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-Plus和中频隔离的大容量直流变压器

具有万伏级以上电压隔离和兆瓦级以上直流能量变换能力的大容量直流变压器(high-power dc transformer,HDCT),是实现高/中/低压直流系统互联、构建直流电网的核心基础装备。文中提出基于IGCT-Plus器件和中频隔离的HDCT技术方案,给出IGCT-HDCT拓扑结构,分析换流特性,提出实现软开通和准软关断的换流方法,可大幅降低开关损耗。在此基础上,对功率器件和变压器损耗进行系统分析,针对基于中频隔离的高压大容量直流变压器,提出的IGCT方案相比,Si C和IGBT方案具有更低的损耗。文中给出MW级IGCT-HDCT功率模块的设计方法,研制工程样机,并对子模块的大电流关断和大功率运行状态进行系统性的测试,验证IGCT-HDCT方案的正确性和有效性。

变流器辅助换流的柔性切换开关拓扑与控制

分布式新能源渗透率的快速提高,在提升配电网灵活性的同时也加大了其运行调控难度。为此,文中提出一种新型配电网柔性切换开关设备,开关由集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor,IGCT)与并联电压型变流器组成,其中针对并联电压型变流器采取虚拟同步发电机控制,可实现负载在不同馈线间的平稳切换。文中首先将所提柔性切换开关与柔性多状态开关及机械开关的主要特征进行比较;然后,分析柔性切换开关在故障前、故障中和故障后的工作模式,并研究在3种工作模式间进行柔性切换时的切换逻辑;最后,通过基于RT-Lab的控制在环实验模拟开关在不同馈线间切换的过程,获得不同工作模式下和柔性切换过程中的电压电流波形。实验结果表明柔性切换开关具有短时电压支撑能力,在不同馈线间切换的过程中不产生电压电流冲击。

电容动态投切电力电子开关研制

电力系统受到扰动后的暂态过程中,提升负荷侧的无功支撑有助于电网电压快速恢复。为提高电网电压降低时电容器组无功出力,设计并研制了电容动态投切电力电子开关样机。为验证样机性能,搭建了试验系统,开展了基于逆阻型集成门极换流晶闸管(IGCT)的电容动态投切电力电子开关的绝缘、运行和动态投切试验,试验结果证明电力电子开关的设计和研制满足电容动态投切的要求。研究结果可为以后设计和研制更高电压等级和更大电流的电容动态投切电力电子开关提供参考。

IGCT驱动板寄生阻抗的综合优化设计方法

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)是由门极换流晶闸管(gatecommutated thyristor,GCT)和门极驱动电路通过PCB集成的功率组件。GCT的开关控制必须依靠集成门极驱动电路实现,电路中的寄生阻抗会严重影响GCT的开关特性。因此,以目前亟待解决的一类高压大电流IGCT驱动电路板为研究对象,通过对驱动电路的传统布局进行分析,提出一种考虑门极驱动单元和布局的综合优化策略,利用电解电容和陶瓷电容并联的混合电容器组构建驱动单元,同时采用等间距排布的环绕型布局设计电容器组和MOSFET开关组,将寄生阻抗限制在极低水平。最后分别完成了传统型和所提IGCT驱动板设计,实验结果表明所提方案能够有效提升IGCT驱动板性能。

直流输电用大功率逆阻型IGCT器件关键技术研究

受限于大功率可关断器件的发展,高压直流输电用可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)一直未取得实质性进展。该文首先介绍基于换流器级联的CSC拓扑方案,搭建250kV/750kW的直流输电仿真系统,提取逆阻型集成门极换流晶闸管(revere blocking integrated gate commutation thyristor,RB-IGCT)器件应用于直流输电系统所应满足的技术要求;其次,分析低通态压降、损耗优化和高du/dt和di/dt的RB-IGCT器件关键设计方法。最后,对研制的4500V/3000ARB-IGCT关键核心参数进行实验验证。研究结果表明,所研制的RB-IGCT器件可以满足CSC的要求,是构建CSC的可行路线。

