面向MMC应用的大功率IGCT器件加速老化试验拓扑研究

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor, IGCT)具有阻断电压高、通流能力强等特点,在柔性直流输电等领域具有广阔的应用潜力,但其在高电压、大通流应力下的可靠性问题,成为限制应用的潜在因素,如何针对不同工况开展加速老化等效测试成为开展可靠性研究的关键瓶颈。文中以模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)工况为代表,针对IGCT器件可靠性等效测试难题开展研究。首先分析MMC工况下IGCT器件的暂态电气应力和长期电热应力,分别采用TCAD仿真软件与平均值等效计算模型定量获得IGCT器件在实际工况下的应力大小;其次,基于应力分析结果,提出一种三半桥式两级电流应力加速老化试验拓扑,设计并搭建2 500 V/4 000 A/150 Hz参数的IGCT加速老化试验平台;最后,开展约100 h高压、大电流老化运行试验,验证平台具备长时运行的能力,且等效测试应力达到设计要求。所提出的等效拓扑及其构建方法,不仅解决了MMC工况下IGCT器件的加速老化测试问题,对其他交直流变换工况、其他类型功率半导体亦有很好的参考价值。

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。

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。

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。

新一代高韧性直流输电技术(二):高倍载模块化换向式换流器

针对高韧性直流输电技术对高倍载、高经济性直流换流器的需求,提出一种高倍载模块化换向式换流器(high-overload modular commutated converter,MCC)。首先,对MCC的拓扑构造和运行原理进行详细分析,指出其器件软开关特性、桥臂能量脉动优化和高倍载潜力;针对MCC的宽范围电压变比调节、串联模块电压均衡控制、架空线应用中的直流故障自清除等关键问题,给出解决方案;以±500 kV/2000 MW直流输电系统为例,分析MCC的元件用量、体积、效率、成本等技术特性,并与常规模块化多电平IGBT换流器进行综合对比;最后,研制基于IGCT-Plus器件的±15 kV/60 MVA MCC产品,开展综合性测试验证。结果表明,提出的MCC有望将现有换流器技术方案的体积、成本、损耗率分别减小达50%,在电能变换与传输中具有广阔的应用前景。

IGCT在直流电网中的应用展望

相对于交流电网中的电力电子设备,直流电网中的电力电子设备具有很多不同的特性,为集成门极换流晶闸管（integrated gate commutated thyristor,IGCT）的应用提供了可能的契机。该文紧密跟踪直流电网中关键电力电子设备的发展需求,对IGCT在直流电网中的应用前景进行展望。首先介绍了IGCT的应用特性和直流电网中的关键电力电子装备,包括：高压大容量电压源换流器、中高压大容量直流变压器、高压大容量直流断路器。在此基础上,结合IGCT与电压源换流器、直流变压器以及直流断路器的内在特征,系统阐述IGCT在这些关键设备中的应用契机、可行方案以及技术特点等。最后,对IGCT应用于直流电网中待研究的关键问题进行了讨论,推动我国直流电网中的高效率、高密度、高可靠性、低成本的电压变换和功率传递。

基于IGCT串联的10kV直流混合断路器研究

直流断路器是直流系统组网的关键设备。该文针对直流断路器工作模式对集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristors,IGCT)特性进行研究,首先结合仿真与实验结果,分析了母线电压、关断电流、缓冲阻容及杂散电感等因素对IGCT关断动态特性的影响。然后以两IGCT串联系统为例,研究了缓冲阻容、杂散电感差异和触发时间差异对串联均压特性的影响。结果表明,触发时间差异对均压效果影响最大,串联系统应尽量保证所选器件和阀体杂散参数的一致性,并通过调整触发时间等方法改善均压效果。接着,该文给出一种自然换流型混合断路器方案,与已有串联辅助开关的方案相比,该方案通态损耗几乎为零、不需水冷散热、控制逻辑简单、系统可靠性高。基于IGCT动态特性和均压特性分析,该文选取合适参数,搭建了4个IGCT串联开关支路,并完成母线电压10 kV、关断电流3.5 kA开通关断实验,不均压系数约为5%。结合快速机械开关,设计并实现了10 kV自然换流型直流混合断路器,完成了关断电流3.6 kA的整体实验,关断过电压21.4 kV,验证了该方案的可行性。近期还完成了40 kV/3.4 kA的实验,为中高压直流断路器的实际工程应用奠定了坚实基础。

