设计

近年来对风机容量的要求出现了爆发式增长,已达3~7 MW。此外,并网谐波控制、低电压过渡等风机并网标准越来越严苛。以集成门极换流晶闸管（integrated gatecommutated thyristor,IGCT）为核心的中压直驱全功率变流装置既可满足风机的大容量要求,又能灵活实现电网故障过渡、电网无功支撑等要求,成为大容量风机的最优选择。在IGCT变流器中,箝位电路的参数将直接影响器件SOA、最小脉宽与并网电流质量,是风机功率模块设计中十分重要的部分。提出一套IGCT变流器吸收箝位电路的优化设计方法,显著简化了箝位电路的设计过程。在对箝位电路换流工况进行详细分析的基础上,提出了箝位电路的等效电路。根据等效电路进行了响应分析,综合考虑箝位电路的设计原则,找到了优化参数的选取方法,从而降低了最小脉宽限制,提高了动态恢复速度。给出了设计实例,并进行了仿真与实验验证。

大功率IGCT高压变流器的研究

通过对大功率集成门极换向晶闸管(IGCT)高压变流器的结构、控制系统、保护系统的研究,设计出一套7.5 MVA的基于集成门极换向晶闸管的高压三电平中点箝位(NPC)变流器.通过对几种常见的三电平NPC变流器的拓扑结构进行研究,选取了采用分散的缓冲吸收电路的结构方式.控制系统采用基于VME总线的VMIC核心系统,利用信号数字处理(DSP)控制板生成三电平电压空间矢量PWM调制脉冲.保护系统可以对变流器运行中的过压、过流等各种故障采取快速有效的保护措施.在变流器系统的性能试验中,最大直流母线电压达到5000 V,最大输出电流达到2500 A.试验结果表明,该变流器达到了7.5 MVA的设计要求.

IGCT的原理性电学模型与动态特性仿真

集成门极换向晶闸管(IGCT)因具有开关速度快、损耗低、容量大、导通管压降低等优越性能而正逐渐广泛地应用于中压大功率领域,但国内外仿真软件中尚无IGCT的器件仿真模型。为此根据IGCT的结构特点、工作原理、额定参数以及外总电学特性,应用两个Hu-Ki模型并联的优化模型及ORCAD建立了IGCT的原理性电学模型,给出了模型的电路图及元件参数,并应用该模型进行了IGCT的动态特性仿真与分析,给出了开通、关断电压和电流波形,关断功率脉冲波形,门极关断电压和电流波形。仿真结果显示仿真的IGCT器件关断时间2μs,关断能量约0.1J,关断时门极反向电流峰值25A,表现出明显的反向抽取作用,与实测波形保持了很好的一致性。该模型意义明确、描述准确、结构简单、仿真速度较快,且有一定的通用性,可用于IGCT器件与简单系统的仿真研究,为IGCT的选择应用、器件匹配与保护电路的设计提供研究手段与设计参考。