压接型IGBT器件短路失效管壳爆炸特性及防护方法

压接型绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为现有柔性直流输电设备的核心部件,在实际应用中,由于承受高电压、大电流的工作环境,容易发生短路过流失效,进而造成的结构爆炸现象。为研究这一爆炸现象的破坏效应及其防护,该文结合多组模拟模块化多电平工况实验,得到IGBT器件短路过流失效爆炸后外壳结构的变形特征。结合电气能量特性的分析和实际爆炸失效形貌特点,建立该IGBT器件结构的数值仿真模型,初步确定实际爆炸过程中的等效TNT爆炸当量。在此基础上,从提高结构自身抗爆能力、增加能量外泄通道、替换结构材料等角度开展IGBT器件的结构优化设计,并进行相关试验验证。结果表明,将管壳的陶瓷材料替换为纤维增强复合材料可有效提高结构的防爆性能,降低器件的破坏程度。

全桥配网柔直双极短路故障穿越策略研究

中压柔性直流配电网在新能源平滑接入、直流负荷高效供电等方面具备突出的优势,是配电网重要发展方向之一。双极短路故障作为最严重的直流系统故障,其故障发展速度快,短路电流冲击大,研究该场景下中压柔性直流配网如何故障穿越并实现快速故障恢复,对于提高中压柔直配网的供电可靠性与运行安全性具有重要的意义。针对中压柔性直流配电网中配网全桥柔直换流器,提出了故障穿越的控制方法和故障穿越的逻辑设计原则。最后,仿真与现场试验结果证明了所提中压柔直配网全桥换流器双极短路故障穿越方法的可行性和有效性。

基于多层级模拟的压接型IGBT器件短路失效机理分析

压接型绝缘栅双极晶体管(press pack insulated gate bipolar transistor,PP-IGBT)器件具有功率密度高、短路失效等优势,已被广泛应用于柔性直流输电换流阀中。现有压接型IGBT器件短路失效研究主要基于宏观测试结果,难以揭示由微观材料失效诱发器件短路失效的机理,该文基于圧接型IGBT器件短路测试结果,提出压接型IGBT器件短路失效机理的多层级模拟方法。首先,搭建短路冲击实验平台,基于短路实验获取失效发生条件与失效芯片;其次,建立压接型IGBT宏观器件——介观元胞模型,研究圧接型IGBT器件短路失效时器件–元胞复合应力变化规律;最后,建立微观元胞铝–硅界面分子动力学模型,分析短路失效发生条件,揭示短路失效机理,并提出芯片失效部位相对概率分布。结果表明,短路工况下芯片靠近栅极的有源区边角是最容易发生失效的薄弱区域,铝、硅材料失效是导致压接型IGBT器件短路失效的直接原因。

VSC-HVDC系统中IGBT阀保护方案研究

针对电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)系统,首先分析正常运行情况下电压源换流器两侧交、直流电流之间满足的平衡关系。然后将换流器的5种开关模式按照桥臂导通状态分为两类工作状态,分析不同工作状态下全控型电力电子器件绝缘栅双极晶体管(IGBT)阀短路和阀开路的电流流通路径,研究故障后交流侧电流幅值和直流侧电流的变化及其相互关系。在此基础上,提出一种能够反应IGBT阀短路和阀开路的保护方案,将交流侧三相电流采样值分别与各自导通状态函数相乘并求和,并与直流侧电流采样值构成差动电流,利用该差动电流反应阀短路和阀开路故障,并给出保护的整定原则。最后,基于仿真平台搭建双端VSC-HVDC系统模型,验证了该保护方案的有效性。

基于MMC的光伏直流升压并网系统故障分析及限流控制策略

基于模块化多电平换变流器(modular multilevel converter,MMC)的光伏直流升压并网系统为大容量并网提供了更多的可能。而光伏升压系统直流侧发生故障时暂态过程复杂,故障电流上升迅速且峰值过高。针对此问题,首先对系统直流侧双极短路故障时的直流升压变换器与MMC换流站进行了故障过程分析,并通过故障回路分别计算出了可靠闭锁下流经短路点的故障电流。然后针对MMC换流站的故障电流,依据其控制原理,提出基于电压变化的主动限流控制策略。该控制通过引入电压变化量动态改变桥臂参考电压,从而限制故障电流。最后通过PSCAD仿真模型验证了故障分析结果与限流效果,经检验,该控制策略可以有效减小断路器的开断电流以及桥臂过流峰值。

MMC子模块IGBT短路实验平台设计与实现

在模块化多电平换流阀(modular multilevel convertor,MMC)实际运行中,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)或其驱动器故障会导致子模块直通短路,造成器件损坏,该短路工况对于IGBT的短路保护以及可靠性研究具有重要意义。该文分析MMC子模块直通短路的类型并提出该短路工况实验平台的设计要求。针对短路振荡和电磁干扰问题进行优化设计,对短路回路寄生电感进行调整,研制MMC子模块短路实验平台并进行实验验证。实验结果表明,所研制的实验平台可以满足MMC子模块用IGBT的短路实验的需求。

