基于IGCT抑制换相失败的关键控制策略

针对基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)输电系统因以晶闸管作为换流器件而存在的换相失败问题,以集成门极换流晶闸管(IGCT)在中国某背靠背高压直流工程中的应用为基础,首先介绍了IGCT型高压直流的拓扑及基本运行原理。接着,从兼顾换相失败抵御效果和IGCT阀的关断应力角度,提出了适应IGCT阀的关断策略。在此基础上,研究了不同类型交流故障对故障电流峰值的影响,提出了利用故障扰动系数动态调整电流控制器参数的策略,实现故障电流抑制和故障期间直流功率的稳定输送。最后,通过实时数字仿真(RTDS)验证了所提策略的正确性和有效性。

IGCT门阴极换流路径杂散阻抗在线监测方法研究

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)换流路径杂散阻抗是评估其关断能力的重要参数,现有离线测量方法有诸多缺陷并且测试过程复杂,实时性差。该文主要针对IGCT换流路径杂散阻抗在线监测问题,结合IGCT关断过程,分析了换流路径杂散阻抗的构成;根据基尔霍夫电流定律(Kirchhoff’s current law,KCL)、基尔霍夫电压定律(Kirchhoff’s voltage law,KVL)推导了换流路径电压、电流方程,进而提出基于阴极集成印刷电路板(printed circuit board,PCB)式电流传感器的换流路径杂散参数在线监测方法;采用高速采集卡和LabVIEW软件,构建了测量系统;通过在高压、大电流加速老化测试平台上的实际测试,实现了mΩ级电阻与nH级电感的杂散阻抗准确提取,验证了在线监测方法的有效性。

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。

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。

基于IGCT的大容量谐振直流变压器设计

更大容量、更低成本的单向直流变压器(DCT)是提高光伏直流汇集技术经济性的关键手段。此处结合集成门极换流晶闸管(IGCT)的低通态压降与谐振拓扑的正弦波电流、器件开关电流低等特征,提出了基于IGCT的大容量谐振直流变压器(IGCT-SRC)。在此基础上,通过二极管直接串联来简化IGCT-SRC拓扑结构并实现高电压增益。同时分析了考虑均压电容与死区时间后IGCT-SRC的软开关特性。最后,研制了1.5 kV/10 kV 2 MW的IGCT-SRC样机,验证了所提方案的有效性。

IGCT过应力关断下动态雪崩诱发的电压自箝位效应

作为高压功率器件,集成门极换流晶闸管(IGCT)关断过程中必然发生的动态雪崩效应是限制器件反偏安全工作区(RBSOA)的重要因素。通过建立能更好地反映电流集中效应的多单元仿真结构模型,对IGCT过应力条件下的关断特性进行了仿真,发现了一种与开关自箝位模式(SSCM)非常相似的电压自箝位效应。然而,与SSCM不同的是,这种自箝位效应是由动态雪崩效应诱发的。在强烈的动态雪崩下,雪崩产生的载流子与被移除的载流子达到了动态平衡,耗尽区电场无法展宽导致了电压箝位。由于自箝位期间雪崩产生的电流丝无法快速移动,器件极易因局部过热而损毁。并且,随着器件电流增益的增大,这种效应更容易发生。研究结果可为IGCT提供更清晰的RBSOA。

±525kV/3000MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀研制

基于IGCT的柔性直流输电模块化多电平换流阀(MMC)具有低成本、低损耗、高可靠等潜在优势,在未来陆上大规模新能源送出以及深远海风电并网等应用中具有广阔的前景。在对比集成门极换流晶闸管(IGCT)和绝缘栅型双极晶体管(IGBT)两类功率器件技术性能基础上,介绍了±525 kV/3000 MW柔性直流输电IGCT-MMC换流阀的产品设计。依据IEC 62501标准,完成了IGCT-MMC换流阀产品的第三方见证试验。试验结果表明,所研制的IGCT-MMC换流阀产品技术性能符合设计要求。

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。

IGCT驱动板寄生阻抗的综合优化设计方法

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)是由门极换流晶闸管(gatecommutated thyristor,GCT)和门极驱动电路通过PCB集成的功率组件。GCT的开关控制必须依靠集成门极驱动电路实现,电路中的寄生阻抗会严重影响GCT的开关特性。因此,以目前亟待解决的一类高压大电流IGCT驱动电路板为研究对象,通过对驱动电路的传统布局进行分析,提出一种考虑门极驱动单元和布局的综合优化策略,利用电解电容和陶瓷电容并联的混合电容器组构建驱动单元,同时采用等间距排布的环绕型布局设计电容器组和MOSFET开关组,将寄生阻抗限制在极低水平。最后分别完成了传统型和所提IGCT驱动板设计,实验结果表明所提方案能够有效提升IGCT驱动板性能。

基于逆阻型IGCT的无功功率快补技术研究

电网电压的稳定是保证其安全运行的关键,提升负荷侧无功功率快速补偿能力,缩短电网扰动后的恢复时间,是增强其稳定性的有效手段。此处从逆阻型集成门极换流晶闸管(IGCT)器件基本特性出发,提出了一种无功功率快补技术,介绍了其工作原理,搭建了系统仿真模型,通过仿真验证了无功功率快补装置对支撑电网电压的有效性。提出了基于逆阻型IGCT和晶闸管反并联的无功功率快补装置拓扑,提出了控制逻辑,设计并研制了35 kV逆阻型IGCT阀样机。搭建了试验系统,对逆阻型IGCT阀样机进行了连续3次投退试验及电流关断试验,验证了其运行能力和主动关断能力,试验结果满足技术要求,证明了设计的正确性。该研究结果可为后续无功功率快补装置的工程应用及逆阻型IGCT器件的工程实施提供参考。

