金属氧化物半导体控制晶闸管的di/dt优化

金属氧化物半导体控制晶闸管（MCT）相比于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）具有高电流密度、低导通压降和快速开启等优势,在高压脉冲功率领域具有广阔的应用前景。作为脉冲功率开关,MCT开启过程对输出脉冲信号质量有很大影响。采用理论分析并结合仿真优化重点研究了MCT开启瞬态特性。通过对MCT开启过程进行详细地理论分析推导,给出了MCT开启过程中阳极电流和上升时间的表达式。结合Sentaurus TCAD仿真优化,将MCT开启过程中电流上升速率（di/dt）由40 kA/s提升至80 kA/s,极大地改善了器件开启瞬态特性。最后,总结提出了提高器件开启瞬间di/dt的设计途径。

基于直流断路器动作响应的环状柔性直流配电网后备保护方案

直流配电网由于供电能力强、线路损耗小、电能质量高等优点,已经成为未来配电网的发展趋势。柔性直流换流器过载能力差,且直流线路故障时,换流器直流侧电容向故障点提供数值很大的放电电流,对环状直流配电网继电保护的快速性和选择性提出了极高的要求。此外,一方面直流故障电流分断困难,技术尚不成熟,直流断路器存在拒动风险;另一方面,即使换流器闭锁后,仍然需要继电保护识别故障位置并采取故障隔离措施,以保障重启动和恢复过程的顺利进行,因此环状直流配电网的后备保护也应得到足够的重视。提出一种基于直流断路器动作响应的环状柔性直流配电网后备保护方案,分析了直流故障线路一侧断路器拒动情况下,相邻非故障线路上限流电抗器的电压变化特性,提出基于直流电流二阶变化率的故障识别判据和故障隔离方案;其次,分别考虑了高阻故障和故障线路两端直流断路器非同期分断等问题,提出基于直流电流一阶变化率的辅助判据和基于电流二阶变化率数值和方向的闭锁判据,以提升后备保护方案的整体性能;最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建电磁暂态仿真模型,验证了所提方案的有效性,结果表明:该方案动作无需通信,耐过渡电阻能力强,不受交流侧故障影响,能够在直流断路器动作后快速启动并为柔性环状直流配电网提供有效的后备保护。

基于固定时间判断的电流增量保护优化方案

为解决地铁直流牵引供电系统出现阶跃波形时引起的保护误动问题,提出了一种基于固定时间判断的电流增量保护优化方案。首先,阐述了电流增量保护优化方案;然后,在固定时间内通过动态判断电流变化率与电流增量确定触发保护动作出口;其次,为电流增量保护优化方案设计出完整的数据处理流程;最后,通过实验进行功能验证。实验结果表明电流增量保护优化方案能有效解决系统出现阶跃波形时的保护误动问题。

利用基波电流相量变化率识别行波保护中雷击干扰

输电线路遭受非故障性雷击可能会造成行波保护误动。针对该问题,通过分析短路故障、故障性雷击及非故障性雷击产生的附加电流分量的特征,提出利用基波电流相量变化率快速识别雷击干扰的方法。线路发生短路故障或遭受故障性雷击,附加电流分量中的衰减直流分量和基波故障分量导致基波电流相量变化率迅速增大;线路遭受非故障性雷击,雷击后基波电流相量变化率较小。利用S变换确定雷击或故障的起始时刻,依据起始时刻之后基波电流相量变化率的大小识别雷击干扰。EMTDC仿真结果验证了所提方法的有效性和可靠性。

柔性直流电网架空线路快速保护方案

基于柔性直流输电的直流电网技术,是大规模清洁能源接入电网的有效手段,直流电网快速线路保护是其面临的重要技术挑战之一。以国内计划建设的张北直流电网工程为背景,提出了一套适用于全网配置直流断路器、采用架空线输电的对称双极直流电网线路快速保护方案。保护仅利用单端信息进行故障判别,且保护数据窗短,满足速动性的要求;保护采用电压梯度快速检测故障,利用限流电抗器对故障电压信号的平滑作用实现故障区间的判别,并根据零模与一模电压传播特性的差异判定故障极,实现保护的选择性与高可靠性。结合直流电网的PSCAD模型,验证了所提出方案在不同故障情况下的保护性能,并分析了保护对运行方式改变的适应性。

基于电流变化率的短路检测保护方法

介绍了基于电流变化率的短路检测保护方法,该方法采用单片机检测这一变化率,实现了短路检测和保护,解决了短路故障电流波形变化与其他故障电流波形变化的区分问题以及干扰电流波形突变与短路电流波形突变的识别问题,通过开发的新型煤电钻综合保护装置,验证了该方法的有效性和准确性。

电力电子实验装置中的晶闸管保护

在晶闸管变流电路中,应对晶闸管设置必要的过压保护、过流保护、di/dt保护、du/dt保护电路,以保证变流装置的正常运行.电力电子实验装置中虽对晶闸管设置了一定的保护措施,但晶闸管依然经常损坏.分析了这种保护措施的可靠性及晶闸管损坏的原因,并提供了解决问题的方法.