基于逆阻型IGCT的无功功率快补技术研究

电网电压的稳定是保证其安全运行的关键,提升负荷侧无功功率快速补偿能力,缩短电网扰动后的恢复时间,是增强其稳定性的有效手段。此处从逆阻型集成门极换流晶闸管(IGCT)器件基本特性出发,提出了一种无功功率快补技术,介绍了其工作原理,搭建了系统仿真模型,通过仿真验证了无功功率快补装置对支撑电网电压的有效性。提出了基于逆阻型IGCT和晶闸管反并联的无功功率快补装置拓扑,提出了控制逻辑,设计并研制了35 kV逆阻型IGCT阀样机。搭建了试验系统,对逆阻型IGCT阀样机进行了连续3次投退试验及电流关断试验,验证了其运行能力和主动关断能力,试验结果满足技术要求,证明了设计的正确性。该研究结果可为后续无功功率快补装置的工程应用及逆阻型IGCT器件的工程实施提供参考。

基于逆阻IGCT的可控关断电流源型高压直流换流器电气应力和损耗特性分析

逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate-commutated thyristor,RB-IGCT)的出现,为可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)的研究奠定了基础。为了推动器件在高压直流输电领域的应用,文中首先介绍最新研制的4500V/3000A逆阻IGCT的技术参数;其次,介绍CSC拓扑方案,提出子模块缓冲电路,能够实现器件的动态均压和IGCT取能的要求;接着,以换流阀电压和电阻损耗最低为约束条件,给出子模块串联数、缓冲电路参数设计和损耗分析等综合优化方法;然后,搭建250kV/750MW的LCC-CSC混合输电系统模型,给出缓冲电路和主要杂散参数的范围;最后,基于研制的4500V/3000A的逆阻IGCT子模块,验证所提缓冲电路的有效性,并对比分析在该参数下CSC、传统直流和柔性直流的损耗情况。结果表明,由逆阻IGCT串联构成的CSC,相对于传统直流换流阀具有可控关断的技术优势,相对于柔直换流阀,具有器件少、损耗低等优势。

可控电流源型换流器换流应力分析

可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)是解决直流输电换相失败问题的有效方法之一。对其开展电气应力分析是换流器电气、绝缘和试验设计的理论基础,其相关研究仍属空白。该文在分析CSC运行原理和调制方法的基础上,首先研究在主动换相与强迫换相过程中,换流阀及关键部件的应力特性;其次,给出逆阻集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate commutated thyristor,RB-IGCT)周期关断的建模方法,提取4500V/3000A器件的建模参数。最后,建立“器件–换流阀–系统”详细仿真模型,对250kV/750MW的直流系统进行仿真分析,提取主动和强迫换流过程中的整机和关键部件的应力特性。结果表明,所提理论分析方法和参数计算能够为CSC的电气设计和等效试验提供技术支撑。

大面积IGCT的关断失效机理研究

为了提高大面积集成门极换流晶闸管(IGCT)的最大可关断电流处理能力,以直径为91 mm的4.5 kV大面积IGCT为研究对象,针对其在研发过程中频繁出现的距离门极接触较远的外环失效现象,首先建立大面积IGCT芯片的仿真结构模型,然后给器件施加相应的关断应力,对器件的关断特性进行仿真分析。结果表明,距离门极接触较远的阴极环单元接收到的关断信号存在延迟,造成器件换流期间的内、外环部分电流分布不均匀,而动态雪崩效应的发生会加剧这种电流向外环的聚集效应,直至雪崩诱发的电流丝产生后,造成外环的阴极单元被重触发,最终导致器件因局部温升过高而失效。采用径向载流子寿命控制可抑制大面积IGCT因信号延迟造成的电流不均匀分布效应,提高器件的最大可关断电流能力。

基于IGCT的大容量直流变压器设计

大容量直流变压器(HDCT)是直流组网的核心设备,这里设计了基于集成门极换流晶闸管的HDCT(IGCT-HDCT),通过最小回流功率注入的方式实现了直流变压器(DCT)全功率范围下的零电压开通,在此基础上,增加了关断缓冲电容进而实现了准零开关损耗。同时,利用IGCT通态压降低的优点降低系统通态损耗。最后,研制了1.5 kV/2 MW的HDCT样机,验证了所提方案的有效性。