计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的柔直换流阀组件可靠性评估方法

基于模块化多电平拓扑的换流阀是柔性直流输电系统的核心装备,随着柔直换流阀运行电压、功率密度以及运行场景的不断拓展,其运行可靠性成为突出问题。现有的柔直换流阀可靠性评估方法忽略了金属化薄膜电容器与IGBT模块性能退化的耦合关系,致使评估结果不准确。为此,该文提出了计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的可靠性评估方法。IGBT模块寿命采用威布尔分布,考虑了换流阀运行过程中的任务剖面变化;基于Wiener过程对金属化薄膜电容器的可靠性进行了评估,利用Copula理论将容值退化程度与IGBT模块寿命之间的耦合关系进行了建模。所提可靠性评估方法修正了现有不考虑相关性方法对柔直换流阀可靠性评估结果,平均无故障时间从4.05年修正为5.20年,评估结果更加精确。

一种高性能低成本的中压异质器件混合型模块化多电平变换器及其控制策略

针对少子模块数的中压模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)装置损耗、成本等指标难以综合提升的问题,该文提出一种基于Si基绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)和SiC基金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)混合的模块化多电平变换器,简称异质器件混合型模块化多电平变换器(heterogeneous device hybrid MMC,HDHMMC)。HDHMMC由全Si IGBT的低频模块和Si IGBT与SiC MOSFET混合的高频模块组成。针对此拓扑提出一种特定的高低频混合调制策略,充分发挥Si IGBT通态损耗低、SiC MOSFET开关损耗低的优势。此外,详细分析了高低频模块的能量波动机理,并针对高低频模块直流侧电容电压不稳定问题提出一种特定的稳压策略。仿真和实验结果验证了HDHMMC拓扑及其调制、稳压策略的可行性。最后,将HDHMMC与现有MMC拓扑进行损耗与成本对比,证明所提拓扑可以更好地平衡成本、效率、功率密度等性能指标。

城市轨道交通列车牵引变流模块IGBT退化规律及检修策略研究

研究列车牵引变流模块IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的服役特性,了解其性能退化规律,对确定牵引变流模块合理检修周期具有重要意义,也是保障牵引变流模块安全稳定运行的关键。从器件结构角度分析了列车牵引变流模块IGBT热应力失效、电应力失效和湿度应力失效3种模式的失效机理;对上海轨道交通17号线列车牵引变流模块IGBT的电性能和热性能退化评估发现,IGBT的电性能和热性能都存在一定程度退化;根据评估结果提出了可靠性提升措施及检修策略:清理牵引变流模块的散热器风道;在牵引变流器柜内增加干燥剂;每日投入运营前,先对IGBT进行小功率预热;列车运行里程达100万km时,对IGBT再次进行性能评估。

面向输出性能优化的高低频混合型模块化多电平变换器及其调控策略

为破解中压模块化多电平变换器(MMC)输出性能提升与降本、增效难以有效兼顾的问题,该文提出一种基于高低频混合的新型MMC(NMMC)拓扑。NMMC每个桥臂包含1个由异质交叉连接模块(HCCM)构成的高频子模块和N-1个半桥变换器构成的低频子模块。HCCM的高频桥臂采用SiC MOSFET器件,而HCCM的换向桥臂及低频子模块均采用Si IGBT器件。针对NMMC拓扑,该文采用高低频混合调制策略,充分发挥了SiCMOSFET器件开关损耗低、Si IGBT器件通态损耗低的优势。此外,针对高频子模块提出一种特定的电容电压平衡策略,并详细分析高频子模块的工作状态。进一步地,仿真及实验验证了所提拓扑结构、调制策略、均压策略的可行性和有效性。最后,将所提拓扑与现有MMC拓扑在器件成本和运行损耗方面进行综合对比,证明所提拓扑可以更好地平衡装置的成本及效率指标。

