A Study of High-Power Thyristor Switch of Poloidal-Field Power Supply System in HT-7U Super-Conductive Tokamak

Through theoretical analysis of thyristor switch, criterion of turn-off was derived for the design of thyristor switch. The expression of parameter design and its math model during the turn-off were deduced. The simulation and experiment have been accomplished to validate the analysis.

脉冲晶闸管热网络模型及运行状态评估方法

针对脉冲晶闸管承受强流脉冲导致的瞬态电磁热力联合冲击产生的热疲劳累积突发性失效问题,提出了在脉冲晶闸管内布置温度传感器的状态监测方法,建立了脉冲晶闸管的高阶瞬态热阻抗网络模型,分析了强流脉冲作用下脉冲晶闸管内部不同层的温度分布规律,并通过理论计算验证了分析方法的有效性。计算结果表明,热网络模型计算相对偏差小于5%。可为脉冲晶闸管型强流开关的状态评估提供理论指导。

集成直流故障换流电路的改进型混合MMC

基于全桥(FB)与半桥(HB)子模块的传统混合式模块化多电平换流器(MMC)是典型的具有直流故障自清除能力的MMC。然而,常规混合MMC中FB占比通常大于50%,增加了成本与损耗。鉴于此,为了减少混合MMC中FB的数量,提出一种集成晶闸管开关电容直流故障换流电路的改进型混合MMC。所提MMC中HB-MMC与FB-MMC均保留了各自完整的主体,并在交流侧采用三绕组变压器进行连接,在直流侧进行串联连接。同时,由于直流侧集成了一个基于晶闸管的开关电容结构,所提MMC能够实现直流故障的清除。研究表明,所提MMC中FB占比可降低至10%~25%,甚至更低(限制于交流电压的波形),在降低换流器成本的同时降低了通态损耗。仿真结果验证了分析的正确性。

HL-3聚变用大容量Crowbar

[目的]面向HL-3聚变大科学装置极端故障能量快速转移,配置短路保护用大容量旁路开关需求。[方法]基于HL-3磁体电源参数,结合电力电子变流技术及可控硅触发应用基础,针对快速冲击应用中多并联可控硅一致性导通及稳定均流的严苛工况,融合电力电子变流工程实践经验,经并联分支导电线路等长型式改良;并联元件参数一致性筛选,并联臂内元件位置与参数差异化选配;通过在可控硅侧附加串联电阻物理强迫均流,并对附加电阻热稳定性核算,并联桥臂电动力冲击验算;可控硅元件高频脉冲列强触发等手段和方法。[结果]推导设计了一种稳定的可控硅220 kA级大容量聚变用crowbar旁路保护电子开关系统,经试验模拟实测验证及实载160 kA冲击考验,实现了HL-3保护用大容量旁路开关的匹配要求。[结论]在做好热动、稳定性验算的基础上,采用线路改良,附加物理强迫均流,元件参数筛选及装配,触发模式调整等综合手段,实现大容量crowbar在聚变中的配套应用是完全可行的。

水中脉冲放电振荡特性分析及抑制方法研究

水中脉冲功率放电过程中产生的电路振荡,会延长放电时间,降低储能电容寿命。为了对电路振荡进行抑制,首先根据脉冲功率放电装置工作环境,利用COMSOL仿真软件,建立了二维轴对称高压放电模型,模拟了11 kV下电极间隙为4 mm下的高压击穿过程,并分析了等离子通道电导率变化趋势。然后建立等离子通道二维阻抗模型,对电极上的实际放电波形进行了非线性回归分析,得到其电阻和电感分别为0.439Ω和19.8729μH。最后根据负载特性提出了用脉冲功率晶闸管来抑制电路振荡的策略,并进行了脉冲功率放电实验。实验表明,通过理论阻抗计算得到的电极电压与实际放电电压相符合,且使用晶闸管脉冲功率开关可有效地抑制电路振荡,使振荡时间由220μs降低到36μs,降低了83.6%。

基于开关函数的晶闸管整流器差动保护新方法

高压直流输电系统中,针对传统换流器直流差动保护在交流侧发生接地故障时保护范围模糊的问题,文中以整流器为研究对象,提出了一种基于开关函数的整流站晶闸管换流器差动保护新方法。首先,分析了基于换流阀导通特性的开关函数模型,建立了交流三相电流和直流电流的平衡关系,以区分换流器的内部和外部故障;然后,利用交流侧电流互感器两侧接地故障时零序电流的差异,明确了换流器保护的交流侧边界。最后,通过PSCAD仿真将该保护和传统直流差动保护进行了比较,结果表明:该保护可有效解决传统直流差动保护拒动于区内相间短路故障及误动于变压器引出线接地故障的问题。