电流变化率和电流增量保护滤波算法研究

分析了几种常用滤波算法对DDL(电流变化率和电流增量)保护的适用性,提出了滤波算法应用的新思路:用中值滤波后的电流波形作为保护启动判据;用小波滤波后的电流波形作为保护出口判据,兼顾接触网短路故障时保护装置动作的快速性和可靠性,解决当前DDL保护存在的问题。通过建立地铁直流供电系统DDL保护装置滤波算法的数学模型,在MATLAB环境中仿真,通过系统样机模拟试验等手段验证了保护配置的正确性与合理性。

抗晃电的快速保护方案研究

晃电严重影响化工、冶金等工矿企业的生产安全。现有的治理晃电措施主要从用电设备着手,理想的办法是从晃电本身着手,快速切除故障或者投入备用电源,把晃电过程时间降到对用电设备影响最小。从快速切除故障方面来降低晃电的影响,分析故障前后电流采样值的大小和变化率,从而制定出以电流采样值的变化率和绝对值共同识别故障的快速保护方案。为了提高故障识别的准确性,在判断之前消除正常运行时直流分量的影响。经仿真验证,该快速保护方案能够对系统中任何类型的故障都能够快速、准确地识别出故障,在故障后5 ms使继电保护出口动作。

地铁牵引供电系统直流馈线保护

本文介绍了牵引供电系统中所采用的几种直流馈线保护方法﹐详细分析了过流保护﹑电流变化率di/dt保护和电流增量保护的基本保护原理﹐举例说明了如何通过对电流增量 I和电流上升持续时间t的测量来区分故障情况和正常运行情况﹐并给出了典型牵引供电系统中各保护定值的设定原则。

电流变化率保护的滤波算法

本文简单介绍了电流变化率保护的原理,并通过数学推导导出了一种直流滤波算法。该算法可以滤去短路电流中的交流谐波分量,得到直流电流变化率的准确结果。通过仿真分析验证了该滤波算法的有效性。

基于直流电压变化率的直流电网直流故障保护

研究了基于直流电压变化率的直流电网直流故障监测与隔离。介绍了量测直流电压变化率的原理,分析了直流限流电感、直流故障位置、直流故障类型、故障电阻值及量测时间常数对直流电压变化率的影响。在PSCAD/EMTDC下搭建了四端口环形直流电网,选择了各直流断路器的整定值,当电压变化率超过整定值时判定发生区内直流故障,给直流断路器开断信号,从而触发断路器动作来清除直流故障。通过对极对地、极对极故障的仿真,验证了所研究方法的可行性。

一种检测短路保护的新型煤电钻综合保护装置

新装置采用全数字化抗干扰设计。解决了现有产品短路保护动作时间长、保护距离短、打钻时短路保护误动作、抗干扰能力差、精确度低、调整困难等问题。

基于故障电流变化率的本安短路保护电路设计

针对目前矿用本安电源存在的保护反应速度慢、输出功率小,无法满足井下用电需求、制约井下集成化和智能化生产的问题,设计了一种基于故障电流变化率的本安短路保护电路。本文将本安电源等效为电势电容电路并进行短路故障特性分析,发现短路后故障电流迅速上升并发生突变;设计了基于故障电流变化率的本安短路保护电路,能够快速准确检测本安电源短路故障;本质安全性能测试结果表明:在发生短路故障后瞬态输出能量为80.667μJ,自恢复和软启动性能稳定,满足设计要求。

