HVDC换流阀复合等效电路模型研究

高压直流输电(HVDC)近年来在我国的电力系统中所占比重呈现显著增长,针对HVDC换流阀的相关研究成为其中的重点。晶闸管的结温及其冷却变化影响其工作特性及其使用寿命,然而结温和冷却温度由于模型复杂难以直接测定。因此本文提出通过改良和完善考尔(Cauer)网络模型,将晶闸管自身的热阻抗特性和冷却系统结合成为一个等效电路,分别模拟了晶闸管内的铜、钼、钨、硅等热阻抗体特性以及常用的水冷套阻抗。此外,增加了散热器的暂态阻抗特性分析,补充了晶闸管在暂态过程中散热的情况。计算结果显示新的模型能够更好地反应晶闸管真实的阻抗特性,验证了新模型的精确性。     

基于各层材料传热特性的晶闸管结温计算等效电路模型

晶闸管作为脉冲功率系统中重要的开关元件,在实际运用过程中晶闸管的结温既影响晶闸管运行的可靠性,又影响其使用寿命,因此对晶闸管的热阻分析与建模具有极高实用价值。该文运用导热微分方程计算晶闸管内部不同材料元件热阻抗特性,分别求得到其对应的Foster网络参数模型。然后把各层材料的Foster参数进行变化得到应的Cauer网络参数,最终把各层材料的Cauer模型级联起来得到整个晶闸管的结温计算模型。结合实际晶闸管结构和对应材料热物理参数,分析接触热阻与压接力关系,在新模型中加入相应的接触热阻。将所求得的晶闸管的新的Cauer电路网络模型的单位阶跃响应、ANSYS有限元建模计算结果及晶闸管手册中提供的热阻抗曲线进行对比,验证提出新的结温计算方法的可行性。同时针对实际工况的脉冲电流曲线幅值脉宽进行分析且建立试验平台研究相同电流脉宽,不同电流幅值的单次浪涌电流工况温升情况,通过新模型与传统模型相比较,验证提出的新模型的有效性。通过理论分析和实验验证,为晶闸管热特性设计及电热耦合计算提供一种实用的电路暂态等效计算模型。     

直流换流阀晶闸管热阻抗端口特性分析与建模EI北大核心CSCD

阐述了Foster网络和Cauer网络模型在热传导计算应用中的物理意义,证明了Cauer网络级联有效性。基于晶闸管热传导方程,分析了晶闸管内部各层元件热传导二端口网络特性,得到各自热阻抗的复频域及时域理论表达式,形成对应的傅里叶级数Foster网络及其恒等变换后的低阶Foster和Cauer网络。结合实际晶闸管结构及热物理参数,将所述模型及其恒等模型的单位阶跃响应与有限元计算结果以及datasheet提供的曲线进行对比,验证了由热传导方程诱导的网络模型及其恒等变换过程的有效性。为直流输电换流阀晶闸管热特性设计及电热耦合计算提供了一种实用的电磁暂态等效计算模型。     

直流换流阀晶闸管热阻抗端口特性分析与建模

阐述了Foster网络和Cauer网络模型在热传导计算应用中的物理意义,证明了Cauer网络级联有效性。基于晶闸管热传导方程,分析了晶闸管内部各层元件热传导二端口网络特性,得到各自热阻抗的复频域及时域理论表达式,形成对应的傅里叶级数Foster网络及其恒等变换后的低阶Foster和Cauer网络。结合实际晶闸管结构及热物理参数,将所述模型及其恒等模型的单位阶跃响应与有限元计算结果以及datasheet提供的曲线进行对比,验证了由热传导方程诱导的网络模型及其恒等变换过程的有效性。为直流输电换流阀晶闸管热特性设计及电热耦合计算提供了一种实用的电磁暂态等效计算模型。     

串联水路换流阀组件散热分析

为提高超/特高压直流输电换流站运维能力和技术服务水平,国内直流输电主设备厂家开展超/特高压换流站设备关键组件可替代性研究。换流阀的阀组件散热回路替代性研究需对原有阀组件散热结构进行分析,分析了ABB技术的串联水路阀组件散热特性,建立串联水路阀组件散热计算数学模型、热路仿真模型和有限元Fluent仿真模型,对串联水路阀组件热流量和晶闸管结温进行计算和仿真研究,最后以一实际工程作为算例,计算了串联水路阀组件结温和热流量。     