基于深度学习的高压输电线双极短路故障检测

高压输电线路通常比较长且所处环境复杂,检测输电故障时易受到其他电气设备的电磁信号干扰,引起误判。为了提升高压输电线线路运行的稳定性,提出一种基于深度学习的高压输电线双极短路故障检测方法。将母线的电压幅值以及相角作为故障检测的输入项,实现故障数据的归一化和降维,获取全新的故障数据时间序列。基于此,采用改进的ITD分解提取特征值,经过特征选择后将融合的特征矩阵输入深度神经网络中训练,对故障完成精准分类,实现高压输电线双极短路故障的检测。实验测试结果表明,采用所提方法可以获取较高的高压输电线双极短路故障检测精度,同时还可以有效提升故障检测效率,有效保障了高压输电线线路的平稳运行。

集成故障阻断能力的DC/DC自耦变换器

高压大容量DC/DC变换器是多电压等级直流互联的关键设备,能够实现电压变换和直流侧故障隔离等功能。使DC/DC变换器具备直流故障阻断能力,减少对直流断路器的依赖,能够在很大程度上降低建设成本。为此,提出一种基于半桥型模块化多电平换流器串联的DC/DC自耦变换器拓扑。在功率正送和功率反送两种工况下,分析DC/DC变换器两侧分别发生直流双极短路故障后的故障响应,并提出对应的故障隔离策略。针对不同工况下的双极短路故障,在PSCAD/EMTDC平台上进行仿真。仿真结果表明所提出变换器具备双向阻断直流故障的能力,与其他类型的DC/DC自耦变换器的对比分析结果验证了所提出变换器的经济性。

一种基于短路电流的IGBT模块键合线老化监测方法

该文提出一种通过测量绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的短路电流来在线监测其键合线老化状态的方法。实时监测IGBT模块的老化状态,可以有效地提高电力电子系统的可靠性,减少因IGBT模块失效带来的经济损失。考虑到复杂工况条件下温度对IGBT模块短路电流的影响,研究IGBT模块通态电压分量的温度依赖性及键合线老化对通态电压的影响机理,建立通态电压与短路电流的理论关系,实现在不同工况下IGBT模块键合线老化状态的在线监测。

直流侧故障对模块化多电平换流器的影响研究

对于直流侧双极性短路故障,首先分析了故障通路对电容闭锁充电以及故障对交流侧功率的影响,然后对如何减少故障对交流侧无功的影响提出了建议。对于直流侧单极接地故障,通过仿真换流站不同接地电阻下,故障对系统稳定性的影响,对接地电阻的选择提供了建议。对于直流侧断线故障,分析了故障发生后控制器的作用,并给出了不同控制方式下,故障对系统稳定性的影响。此外,就双极短路和断线故障后闭锁时刻对系统的影响进行了分析。最后,在PSCAD/EMTDC中建立HBSM-MMC模型验证了分析的正确性。

一种实现柔直系统快速恢复的自取能故障阻尼器

针对半桥模块化多电平换流器(MMC)的直流双极短路和单桥臂短路2种典型故障工况,分析了其故障通路和电流波形,并提出相应的桥臂阻尼方案,推导了阻尼电阻的设计依据。提出一种新型自取能模块化故障阻尼器拓扑,分析了其工作模式以及对MMC的影响。该阻尼器串联在MMC的桥臂中,解决了高电位取能问题,实现了阻尼器的自取能,在直流双极短路故障时起到限流和衰减作用,加快故障端的切除,实现柔直系统的快速恢复;在单桥臂短路故障时可以衰减阀侧交流电流的直流分量,有助于阀侧交流开关的跳开。结合工程上使用的MMC结构,提出了即插即用的模块化故障阻尼器实施方案。在舟山五端柔直仿真系统中验证了所提自取能模块化故障阻尼器拓扑的有效性。

用于MMC-HVDC直流故障保护的新型拓扑及重合闸控制策略

针对柔性直流架空输电线路频发的瞬时性直流故障,提出了模块化多电平改进子模块结构和混合级联拓扑以及MMC系统重合闸控制策略。新型子模块及混合级联结构具有直流故障自动闭锁和迅速恢复的能力,能进一步降低造价及损耗,并能继承已有成熟的控制方法。系统重合闸控制可以使柔性直流系统在小电流情况下判断直流故障是否消除并恢复系统运行,能有效应对永久性、瞬时性直流双极短路故障。文章构建了等效电路来分析直流双极短路故障及重合闸过程,并通过PSCAD/EMTDC仿真对所提方案进行了有效性验证。

配网直流变压器双极短路故障穿越方法

采用传统输入串联输出并联(ISOP)拓扑的配网直流变压器在系统发生双极短路故障时,如果不采取故障限流措施,模块电容会快速放电,故障清除后必须经过缓启充电等复杂时序完成恢复重启,无法实现故障穿越。文中提出一种基于改进型ISOP拓扑,利用故障电流阻断及限流控制实现系统故障穿越的方法。首先,理论分析了基于改进型ISOP拓扑结构的配网直流变压器系统中压侧故障穿越过程的3个阶段及其数学模型。然后,分析了基于故障限流原理的低压侧故障穿越方法及故障穿越时间的设计原则。最后,通过搭建实时数字仿真(RTDS)硬件在环半实物仿真平台进行了验证,仿真结果证明了该双极短路故障穿越方法的可行性和有效性。