基于故障电流变化率的大功率本安电源设计

针对现有本安电源存在的输出功率小、保护效果差、动态响应速度慢等问题,设计了一种基于故障电流变化率的大功率本安电源。将本安电源等效为电势电容(EC)电路,分析了EC电路短路故障特性:短路初始阶段火花放电电流迅速上升,电流变化率会发生突变。通过检测短路故障后电路中故障电流变化率的值,可以提前预知故障状态,在故障电流达到传统电流保护方法所设置的保护阈值之前便触发保护功能,并在短路故障的初始阶段切断输出回路,提高本安电源的输出功率。大功率本安电源包括开关电源和本安保护电路2个部分:开关电源采用反激变换结构,其控制电路以UC3842为核心,反馈电路以光耦与三端稳压器TL431为核心;本安保护电路基于故障电流变化率来限制火花放电的能量,主要包括故障检测电路、比较电路、自恢复电路、软启动电路、驱动电路。本安电源样机性能测试结果表明,交流输入电压在90~265 V波动时,本安电源功率因数不小于0.96,输出直流电压纹波在20 mV以内,电源效率在85%以上。短路实验结果表明,本安电源在发生短路故障后的瞬态输出能量为65μJ,满足设计要求。

6.5 kV SiC光控晶闸管的研制

基于Sentaurus TCAD软件,研制了一款6.5 kV SiC光控晶闸管。通过优化雪崩击穿模型,对多层外延材料的规格及渐变终端技术进行研究,有效抑制了芯片表面峰值电场,实现了6.5 kV的耐压设计;此外结合实际应用需求,对器件的开通特性进行了仿真模拟。在4英寸(1英寸=2.54 cm)SiC工艺平台制备了6.5 kV SiC光控晶闸管,并对器件性能进行了测试。测试结果显示,芯片击穿电压超过6.5 kV,在4 kV电源电压以及365 nm波长紫外光触发的条件下,器件导通延迟约为200 ns,脉冲峰值电流约为2.1 kA,最大导通电流变化率(di/dt)达到6.3 kA/μs,测试结果与仿真模拟结果基本一致。

基于单端电流积聚量的高压直流输电线路全线速动保护

传统的高压直流输电线路单端量保护存在高阻故障时灵敏度较低的问题。该文分析正向区内外故障时本端电流波形波动特征,区内故障时电流波形波动程度大于正向区外故障。提出差分电流积聚量和负变化率电流积聚量等单端电流积聚量以有效识别波形波动程度。以差分电流积聚量为动作量,负变化率电流积聚量为浮动门槛,构造浮动门槛电流积聚量判据以可靠区分正向区内外故障,并给出相关定值的整定方法。另外,利用电流突变量构造突变电流积聚量方向判据以判别故障方向,利用差分电流幅值最大值构造防雷击干扰判据以防止雷击时保护误动。仿真结果表明,该文保护在高阻故障时具有高灵敏性和快速性,线路末端经800Ω过渡电阻故障时保护动作时间不大于2.8ms。该文保护仅利用单端线路电流,对数据采样率要求不高,运用电流全量构成判据且算法计算量小,具有很强的工程实用性。

基于PCB罗氏线圈的SiC MOSFET简化短路保护电路研究

随着宽禁带器件的发展,碳化硅金属–氧化物半导体场效应晶体管(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,SiC MOSFET)被广泛应用,对其短路保护的研究成为了保障电力电子设备可靠性的重要课题。文中提出一种基于PCB罗氏线圈的Si C MOSFET简化短路保护电路。相比于已有的积分式罗氏线圈短路检测方案,所提出的方案改进了其复杂且高成本的信号处理电路,可以根据设定的电流变化率阈值和故障时间阈值直接诊断器件的电流工作状态,并实现快速、准确、可靠的短路保护。文中分析Si CMOSFET的短路行为以及寄生参数对短路检测的影响;着重研究PCB罗氏线圈结构和电路参数的设计过程;为避免保护电路误动作,对干扰过程进行分析和验证,并提出相应的干扰抑制方案。最后通过多组实验验证所设计电路参数、干扰抑制方案的有效性及短路保护功能的可靠性。

一种具有多重保护功能的新型IGBT驱动器

分析了IGBT的开关过程,针对IGBT的开关特点设计了具有多重保护功能的新型IGBT驱动器,并进行了对比试验研究以及模组级短路试验研究。试验结果表明,该驱动器具有更好的驱动特性和保护性能,桥臂直通短路保护速度提高了5倍,短路功耗下降了71%。

交直流混合微电网保护方案的研究

交直流混合微电网中存在的分布式电源含有大量的电力电子器件,与配电网相连时,将会改变微电网的拓扑结构和潮流方向,传统的差动保护已经很难满足其保护的可靠性与速断性要求。因此,提出一种交直流相互配合的改进型差动保护方案。该方案通过分析交流母线电流变化率的大小,同时与直流侧相互配合确定保护动作区域,进而准确迅速的切除故障区域。仿真结果表明,该方案提高了交流系统保护与直流系统保护的相互配合,对交直流混合微电网的稳定运行具有重要意义。