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。

IGCT变流器吸收箝位电路的参数设计

近年来对风机容量的要求出现了爆发式增长,已达3~7 MW。此外,并网谐波控制、低电压过渡等风机并网标准越来越严苛。以集成门极换流晶闸管（integrated gatecommutated thyristor,IGCT）为核心的中压直驱全功率变流装置既可满足风机的大容量要求,又能灵活实现电网故障过渡、电网无功支撑等要求,成为大容量风机的最优选择。在IGCT变流器中,箝位电路的参数将直接影响器件SOA、最小脉宽与并网电流质量,是风机功率模块设计中十分重要的部分。提出一套IGCT变流器吸收箝位电路的优化设计方法,显著简化了箝位电路的设计过程。在对箝位电路换流工况进行详细分析的基础上,提出了箝位电路的等效电路。根据等效电路进行了响应分析,综合考虑箝位电路的设计原则,找到了优化参数的选取方法,从而降低了最小脉宽限制,提高了动态恢复速度。给出了设计实例,并进行了仿真与实验验证。

基于IGCT的高压大容量模块化多电平变换器

模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,MMC)的多电平调制大幅降低了功率器件开关频率,为集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)的应用带来了契机。该文探讨基于IGCT的高压大容量MMC,尤其是对其拓扑结构、通态和开关行为进行详细分析。在此基础上,对IGCT-MMC的损耗特性进行系统性的分析。文中搭建IGCT-MMC的实验平台,对IGCT-MMC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-MMC方案的正确性和有效性。该文的研究对推动IGCT在柔性高压直流输电的应用,实现更高电压、更大功率、更高效率和可靠性的柔性直流输电系统具有一定参考价值。

IGCT的原理性电学模型与动态特性仿真

集成门极换向晶闸管(IGCT)因具有开关速度快、损耗低、容量大、导通管压降低等优越性能而正逐渐广泛地应用于中压大功率领域,但国内外仿真软件中尚无IGCT的器件仿真模型。为此根据IGCT的结构特点、工作原理、额定参数以及外总电学特性,应用两个Hu-Ki模型并联的优化模型及ORCAD建立了IGCT的原理性电学模型,给出了模型的电路图及元件参数,并应用该模型进行了IGCT的动态特性仿真与分析,给出了开通、关断电压和电流波形,关断功率脉冲波形,门极关断电压和电流波形。仿真结果显示仿真的IGCT器件关断时间2μs,关断能量约0.1J,关断时门极反向电流峰值25A,表现出明显的反向抽取作用,与实测波形保持了很好的一致性。该模型意义明确、描述准确、结构简单、仿真速度较快,且有一定的通用性,可用于IGCT器件与简单系统的仿真研究,为IGCT的选择应用、器件匹配与保护电路的设计提供研究手段与设计参考。

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。

基于IGCT的三相接地系统故障限流器及其控制策略

提出将带旁路电感的三相接地系统桥式短路故障限流器中的半控开关器件用大功率自关断器件IGCT(integrated gate commutated thyristor)代替,从而将变流桥路的失控时间由半个周期缩短至检测电路的延时时间以内,可显著减小直流电抗器的电感量,将占限流器体积、重量、成本主要部分的直流电抗器缩小到原来的1／9．6。分单相短路、两相短路、三相短路3种情况对基于IGCT的短路故障限流器及其控制策略进行了仿真研究,仿真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。

