IGBT极限功耗与热失效机理分析

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的最大功耗是安全工作区的重要组成部分,与外部散热装置、内部热阻以及使用工况等有关,而器件手册给出的最大功耗是理想值,难以反映实际工况,若设计不当会造成IGBT热击穿失效。基于对IGBT功耗以及结-壳稳态热阻的温度特性分析,通过联立IGBT功耗的温度曲线和结-壳传热功耗的温度曲线进行热平衡分析,得到了结温的热稳定点、非稳定点以及临界点,由此得到了在临界点处的IGBT极限功耗,对在非稳定点时IGBT结温和功耗间的正反馈关系分析了IGBT热失效机理,最后进行了实验验证。

IGBT极限电流与通态极限功耗的研究

重点对绝缘门双极晶体管（ＩＧＢＴ）的极限电流与极限功耗进行了研究。在ＩＧＢＴ输出特性上，过电流状态下，因其功耗过大引起温度升高导致热击穿以及在过电流时由于ＩＧＢＴ导通时间延长引起的热击穿都可造成ＩＧＢＴ损坏。文章从器件模型理论出发，阐述了ＩＧＢＴ损坏前的两种极限参数：过电流时极限能耗参数Ｅｄｍａｘ＝∫ｔｍａｘ０ｉＡ（ｔ）ｕｃｅ（ｔ）ｄｔ及过电流时在输出特性上通态功耗极限参数ＰＭ。

双馈抽水蓄能机组无功调节极限能力研究

由于可变速双馈抽水蓄能机组(doubly-fed pumped storage unit, DFPSU)的运行不再受到静稳极限的限制,其吸收无功功率的进相能力相较于传统同步发电机来讲得到了增强,但整体调节能力又将受限于定子绕组温升、转子绕组温升和最大转子电压。本文采用了更有利于DFPSU功率分析的Γ型等效电路,将机组运行过程中的定转子功率、损耗功率重新组合分析,得出了限制机组运行功率极限的主要因素。根据理论推导和DFPSU机组实际参数首先画出了以定子电流和转子电流极限为边界的P-Q圆图,进而专门探究双馈电机最大转子电压极限在不同转差条件下的运行边界和无功调节极限,分析了转差率s和转子电压极限圆图之间的关系。最后通过在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型验证了DFPSU无功调节极限理论边界的正确性,根据某可变速抽水蓄能机组实际参数的仿真结果,发现当转差率较大时转子电压极限将会成为限制无功调节范围的关键因素。

发电机无功极限诱导分岔的机理分析及预防策略

研究由于发电机励磁电压限制导致的极限诱导分岔,发现临界限值的存在并提出一种极限诱导分岔的机理解释。当极限大于临界限值时,系统遇到极限才发生极限诱导分岔。计算临界限值及其对参数的灵敏度,根据灵敏度信息,可通过调整参数消除极限诱导分岔。提出一种极限诱导分岔的机理解释,即极限诱导分岔反映了动态无功源在维持系统电压稳定性中的重要性。并利用该机理对临界限值及灵敏度结果进行分析。研究静态无功源对极限诱导分岔的影响。静态的电容器补偿虽能增加负荷裕度,但加大了系统电压稳定对动态无功源发电机的依赖性,系统更容易发生极限诱导分岔。

计及滤波电路损耗和多重限制的DFIG无功极限计算

风电机组的无功控制可极大提高风电场的灵活性,准确求取无功控制安全运行域不仅可以为各种控制策略的实现提供可靠边界,还可以减少无功补偿装置投资。文中以目前的主流机型——双馈感应发电机(DFIG)为研究对象,建立了其dq旋转坐标系下的数学模型。在此基础上,结合矢量控制的定向方式,对定子无功极限,考虑转子侧变流器(RSC)容量、RSC运行电流以及DFIG容量3个限制因素;对网侧变流器(GSC)与电网交换的无功,考虑GSC容量和最大运行电流2个限制因素,推导了计及网侧滤波电感无功损耗的无功极限解析式。最后,时域仿真验证了解析式的正确性,基于算例参数的仿真结果表明,计及网侧滤波电感损耗最大能避免总无功出力8%的误差,DFIG无功极限计算需要综合考虑多重限制因素。

混合风电场无功极限的研究

由于客观条件的制约,我国风电场普遍存在弃风现象。针对由双馈感应异步发电机(DFIG)和鼠笼式异步发电机(SCIG)组成的风电场,根据电网调度中心向风电场下达的有功出力指令,建立模型用以确定风电场发出最大感性无功功率(无功极限)的有功调度方案,以充分发掘风电场本身的无功调节能力。该方案可以减少附加无功补偿装置的投切次数以及为其无功补偿的容量提供参考。通过在PSCAD平台上建立混合风电场模型,验证了模型的有效性。

