基于逆阻型IGCT器件的固态式直流断路器设计及研制

直流系统是支撑高比例新能源接入与灵活高效用能的重要技术方向。固态式直流断路器(solid state DC circuit breaker,SSCB)具有开断速度极快、无电弧、寿命长等优点,在中低压直流系统的故障保护中得到广泛应用。随着电力电子器件的发展,固态式直流断路器的拓扑结构、工作性能也在不断进步。为此基于逆阻型集成门极换流晶闸管(intergated gate commutate thyristor,IGCT),提出了一种新型的固态式直流断路器结构及设计方法,通流支路采用逆阻IGCT反并联结构实现双向通流,缓冲支路采用金属氧化物避雷器(metal oxide varistor,MOV)-电容结构来抑制过电压,吸能支路采用MOV吸收系统能量。进一步地,给出了关键元器件的参数设计方法,并验证了有效性;设计了性能良好的重力热管散热器,单个模块散热功率可达700 W;提出了主被动结合的控保策略,提高断路器的保护性能。最后,研制了固态式直流断路器样机,可用于750 V以内的低压直流系统,额定通流可达2 kA,可在百微秒内开断10 kA故障电流,成本低、体积小、高可靠,具有良好的应用前景。

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。

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。

基于IGCT串联的电流源型融冰装置

针对冬季输电线路覆冰问题,提出一种基于集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor,IGCT)串联的电流源型直流融冰装置及其控制方法。该融冰装置采用电流源型整流器拓扑,兼有直流侧融冰与交流侧无功补偿的功能。所提控制方法首先采用瞬时功率理论分解交流侧的瞬时有功、无功,根据融冰功率与交流侧无功补偿需求分别进行有功、无功双环解耦控制。为节约装置成本、减少传感器使用,提出一种不依赖电容电压传感器的控制方法,通过网侧电压、电流的差分计算得到LC滤波器的电容电压。为抑制高频谐波对控制系统的不良影响,引入虚拟电阻控制单元对LC滤波器的高频谐波进行前馈抑制。最后,考虑具体应用场景设计1台交流侧电压10 kV、最大融冰电流1000 A的融冰装置样机,通过实验验证了所提技术方案和控制方法的有效性。

一种基于IGCT的地面自动过分相方案及其电压切换控制策略研究

针对传统基于晶闸管的地面自动过分相系统中电力机车仍存在毫秒级的失电时间且可能面临励磁涌流的问题,提出一种基于集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor,IGCT)的地面自动过分相方案,采用IGCT取代晶闸管阀组进行中性区电压切换,实现开关开通和关断时间的完全可控。进一步基于磁链分析,以中性区电压切换后电力机车主变压器不产生磁偏为控制目标提出不同供电臂相位差情况下基于IGCT的地面自动过分相方案的电压切换控制策略,并搭接仿真模型对其工作效果进行验证。仿真结果表明,所提方案可以将列车的失电时间进一步缩短至几百微秒且有效避免电力机车主变压器的励磁涌流,减小电分相对列车运行的影响。

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。

6英寸IGCT器件紧固力的适应性研究

IGCT作为一种高功率等级的全控型压接器件,随着器件直径扩大及应用串压级数增加,紧固力的设计至关重要。文章以6英寸6 000 A/4 500 V逆阻型IGCT器件为例,分析紧固力不均造成的器件性能影响,并优化IGCT阴极梳条局部跨距和采用边缘门极结构设计。试验结果表明,优化设计的器件在额定紧固力范围内不再出现门阴极性能异常,且紧固力适应性提升20%以上。

一种IGCT三电平变流器极限功率试验方法

提出一种可以评估大容量IGCT三电平变流器极限功率输出能力的测试方法。基于同步对称PWM调制及温度估计模型进行IGCT三电平变流器功率实验,可测试不同负载功率因数下、可逆运行下的设备容量,实现对功率器件温升的准确评估。该方法采用PWM脉宽实时调节的方式改变负载电感两端电压差,相比于一般同步调制方法直接改变查表角度或查表电压的方式,进一步减小了电流纹波,使测试电流更贴近实际情况。

基于IGCT控制模块用有源晶振上电稳定性研究

本文重点研究晶振的测试方法及优化晶振电路的设计方案。利用稳定的测试系统采集波形,正确的分析方法判别风险,合理的设计方案优化电路,最终解决了模块提前启动或者不启动的异常,同时提升了IGCT控制模块的可靠性和稳定性。