10kV高压SiC GTO模块的研制

文中提出一款基于自主设计的尺寸为8mm×8mm的10kV碳化硅(silicon carbide,SiC)门极可关断晶闸管(gate-turn-off thyristor,GTO)单芯片封装的焊接式模块。详细介绍10kV SiC GTO模块的设计与制造工艺,通过对比裸芯片与封装后模块在10.5kV阻断电压下的漏电流,验证模块绝缘设计冗余和封装工艺,对模块的动态、静态、极限过流能力、关断增益等性能进行测试并给出初步测试结果。

变流器辅助换流的柔性切换开关拓扑与控制

分布式新能源渗透率的快速提高,在提升配电网灵活性的同时也加大了其运行调控难度。为此,文中提出一种新型配电网柔性切换开关设备,开关由集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor,IGCT)与并联电压型变流器组成,其中针对并联电压型变流器采取虚拟同步发电机控制,可实现负载在不同馈线间的平稳切换。文中首先将所提柔性切换开关与柔性多状态开关及机械开关的主要特征进行比较;然后,分析柔性切换开关在故障前、故障中和故障后的工作模式,并研究在3种工作模式间进行柔性切换时的切换逻辑;最后,通过基于RT-Lab的控制在环实验模拟开关在不同馈线间切换的过程,获得不同工作模式下和柔性切换过程中的电压电流波形。实验结果表明柔性切换开关具有短时电压支撑能力,在不同馈线间切换的过程中不产生电压电流冲击。

电容动态投切电力电子开关研制

电力系统受到扰动后的暂态过程中,提升负荷侧的无功支撑有助于电网电压快速恢复。为提高电网电压降低时电容器组无功出力,设计并研制了电容动态投切电力电子开关样机。为验证样机性能,搭建了试验系统,开展了基于逆阻型集成门极换流晶闸管(IGCT)的电容动态投切电力电子开关的绝缘、运行和动态投切试验,试验结果证明电力电子开关的设计和研制满足电容动态投切的要求。研究结果可为以后设计和研制更高电压等级和更大电流的电容动态投切电力电子开关提供参考。

电弧炉的谐波抑制措施研究

针对电弧炉在实际应用过程中产生的谐波会对电网造成影响这一问题,围绕电弧炉谐波的产生展开研究,提出采用晶闸管投切电容器(TSC)+有源电力滤波器(APF)综合补偿器来抑制电弧炉谐波,并利用MATLAB搭建仿真模型,分析了TSC+APF在电弧炉谐波抑制效果。

TSC无功补偿装置的设计

晶闸管投切电容器(TSC)是静止无功补偿技术的发展方向。根据笔者设计的一种TSC无功补偿装置,分析了TSC装置常用主电路的特点,介绍了电容器投切判据、信号检测、零电压投入以及晶闸管触发电路等关键问题的解决方案。

基于TSC控制技术的快速响应自动消弧装置

自动消孤装置是由一种基于晶闸管投切电容(TSC)控制技术的自动调谐消弧线圈、接地变压器和互感器等组成的成套设备。它可对线路的单相接地故障做出快速响应,并精确补偿接地电流。此装置很好地解决了3个技术难点:第一,线路对地容抗的精确测量,误差在2%以下;第二,根据线路电容电流和人工中性点电压的变化来智能判别单相接地故障;第三,采取串联小电抗,过零投切和加装风机等措施,以确保晶闸管的安全运行。可编程逻辑控制器(PLC)、触摸屏式人机界面(HMI)和过零触发板构成了该装置的控制系统。模拟试验和实际应用表明该装置能够取得理想的效果。

一种新型电气化铁道电能质量综合补偿

针对电气化铁路单相整流方式带来大量负序、谐波和无功的特点,结合多功能平衡变压器具有低压两相端口和低压三相端口的特点,提出一种采用三相电压源变流器(VSC)结合晶闸管投切电容器(TSC)构成的电能质量补偿系统。两套多组TSC补偿绝大部分无功能量,VSC通过电感直接与多功能平衡变压器低压三相端口相连,补偿谐波、负序和剩余的无功分量,降低了VSC容量,有利于工程应用。详细讨论了方案及其特点,设计了无功分配策略,根据理想补偿效果,通过构造虚拟电流,推导了基于磁动势平衡原理的补偿算法,建立了补偿等效电路模型并得到了补偿电流关系式,得出了参考电流实时检测和无功电流分配方法。仿真和实验证明所提方案的正确性。