考虑异质器件混用与输出电平倍增的混合型MMC及其调控方法

首先,为提高模块化多电平换流器(MMC)输出波形质量、降低装置运行损耗,提出一种基于Si和SiC器件组合应用的混合型模块化多电平变换器(HMMC)拓扑结构。该拓扑每个桥臂包含N个Si绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件的半桥子模块,每相交流侧串联一个直流侧电压为半桥子模块一半的SiC金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)全桥子模块,整体经济性较好。其次,提出一种面向输出电平数倍增的HMMC高、低频混合调制策略,并充分发挥SiC MOSFET开关损耗低的优势,在减小HMMC输出谐波的同时降低整体运行损耗。此外,分析混合调制策略下HMMC异质子模块直流侧能量的波动规律,提出一种高、低频模块直流侧电压稳定控制策略。最后,仿真和实验验证了所提HMMC拓扑结构和调制策略的可行性,并将所提HMMC、基于单一器件MMC和现有HMMC在损耗和成本方面进行综合对比,证明了该方案在降低损耗和减小成本方面优势显著。

基于逆阻式IGBT的三相/单相矩阵式变换器

针对三相/单相矩阵式变换器系统,提出一种平均电压脉宽调制方法,通过实时检测三相输入相电压,经过简单计算即可对输出进行正弦调制。采用新型开关器件逆阻式IGBT(RB-IGBT)实现了一台3kW的三相/单相矩阵式变换器样机,并针对RB-IGBT独特的漏电流特性,提出一种基于输入电压大小检测、适用于RB-IGBT的两步换流方法。实验结果表明,该样机可以实现正弦的输出波形。从而证明了本文提出的控制策略和换流方法的有效性和可靠性。

抑制IGBT器件结温的双馈风电变流器分段DSVPWM策略

针对双馈风电机组机侧变流器绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温波动大的问题,提出了一种抑制IGBT结温且不影响机组运行性能的机侧变流器调制策略。首先,基于不连续空间矢量调制(DSVPWM)在一定负载功率因数角可降低变流器开关损耗的思路,通过推导双馈风电机组机侧变流器功率因数角表达式,详细分析了机侧变流器功率因数角的变化范围。其次,为了有效抑制IGBT结温,针对机侧变流器功率因数角变化范围大的问题,提出以机侧变流器功率因数角变化范围为依据的分段DSVPWM策略。最后,建立了考虑IGBT热性能的双馈风电变流器电-热耦合模型,对机组不同出力下的变流器电-热性能进行了仿真分析。结果表明,与传统连续空间矢量调制(CSVPWM)策略相比,所提出的分段DSVPWM策略能有效抑制机侧变流器IGBT结温及结温波动。

基于有源电压控制法和无源缓冲法的IGBT串联均压技术

单个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)由于耐压的限制,在节能和改善电网电能质量、柔性直流输电、高压变频器、静止同步补偿器,以及有源电力滤波器等高压大功率电能变换场合还不能满足需求,而串联使用是一种较好的解决方案,但IGBT的串联使用需要解决一系列综合问题。文中结合有源电压控制(AVC)和无源电阻电容二极管(RCD)均压技术,从栅极驱动模块、参考电压波形、过流保护模块、无源缓冲电路参数计算等方面系统地描述了串联IGBT均压的综合解决方案。在此基础上研制了由4只IGBT模块串联组成的阀臂,并进行了脉冲试验,脉冲放电过程中阀臂中的每只IGBT均压稳定,电压过冲小于5%。在此基础上研制了一套3kV,600kVA的三相电压源换流器(VSC)样机,稳定地进行了额定功率的整流与逆变运行,验证了该IGBT模块直接串联技术的有效性与实用性。

考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型

为了更准确地描述大功率风电机组变流器IGBT模块内并联芯片的结温,提出一种考虑多热源耦合影响的变流器功率模块结温评估改进模型。从实际2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法分析IGBT模块内多芯片的结温分布和稳态热耦合影响。引入等效耦合热阻抗概念,推导功率模块芯片间热阻抗关系矩阵,并建立考虑多芯片热源影响的IGBT模块改进热网络模型。以某H93-2MW双馈风电机组为例,对比分析了不同功率损耗下改进模型的芯片结温计算结果与有限元和常规热网络模型结果。结果表明了考虑多热源耦合影响的风电变流器功率模块内部芯片结温计算的必要性和有效性,且热耦合影响程度与不同的芯片间距密切相关,需重点关注非边缘位置芯片的热分布。