机电功率扰动下的功角极限环特性

功角振荡会破坏电力系统稳定性,影响系统可靠运行,针对功率扰动引起功角振荡问题,建立单机无穷大系统的数学模型,并利用求解弱非线性方程的平均法,研究该系统随着机电扰动的功角响应特征,导出机电功率扰动下幅值平方变化规律在受到机械功率的周期性扰动的作用下,系统会出现一个极限环,在受到电磁功率扰动时,系统会出现3种不同的最终状态,最终稳定于哪个状态,取决于系统的初始状态和扰动的幅值和频率,相图研究结果证明该理论的正确性。

不对称电压跌落下双馈风电机组无功极限分析

文章分析了定子侧最大电流对DFIG在不对称电压跌落下无功极限的限制。根据3种限制因素,以及4种不同控制目标下,转子正负序dq轴电流与给定定子有功、无功的关系,得到无功极限曲线。根据无功极限曲线设计功率限幅器,并在DFIG机组上进行仿真,结果表明,该限幅器可以有效地减小crowbar投入次数,提高系统低电压穿越能力。

含风电场的配电网无功优化策略研究

针对传统的配电网无功优化调节手段离散化、难以实现电压的连续调节等问题,研究了含风电场的配电网无功优化模型和算法,分析了双馈感应电机的无功发生能力,将风电场作为连续的无功调节手段参与配电网无功优化。并针对风电出力随机性的特点,用场景功率描述风电的随机出力,使之更具代表性。考虑了配电网的网损、电压偏差以及电压稳定性指标,建立了多目标无功优化模型。提出了基于量子粒子群算法(QPSO)的无功优化方法,该算法通过波函数描述粒子的状态,增加了种群的多样性,有效地避免了种群早熟等问题。用该算法对改进的IEEE33节点进行无功优化计算,并和粒子群算法(PSO)进行了比较,结果表明量子粒子群算法能更好地达到全局最优解,收敛速度更快,证明了优化模型和算法的有效性。

考虑极限诱导分岔的电压稳定研究

研究由于电力系统变量限制导致的极限诱导分岔对电压稳定的影响。给出了发生极限诱导分岔可能出现的条件。提出了变量达到输出极限导致极限诱导分岔时,影响系统电压稳定与否的判据,该判据改变了传统上用求解雅克比矩阵特征值的方法来判断电压稳定性,转而用收敛矩阵来判断稳定与否。对极限诱导分岔影响电压稳定进行了机理解释。研究了增大无功源对极限诱导分岔的影响。将提出的判据方法在单机和多机系统上进行了实验,数字仿真算例验证了所提出分析方法和机理解释的正确性和有效性。

基于极限诱导分岔的电压稳定分析

给出了达到无功越限后,可能出现极限诱导分岔的条件;提出了变量达到输出极限导致极限诱导分岔时,影响系统电压稳定与否的判据;给出了极限诱导分岔影响电压稳定的一种机理解释。极限诱导分岔反映了动态无功源在维持系统电压稳定性中的重要性,并研究了增加无功源对极限诱导分岔的影响。数字仿真结果进一步验证了文中所提出方法和机理解释的正确性。

考虑双馈电机风电场无功调节能力的配电网无功优化

针对目前配电网无功优化中没有考虑具有灵活无功调节能力的并网双馈电机风电场为系统提供无功支持的问题,研究了考虑双馈电机风电场无功调节能力的配电网无功优化模型和算法。分析了风速预测误差对双馈电机风电场无功容量的影响,将双馈电机风电场无功容量极限作为约束条件,在最大效率利用风能的前提下将双馈电机风电场作为连续无功源参与配电网无功优化,建立了以系统有功网损与节点电压偏差之和最小为目标函数的无功优化模型,把含双馈电机风电场的配电网无功优化问题转换为一个多约束的非线性混合整数优化数学问题,并采用粒子群优化(PSO)算法进行求解。利用IEEE 33节点系统作为算例进行了仿真分析,结果验证了所提出的算法的有效性。

电力市场下含双馈电机风电场的电力系统无功优化

在电力市场环境下,为无功制定一个合适的价格有利于调动供应商的积极性。在考虑将含双馈电机风电场作为连续无功源参与电力系统无功优化的基础上,分析了同步发电机和双馈电机风电场的无功计价模型,建立了以有功网损和无功购买费用最小为目标函数,包含各种运行约束条件的含双馈电机风电场的电力系统无功优化模型,并采用改进粒子群优化算法进行求解。以IEEE-30节点系统为例进行了仿真计算,结果表明所采用的无功优化模型和算法的正确性、适用性和较好的经济性。