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。

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。

基于非对称IGCT的PWM整流器换流分析与试验

基于非对称集成门极换流晶闸管(IGCT)的脉宽调制(PWM)整流器具有可靠性高、导通损耗小和易于实现有功与无功解耦控制的优点,是高压输电线路直流融冰的新选择。针对非对称IGCT的PWM整流器,根据不同状态的换流阀承受电压,建立了整流器的等值分析电路。基于等值分析电路,开展了换流阀的换流分析,研究了存在的过电流关断电压峰值。在此基础上,提出了换流阀的参数设计方法,研制了基于IGCT的换流阀,搭建了过电流关断试验和串联均压试验的试验平台,开展了物理试验研究,结果表明,所设计的参数满足IGCT安全工作要求,而且具有良好的动态和静态均压效果。

6英寸8 kA/6.5 kV IGCT器件特性研究

集成门极换流晶闸管(IGCT)具有电压等级高、电流关断能力大和通态损耗低等优势,在电网领域的应用越来越广泛。为了进一步提升器件的关断能力,IGCT器件尺寸扩展至6英寸,在此介绍了6英寸8 kA/6.5 kV非对称IGCT器件的研制,通过优化阴极梳条排布和管壳设计,将IGCT元件寄生电感降到2 nH以下,降低了40%。通过优化N基区的选型,器件具备了稳健的4 kV直流阻断能力和8 kA的关断能力,并在高温8 kA下通态电压低于2.8 V,最后在直流断路器拓扑中进行了应用,这为研究更大功率等级的IGCT器件奠定了基础。

IGCT三电平变流器故障识别及状态监测方法

针对以IGCT为核心的中压三电平变流器短路故障保护以及运行过程中主回路器件参数变化监测的问题,提出一种同时实现IGCT三电平变流器故障识别及主回路运行状态监测方法。通过硬件电路检测其电感后端的电压波形并结合器件开关状态来预判是否发生短路故障,筛选电压波形数据中峰值电压与峰值电压时间作为特征值,推导主回路电气参数与峰值电压、峰值电压时间关系,形成对应数据训练神经网络权重构建数值拟合观测器,将实时采样波形数据输入数值拟合观测器在线辨识变流器主回路参数,实现当器件因虚焊、老化、发热等异常原因导致参数变化时予以报警提示。

大面积IGCT的关断失效机理研究

为了提高大面积集成门极换流晶闸管(IGCT)的最大可关断电流处理能力,以直径为91 mm的4.5 kV大面积IGCT为研究对象,针对其在研发过程中频繁出现的距离门极接触较远的外环失效现象,首先建立大面积IGCT芯片的仿真结构模型,然后给器件施加相应的关断应力,对器件的关断特性进行仿真分析。结果表明,距离门极接触较远的阴极环单元接收到的关断信号存在延迟,造成器件换流期间的内、外环部分电流分布不均匀,而动态雪崩效应的发生会加剧这种电流向外环的聚集效应,直至雪崩诱发的电流丝产生后,造成外环的阴极单元被重触发,最终导致器件因局部温升过高而失效。采用径向载流子寿命控制可抑制大面积IGCT因信号延迟造成的电流不均匀分布效应,提高器件的最大可关断电流能力。

基于IGCT的大容量直流变压器设计

大容量直流变压器(HDCT)是直流组网的核心设备,这里设计了基于集成门极换流晶闸管的HDCT(IGCT-HDCT),通过最小回流功率注入的方式实现了直流变压器(DCT)全功率范围下的零电压开通,在此基础上,增加了关断缓冲电容进而实现了准零开关损耗。同时,利用IGCT通态压降低的优点降低系统通态损耗。最后,研制了1.5 kV/2 MW的HDCT样机,验证了所提方案的有效性。

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。

新一代高韧性直流输电技术(一):从器件、装备到系统

构建高比例新能源、高比例电力电子化的新型电力系统迫切需要具有超强构网和主动支撑能力的新型直流输电技术。为此,文中秉承“一代器件、一代装备、一代系统”理念,提出新一代高韧性直流输电概念。增强型集成门极换流晶闸管(enhanced integrated gate-commutated thyristor,IGCT-Plus)的半导体本征结构拥有超强的浪涌电流能力,将为高暂态耐受的换流器提供坚实的物理基础;新型模块化换向式换流器(modular commutated converter,MCC)拥有优异的软开关特性,将是高倍载直流输电系统的优选方案;IGCT-Plus和MCC作为核心器件和装备将支撑具有电压和频率强支撑能力的新型高韧性直流输电系统构建。文中从新型器件、新型装备到新型系统对高韧性直流输电技术进行全面论述,并对后续发展中存在的关键问题和技术进行分析和展望。提出的高韧性直流输电技术对支撑双高电力系统的安全稳定运行具有重要意义,有望成为未来电力传输中的崭新方式。

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。