基于壳温差的风电变流器IGBT模块基板焊层健康状态评估

风电变流器IGBT模块基板焊层脱落是重要是失效形式之一,现有基于红外成像技术的健康状态监测方法难以应用到实际风电变流器中,该文提出基于壳温差的风电变流器IGBT模块基板焊层健康状态评估方法。首先,基于实际风电变流器功率模块结构,建立IGBT模块三维有限元模型,分析不同基板焊层脱落度下芯片结温及壳温分布规律;其次,引入基板焊层劣化度概念,通过芯片定位、稳态过程识别以及基于BP神经网络的壳温值获取,建立基于壳温差的IGBT模块基板焊层状态评估模型;最后,通过风电变流器IGBT模块基板焊层脱落模拟实验,研究表明所提的基于壳温差可有效实现IGBT模块基板焊层健康状态评估。

储能变流器多时间尺度寿命评估方法

储能变流器是蓄电池与电网进行电能交互的关键装备,然而由于新能源出力与电力系统负荷的随机性和波动性,储能变流器的可靠性低,亟需对其进行可靠性评估以降低储能变流器非计划停机带来的经济损失,提升电网供电的稳定性和可靠性。然而现有研究多集中在对光伏、风电等新能源出力侧变流器进行可靠性评估,很少有对储能变流器开展寿命评估的研究。基于上述背景,提出一种考虑长时间尺度电力系统负荷和新能源出力任务剖面的储能变流器可靠性评估方法。以3.5 MW光伏储能变流器为例,结合结温数值迭代算法和解析寿命模型,评估不同时间尺度热载荷导致的寿命消耗。结果表明,光伏储能变流器中IGBT的寿命消耗大于二极管的寿命消耗,并且低频寿命消耗大于基频寿命消耗,因此需要重点减轻低频热载荷引起的IGBT寿命消耗,以提高储能变流器预期使用寿命。

双馈风电变流器IGBT模块损耗及结温的计算分析及变化规律研究

针对双馈风电机组变流器由于IGBT模块失效造成高故障率的问题,提出了在不同工况下其IGBT模块结温的准确计算方法及其变化规律分析。首先,建立了机侧及网侧变流器IGBT模块基于开关周期的损耗及结温计算模型;其次,在全工况运行下对机侧及网侧变流器IGBT模块损耗和稳态结温的变化规律进行了分析。结果表明,随着风速的不断增加,机侧及网侧变流器IGBT模块的损耗总体呈增大趋势,二者变化趋势局部不同;机侧变流器IGBT模块结温变化要比网侧的更为剧烈。

IGBT模块直接串联电压均衡驱动控制技术

高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块直接串联技术是实现柔性直流输电、高压直流断路器等高压大功率控制设备的一个重要基础,其中最难解决的是串联IGBT模块之间的电压均衡问题。文中分析了电压不平衡的机制,得出了实现电压均衡的关键在于解决断态电压不平衡和关断电压不平衡问题,门极侧均衡控制方法是较好的解决手段。对基于有源电压控制技术的驱动设计和基于延时补偿的控制策略进行了探讨,并分别采用在有源区对关断波形进行跟随控制和补偿IGBT器件间关断延时的方法,有效实现了串联器件的电压均衡。最后,通过6只3 300V/1 200AIGBT模块直接串联的阀段脉冲和基于该阀段的三相换流阀运行测试,对这两种方法进行了验证,所述方法获得了较好的电压均衡效果。

考虑杂散电感影响的风电变流器IGBT功率模块动态结温计算及热分布

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块内部并联芯片间动态不均流导致损耗分布存在差异,传统结温计算方法无法准确反映模块内部热分布的问题,提出考虑模块内部封装杂散电感影响的IGBT功率模块动态结温计算方法。首先,建立考虑杂散电感的IGBT等效电路模型,仿真证明功率模块内部电流分布不均的机理。其次,定量推导杂散电感与开通损耗的关系,提出基于多芯片电热耦合影响的IGBT模块内部动态结温计算方法,并通过实验验证。最后,结合双馈风电机组控制策略,建立计及杂散电感影响的风电变流器功率模块电热仿真模型,并与传统模型进行比较。结果表明,所提模型可准确反映模块内部各芯片结温均值及波动幅值的差异性。