模块化多电平换流器直流双极短路故障耐受能力研究

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在直流侧发生双极短路的故障情况,建立了MMC闭锁后的故障电流回路,给出了二极管以及保护晶闸管的电流分配和结温理论计算方法,考核直流双极短路故障耐受能力。在MATLAB/Sinulink下进行了换流阀闭锁后故障电流回路的建模与仿真,并在MMC背靠背试验系统中进行了试验研究。仿真和试验结果表明,所提分析和计算方法准确可行,该方法对校核模块化多电平换流器在实际工程中的直流双极短路故障耐受能力以及器件选型具有重要的理论指导意义。

大容量多馈入直流对广东电网运行稳定性影响的研究

针对广东电网的结构特点,研究了直流通道故障对广东电网安全稳定性的影响。首先,通过对广东电网各直流逆变站的短路比计算,分析了广东电网作为直流受端系统的强度;其次,通过对发生单重和多重故障时的暂态稳定计算,研究了作为多回直流受端系统的广东电网在发生直流双极闭锁故障时的运行稳定性问题。分析认为:广东电网属于强系统,电网的主要稳定问题是暂态电压问题。提出装设动态无功补偿装置、紧急切除线路高抗、保留直流故障线路处电容器组等策略以提高受端电网的电压稳定性。

di/dt与集电极电压联合检测IGBT短路策略

大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块开关速度较慢,单纯使用集射极电压检测短路需较长的检测盲区时间和较高的检测阈值,难以将IGBT短路电流和功耗限制在较低值,容易使IGBT受到较大伤害,而且较高的检测阈值会增加驱动器的设计复杂度。提出一种采用电流变化率和集射极电压联合检测大功率IGBT模块短路的方法。电流变化率能非常快速地检测IGBT硬短路状态,使驱动器能够快速保护IGBT模块;集射极电压能检测到软短路状态,较低的集射极电压检测阀值能使检测到软短路的时间提前。基于4 500 V等级的IGBT模块的实验结果证明所提出的策略是有效可行的。

基于MMC的直流输电系统双极短路故障保护策略研究

直流侧故障的区间识别和准确定位是多端柔性直流电网亟需解决的重要问题。利用双极短路故障的电流特征,提出了一种基于Pearson相关系数的故障区间识别方法。根据故障后电流的最大值及其对应的电压值,提出了一种基于双端非同步电气量数据的故障定位方法。设计了包括故障启动、故障区间识别、故障定位、故障隔离在内的线路保护方案。该方案通过利用本地的电气量来实现线路保护,具有较强的耐受过渡电阻和抗扰动的能力。在PSCAD平台上搭建了一个四端柔性直流输电系统,经大量的仿真验证了所提出的故障区间识别和故障定位方案的适用性和准确性。

MMC-HVDC混合旁路直流故障保护及重合闸控制策略

直流线路故障保护是基于模块化多电平的柔性直流输电(MMC-HVDC)系统必须解决的关键问题。首先分析了基于混合旁路直流故障隔离的原理与隔离步骤,通过旁路桥臂转移故障电流,在零电流下断开快速机械开关,实现换流器与直流线路的物理隔离并清除直流故障电流。系统重合闸无需解锁子模块,通过旁路桥臂判断故障是否消除,并在零电压下闭合快速机械开关恢复系统运行。当判断直流故障为永久性故障时,换流器能够重启作为STATCOM运行。混合旁路直流故障保护方案能有效应对永久性、瞬时性直流双极短路故障。最后通过在PSCAD/EMTDC建立双端柔性直流输电仿真模型验证该方案的可行性。

基于M57962AL芯片的大功率IGBT驱动与保护设计

根据大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)对驱动电路和保护的要求,提出一种基于M57962AL的实用型大功率IGBT驱动电路及其保护的设计方案,该设计方案选取IGBT输出特性曲线的拐点作为短路保护阈值点,可有效防止误保护。以FF1200R17KE3_B2为例,根据提出的设计方案设计合适的驱动参数、保护参数及外围电路。通过短路保护测试及大功率实验结果验证该驱动电路具有良好的驱动和保护能力。

IGBT性能退化模型构建方法研究

绝缘栅双极晶体管(IGBT)经常工作在过热、过流、过压、高频等条件下,所以当其使用时间积累到一定程度时,极有可能发生性能退化,而IGBT性能退化所引发的设备故障往往会带来巨大的损失。对此,就IGBT的性能退化问题展开相关讨论和研究。首先从理论上分析了IGBT性能退化的原因和机理,然后结合PXI实验平台和相关驱动电路,对GT5J301型IGBT进行了性能退化加速实验,分析了反复短路脉冲应力冲击对其造成的影响,最后根据实验结果建立性能退化数学模型,对实验结果进行曲线拟合,得出性能退化的规律。