基于IGCT三电平多相同步电动机调速系统的电枢反应

多相同步电动机的电压矢量、电流矢量及其相关参数众多,使得多相同步电动机的调速控制比普通三相电机的控制复杂得多。本文对自主研制的基于IGCT(集成门极换相晶闸管)的1MW、十二相三电平同步电动机调速系统进行了试验研究,分析了调速系统采用电流滞环控制方式下产生的电压和电流波形;并采用二维有限元法计算了电机运行时的电磁场,研究了多相电机电枢反应对电机磁场、相反电动势的影响。试验验证了理论分析的正确。

基于物理的IGCT电路模型参数提取方法

随着集成门极换流晶闸管(IGCT)在大功率电力电子装置的大范围推广,相应的高精度仿真研究必不可少,IGCT模型特别是具有较高精度的基于物理的IGCT电路仿真模型将发挥更加重要的作用。本文充分考虑了IGCT结构特点及其运行特性对参数提取的影响,结合理论分析、实验提取、实物测量及经验估算,在已有参数提取方法的基础上,提出了一种适用于基于改进型傅里叶级数法的IGCT电路模型的参数提取方法。搭建了具备感性负载的箝位电路测试平台,用于参数提取及提取方法验证,将采用本文方法提取的模型参数用于上述IGCT电路模型,进行电路仿真分析,所得IGCT模型仿真结果与实验结果高度拟合,验证了本文参数提取方法的正确性。

IGCT变流器箝位电路分析及参数设计

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)广泛应用于高电压、大电流的大容量变流器,运行特性受电路元件参数及运行状况等多方面制约。根据IGCT基本电路单元,在深入分析箝位电路工作原理的基础上,考虑电路杂散电感对电路参数设计的影响,结合理论与实验分析所得限制条件,提出基于fmincon函数优化非线性不等式约束问题准确且完善的箝位电路参数设计方法,显著简化了箝位电路参数优化设计过程,确保IGCT的安全运行。结合设计实例,通过优化设计值、仿真分析与实验结果的对比,验证参数设计及分析方法的有效性,并通过实验分析及与现有方法的对比,证明该文方法的优越性。

基于IGCT的大功率五电平中点钳位/H桥变流器

将三电平中点钳位(NPC)交直交变流技术和H桥级联技术相结合的五电平NPC/H桥变流器可以实现更高等级的输出电压和容量。该文研究基于集成门极换向晶闸管(IGCT)的大功率五电平NPC/H桥变流器的主电路拓扑结构,并采用模块化结构设计方式减少了杂散参数。在变流器输出中低频时采用一种改进型载波层叠正弦脉宽调制(IPD-SPWM)方法,并提出一种解决低调制度时最小脉宽问题的方法。在变频器输出高频时采用特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)方法来减小输出电压的总谐波畸变率(THD),并给出计算的开关角度轨迹。实验结果验证了该文研制的变流器所采用的拓扑结构设计和调制方法的可行性,表明变流器达到了设计要求,具有良好的性能。

IGCT驱动关断电路及续流回路参数提取

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)关断暂态时,其电流迅速由阴极换向到门极,且IGCT反并联二极管因承受正向偏压而导通,故IGCT关断暂态特性受其门极驱动关断电路及其反并联二极管运行特性影响。基于IGCT关断暂态换流机制及反并联二极管的工作原理,提出IGCT关断暂态时门极换流晶闸管(gate commutated thyristor,GCT)、驱动电路与反并联二极管所构成续流回路的等效电路,详细分析反并联二极管不同工况时等效电路结构及其运行特性的变化。结合IGCT关断暂态其端电压及等效电路各支路电流的实验结果,给出IGCT驱动关断电路及续流回路参数的提取方法。通过不同箝位电压与关断电流时实验结果与理论分析的对比,并考虑参数提取结果的一致性,充分证明等效电路与理论分析的正确性及参数提取方法的有效性。