矿用高压变频器中IGBT模块在阶跃脉冲下局部放电特性

针对矿用高压变频器常因IGBT模块内部发生局部放电而导致故障的原因和特性进行了研究。本文从微观角度观察了IGBT模块局部放电发生位置的结构特点,发现其结构绝缘薄弱处在高斜率阶跃脉冲作用下易发生局部放电现象;建立了IGBT模块在阶跃脉冲作用下的局部放电过程模型,揭示其发生局部放电的机理;搭建实验平台,测试IGBT模块在单个脉冲作用下的局部放电特性。实验结果表明,脉冲的上升时间、脉冲宽度是影响局部放电起始电压的主要因素;根据实验数据的分析,提出了预测局部放电起始电压的计算公式。研究结果可为煤矿电力电子设备IGBT模块的绝缘设计和使用时的电压限制提供参考依据。

风电变流器IGBT模块的冷板设计

针对某2.0MW风电变流器IGBT模块的散热需求,对其散热部件——冷板进行几何参数和性能参数(表面温度和流动阻力)的设计和计算,特别是对介质的对流换热系数进行了理论推导和计算.对冷板的仿真分析和装机试验的结果进行分析,结果表明所设计的冷板能够同时满足表面温度低于80℃、介质流动阻力小于1bar的参数要求,保证了IGBT模块可靠工作.

风电变流器IGBT模块通断延迟时间结温探测模型研究

针对风电变流器中绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)开关,研究基于通断延迟时间风电变流器IGBT模块结温探测方法.首先,从半导体物理机理视角分析了通断延迟时间的温敏机理和温敏特性,明确了本征载流子浓度、电流增益和载流子迁移率等影响通断延迟时间的物理因素.然后,设计IGBT模块的动态测试试验,测试不同母线电压或不同集电极电流条件下,通断延迟时间与结温的关系,并对试验结果进行分析.动态测试试验采用双脉冲法二极管钳位电路,提高通断过程栅极电压和集电极电流的动态特性测试精度,采用恒温控制底板加热设备,控制IGBT芯片温度.再后,对IGBT模块开关过程中不同结温下集电极电流和栅极电压波形进行分析,考虑电压电流影响的条件下,建立了基于开通及关断延迟时间的结温探测模型,并对比研究了模型精度.结果表明,基于关断延迟时间的结温探测精度较高、稳定性更强,且母线电压越高或者集电极电流越低,则关断延迟时间越大.最后,建立了基于关断延迟时间的IGBT结温探测模型,该模型考虑电压和电流影响,拟合精度高,平均相对误差小,可用于热平衡态风电变流器的IGBT模块的工作结温探测.

一种PLC控制的IGBT变频调速电梯系统

主要论述采用ＰＬＣ控制，ＩＧＢＴ变频调速的电梯控制系统。通过采用高性能的变频装置和高可靠性的控制器，改善了系统的调速性能，提高了系统运行的可靠性。

半桥型柔性直流换流器功率模块典型故障分析

对目前柔性直流工程上常用的半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)的基本拓扑结构和运行工况进行了阐述,并对工程现场绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)上常见的直通短路故障、单管击穿故障、“瞬时性”直通短路故障、通信类故障等几类典型功率模块的故障特征、停电检查方法以及失效原因进行了分析,针对各类典型故障提出运维建议,以提高柔性直流工程的运行可靠性。

MMC子模块中IGBT等效模型的仿真验证

RTDS(real time digital simulation)上小步长仿真模块对开关元件的数量有严格的限制,而模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的每个子模块都有2个电力电子开关元件IGBT。随着系统容量的不断增加,如何在有限的硬件资源中实现多电平系统的仿真成为实时仿真系统的瓶颈。对如何在RTDS大步长的环境中建立正确的IGBT元件等效模型进行了分析,根据IGBT在MMC子模块(sub-module,SM)中的工作原理,采用开关函数建立IGBT的等效数学模型。该模型能够有效减小仿真占用的资源,扩大仿真容量,在大步长环境下能够正确表征IGBT的运行特性。采用Matlab验证了所建立的IGBT模型的可行性和正确性。