计及分布式电源无功出力的ISFLA算法配电网无功优化

针对含分布式电源的配电网无功优化的特点,将分布式电源的无功调节能力和传统无功调压手段相结合,研究了考虑分布式电源无功调节能力的配电网无功优化模型和算法。针对分布式电源出力的随机性,采用场景概率的决策方法计算分布式电源的出力情况和对应无功功率极限,以网损最小和节点电压越限惩罚作为目标函数。提出了基于免疫蛙跳算法(ISFLA)的无功优化算法,该算法通过在混合蛙跳算法(SFLA)的算法框架中引入克隆选择算法(CSA),在蛙群混合后选择较优解进行克隆、变异和选择,克服了SFLA局部搜索能力弱的特点。利用改进IEEE33节点系统作为算例仿真分析,结果验证了模型及算法的有效性。

大规模风电并网时双馈风机无功出力研究

为了减少大规模风电并网时在无功补偿设备上的投资,在采用双馈风机的风电场中,应当充分利用双馈风机本身发出无功功率的能力。将双馈风机发出无功的能力与无功补偿设备配合使用,提高风电场的运行效益。首先分析了双馈风力发电机无功发出极限,考虑风机定子、转子的无功出力约束及机组运行稳定性的限制。其次介绍了无功功率的控制与分配问题,通过一套综合的无功控制系统,采用了按照剩余无功极限比例分配的方法在各个机组之间分配无功,使所需的无功补偿设备大大减少,从而提高了风电场运行的经济性。

电压稳定极限诱导分岔点快速追踪方法

电力系统极限诱导分岔往往是由无功越限引起的,据此提出一种极限诱导分岔点快速追踪方法。首先给出了无功越限导致系统电压失稳的判据。远离分岔点时利用局部曲线拟合技术,自适应确定负荷增长步长,快速逼近分岔点;在靠近分岔点处采用二阶灵敏度方法对增长步长内PV节点到PQ节点转换的PV节点集触发无功上限排序,校正负荷增长步长,再结合步长折半搜索方法和分岔点判据很容易追踪到系统的极限诱导分岔点。对IEEE 118节点测试系统的计算结果表明,所提方法是快速、实用的。

故障下双馈感应风力发电机无功协调控制策略

提出基于改进式双馈感应风力发电机模型的无功协调控制策略,以提高电网故障下双馈风机的无功调节能力。在DIg SILENT/Power Factory平台上,搭建改进双馈风机的详细模型。利用DC-Chopper和串联动态制动电阻代替Crowbar保护电路,以实现背靠背变流器持续为电网提供无功支撑。通过协调分配风电机组定子和网侧变流器及补偿单元之间的无功功率参考值,来提升电压控制点的电压。与传统控制方法相比,所提控制策略可以充分利用变流器的无功发生能力,扩大电网故障时风电场的无功输出范围,减小无功补偿装置的投资,并提高风机的低电压穿越能力。

基于功率圆的特高压线路输电能力分析

基于精确分析特高压线路输电能力的系统模型,结合特高压输电系统运行时的热极限、功角极限和电压约束,给出了用功率圆分析有功功率、无功功率与给定输电系统参数三者之间关系的方法.对于给定的特高压输电系统,功率圆不仅能方便地量化其运行区域,且能快速确定其输电能力的限制因素.对晋东南—南阳—荆门特高压交流实验示范工程进行了仿真,结果验证了方法的有效性.

考虑电缆选型双馈机组分散协调控制对风电场无功优化影响

随着技术发展,双馈式风力发电机成为风电场主流,风电场内部电压波动及网络损耗优化研究也越来越重要。该文基于风机位置的电缆选型,分析双馈机组的无功极限,充分利用风机无功调节能力,将每台风机无功出力、静止无功补偿装置无功出力作为连续控制变量,有载调压变压器分接头位置及风电场固定无功补偿器组数作为离散控制变量,建立综合考虑风电场有功网损和总电压偏差的目标函数,并通过线性递减权重粒子群算法进行分析,得到风电无功优化最优解。通过算例表明:考虑电缆选型的双馈式风力发电机分散协调控制能有效降低网损及电压波动。

考虑光照概率性的含光伏发电系统的配电网无功优化

针对含光伏(photovoltaic,PV)发电系统配电网无功优化的特点,将PV发电系统无功调节能力和传统无功调压手段相结合,研究考虑PV发电系统无功出力的配电网无功优化模型和算法。针对PV发电系统出力受太阳辐照度影响的特点,建立基于太阳辐照度β分布的PV发电系统出力概率模型,分场景计算其出力情况和对应无功功率极限,以网损最小和节点电压越限惩罚作为目标函数;同时提出基于免疫蛙跳算法的无功优化算法,该算法通过在混合蛙跳算法(shuffled frog-leaping algorithm,SFLA)的框架引入克隆选择算法(clonal selection algorithm,CSA),在蛙群混合后选择较优解进行克隆、变异和选择,克服了SFLA局部搜索能力弱的特点;最后利用改进IEEE-33节点系统作为算例仿真分析,验证了模型及算法的正确性和有效性。