一种无弧快速有载调压模型及仿真

采用反并联大功率高耐压晶闸管作为调节控制开关,利用晶闸管开关在电流过零点自然关断的特点,提出了一种不需过渡电阻的新型电力电子无弧有载调压模型,有效简化了调压步骤,加快了调压速度。35 kV/10.5kV、5 MVA双绕组调压变压器模型调压过程的MATLAB仿真波形证明了该模型的正确性。

基于模块化多电平换流器的直流系统故障处理方案

大容量直流断路器技术及其工程应用尚不成熟,导致直流故障隔离成为柔性直流输、配电系统发展、应用的一大技术难点。双晶闸管法(double thyristor switch scheme,DTSS)由于投资成本、附加功率损耗、控制复杂性等方面的优势,在工程实际故障隔离中具有较大应用前景。文中在详细说明DTSS工作机理的基础上,提出一种DTSS的改进方案,并对改进方案的工作原理进行理论说明。该方法通过桥臂串联电阻的投入,克服了DTSS在隔离速度、保护死区以及交流侧过流等方面的不足,大大提高了故障隔离的效率、范围、速度。同时,通过理论分析确定串联电阻阻值的选值标准。最后,基于Matlab/Simulink仿真平台,通过大量的仿真测试、比较,验证改进方案的可行性。

TSC高压晶闸管阀过电流失效机理

为满足晶闸管投切电容器(TSC)装置可靠性及其试验方法和试验等效机理研究的需要,重点研究了TSC装置的核心部件——高压晶闸管阀在过电流故障状态下的失效机理。首先介绍了TSC系统及其阀的结构以及过电流故障形成的原因和特征,并给出了过电流的数学方程和仿真波形。然后按照过电流故障的不同发展阶段对TSC阀的电流、电压和热等应力进行了解析分析。在上述基础上,结合器件的物理特性,对TSC阀各个元件在各种故障应力下的内部物理过程进行了分析。最终得到了TSC阀在过电流故障的不同发展阶段的失效模式和失效指标,从而揭示了TSC高压晶闸管阀的过电流失效机理。

可控避雷器的静态电位分布计算方法

可控避雷器的晶闸管开关中晶闸管的等效电容CT随端电压UT的变化而变化,在计算可控避雷器静态电位分布时,须考虑该特点。将"场路结合法"与CT随UT的变化规律相结合,提出了可控避雷器静态电位分布计算方法,即先建立受控元件、固定元件和晶闸管均压电阻的电场数值计算模型,求出等效杂散电容网络;再通过试验检测和曲线拟合,求出晶闸管CT和UT之间的函数关系;然后建立可控避雷器等效电路模型,将CT和UT之间的函数代入电路模型中,通过反复迭代,求得各电极电位UFi与避雷器端电压Us之间的函数;最后将UFi与Us之间的函数代入电场数值计算模型中,求出可控避雷器静态电位分布随Us的变化规律。经试验验证,该计算方法用于求解可控避雷器静态电位分布是有效的。

10kV固态电源切换开关的研制

提出了基于晶闸管阀和并联高速机械开关的固态电源切换开关(Solid State Transfer Switch,简称SSTS)设计方案,正常情况下线路电流通过机械开关,晶闸管只是在切换期间才投入运行。阀体采用自然冷却方式,解决了常规固态开关运行时的损耗问题,具有很好的工业应用前景。给出了SSTS的切换控制策略;分析了开关的开断特性。最后通过试验验证了主电路和控制系统方案的可行性。

基于晶闸管开关特性的SVC传导干扰仿真模型

为分析和预测由静态无功补偿器(SVC)产生的高频传导电磁干扰,基于晶闸管的动态开关特性,给出了SVC传导干扰仿真的建模方法,它以非线性时变电阻作为晶闸管宏模型的内核,建立含有晶闸管控制电抗器(TCR)支路与晶闸管开关电容器(TSC)支路的SVC仿真模型。模型中晶闸管的动态开关特性由非线性时变电阻阻值的变化来表示。此外,为提高传导干扰预测水平,在仿真模型中还加入了测量传感器的幅频特性校正算法。通过增加一阶导数信息,该校正算法改进了复向量拟合法,以进一步提高拟合精度。SVC传导干扰的仿真结果与现场实测数据相比具有相似性,表明晶闸管的动态开关特性是导致高频传导干扰的主要原因。