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。

基于IGCT的高压三电平变频器失效机理及保护策略

在分析了三电平变频器拓扑结构特点和IGCT结构特性的基础上,讨论了基于IGCT的高压三电平变频器失效机理及保护策略,提出了针对IGCT的全保护概念。对其安全运行区域进行了详尽的分析,结合实例给出定量的安全区域设计原则和相应的保护措施。

用于大功率变流器的IGCT功能型模型(英文)

IGCT(集成门极换流晶闸管)由于其优越的性能在中压大功率变换器领域中正逐渐得到广泛应用。该文描述了一种适用于高压大功率变流仿真和计算机设计的IGCT功能型模型,该模型是依据IGCT的主要外部物理特性,在PSIM软件包下建立的等效电路。此模型的主要特点就是计算速度快,参数求解简单。该文详细描述了该模型的等效原理和模型构成,并根据IGCT—5SHX08F4502给出了模型主要参数。仿真和实验结果对比表明该模型具有一定的实用性。

IGCT和IEGT——适用于STATCOM的新型大功率开关器件

硬驱动概念的出现极大地改进了门极可关断晶闸管 (GTO)的关断性能 ,并导致了集成门极换向型晶闸管 (IGCT)的出现。IGCT在 GTO技术的基础上 ,采用新技术集成了硬驱动门极驱动电路及反并联二极管 ,使器件不需关断吸收电路、可靠性更高、工作频率更高 ,易于串联工作。电子注入增强门极晶体管 (IEGT)是东芝公司于 1 993年开发出的新一代电力电子器件。它具有通态压降低、门极驱动简单、开关损耗小、串联运行容易等诸多优点。 IGCT和 IEGT将逐步取代 GTO广泛应用于中等电压大容量变流器中。文中简要地介绍了 IGCT和 IEGT的基本结构、工作原理、性能比较 ,以及在静止补偿器和逆变器中的应用情况。

采用IGCT电压型三电平逆变器的高压变频调速器

集成门极换向型晶闸管 ( IGCT)的优良性能使其适合于实现高—高方式的高压变频调速装置。文中提出了基于 IGCT中点箝位电压型三电平逆变器的高压变频调速装置主电路 ,并给出了一台 6k V/1 80 0 k VA高压变频调速装置的实现。装置交流输入侧采用变压器隔离的 2 4脉冲整流电路来保证输入侧功率因数大于 0 .96,中间直流环节直流电压为 1 0 k V,逆变部分采用中点箝位( NPC)电压型三电平逆变器输出三相 6k V线电压 ,每只开关器件由 2只 4.5 k V IGCT器件串联构成。逆变器采用变频的特定谐波消除脉宽调制 ( SHE- PWM) ,且输出侧采用 LC滤波器来减小输出电压的谐波畸变率及 dv/dt。装置采用 IGCT作为电子开关进行输出过电流保护。装置实验表明 ,这种高压变频器具有很好的性能及可靠性。

7.5MVA大功率三电平IGCT交-直-交变流器

大功率三电平交-直-交变流器由于具有优良的性能,得到越来越广泛的应用。本文首先介绍了7.5MVA大功率三电平IGCT交-直-交变流器的结构和控制系统,然后对IGCT元件试验、变流器系统仿真及试验等进行介绍。试验结果表明,该变流器达到了设计要求,具有良好的性能。

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。

基于IGCT串联的三电平高压变频器直流环节研究

将IGCT串联技术应用于中性点箝位型三电平高压大功率变频器,研究了变频器直流环节(包括限流电感、箝位电容及限流电阻)对变频器安全运行的影响。通过分析三电平结构的开关暂态过程,建立了变频器暂态开关数学模型,并设计了直流环节部分的限流电抗。在综合考虑三电平的开关过程、直流限流电感的大小及IGCT过压能力的基础上,研究了直流箝位电容对变频器逆变侧持续性直流电压的影响,并推导了直流箝位电容及限流电阻的设计要求。基于PDPWM调制方式,分析了限流电阻对死区时间、最小脉宽及开关频率对开通及关断di/dt的影响,并基于IGCT5SHX14H4502文中设计了6kV、2.5MW二极管箝位型三电平中压变频器直流环节,并通过了6kV高压试验的检验,仿真结果验证了所选参数的有效性。

高压变频器中IGCT的快熔保护

提出利用快速熔断器来实现高压变频器中IGCT器件的保护,在对高压变频器三电平逆变回路发生的“直通”故障分析基础上进行快熔计算选择,并分析所选快熔特性,最后给出结论。

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。