±1100 kV/12 GW特高压换流阀关键技术研究

随着特高压(UHV)直流输电技术的不断成熟和完善,输送容量又达到了新高度,总结了±1 100 kV/12 GW UHV换流阀设计所采用的关键技术,此处仅从换流阀关断特性研究、结温控制技术研究和型式试验展开分析,首先结合晶闸管特性和试验数据,提出了换流阀不同运行工况下反向恢复电荷修正函数;在此基础上根据换流阀内部拓扑结构,提出了晶闸管结温计算方法,建立了换流阀应力分析模型。所设计制造的±1 100 kV/12GW晶闸管换流阀,根据IEC 60700-1标准通过了全套型式试验,并应用于世界上第一条电压等级最高、输送容量最大的“昌吉-古泉±1 100 kV/12 GW UHV直流工程”,为后续UHV换流阀精益化设计奠定了良好基础。     

基于结温计算的换流阀可靠性分析

模块化多电平变流器(MMC)广泛应用于高压直流(HVDC)输电工程中,其中换流阀的可靠性成为柔直工程中关注的重点.而作为换流阀的核心器件,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的可靠性成为换流阀可靠性研究的关键.在IGBT工作过程中,结温过高是其损坏的重要原因之一,因此有必要进一步研究影响IGBT结温的关键因素.在此首先基于温敏参数法,建立了IGBT的瞬态热阻抗模型,并分析了不同工况下热阻抗模型参数.其次,基于数值计算模型并考虑了环流成分,提出了更精确的换流阀核心器件IGBT在不同工况下损耗的理论计算方法.接着,基于热网络法阐释了IGBT结温的计算方法.最后,根据提出的损耗和结温计算方法,并基于实际工程,计算并分析了在不同工况下MMC换流阀中IGBT的损耗和结温.     

基于应力分析的换流阀关键元件的可靠性评估

高压直流输电工程在电力系统中的重要性逐渐显现,而随着工程运行年限的不断增加,其在正常环境与极端环境下的可靠性值得深入研究。晶闸管换流阀作为高压直流输电系统的核心设备,评估其可靠性显得尤为重要。晶闸管的失效率是整个直流输电系统可靠性评估的关键参数,其取值决定于所承受的电应力和热应力。本文提出了一种基于应力分析法计算晶闸管失效率的建模方法。首先,建立了换流器关键部件和杂散电容的宽频模型。其次,仿真分析换流阀内不同区域元件的电应力分布,然后建立晶闸管的热阻抗模型,并分析对应的晶闸管的热应力分布。最后,建立了晶闸管可靠性模型,计算了相应的晶闸管的可靠性参数失效率,为进一步定量分析换流阀可靠性提供依据。     

HVDC换流阀桥臂短路电流耐受分析

提出一种高压直流(HVDC)输电换流阀短路电流仿真模型和晶闸管承受短路电流的结温预测方法,可证明换流阀晶闸管在系统最大短路电流工况下的耐受能力.分析换流阀桥臂短路原理,得出短路电流计算方法,通过基于PSCAD/EMTDC的6脉动换流阀桥臂短路电流仿真,获得短路电流、暂态电压、恢复时间等关键参数,结合晶闸管瞬态热阻,采用数据拟合与迭代法,实现晶闸管在短路电流下结温曲线的预测,进而得出晶闸管承受阀桥臂短路电流后的暂态电压耐受能力.试验结果表明该方法有较高的可靠性.     

基于晶闸管钼层实测温度计算结温的方法

为获得较准确的晶闸管结温,提出了基于晶闸管钼层实测温度计算结温的共扼梯度算法。分析了共轭梯度法用于求解结温的具体步骤,并通过FORTRAN语言编译形成LOG命令流,导入ANSYS软件中来实现算法,该方法对于未知的低频分量,以较少的迭代次数即可以得到准确解,对于未知的高频分量,通过多次的迭代也能够获得准确的返溯值,因而具备处理多个未知量且收敛速度快的优点。以KPD3000-72型晶闸管应用于直流输电领域为例,分别在直流稳态、单波次浪涌电流和3波次浪涌电流的试验条件下进行计算,结果表明所得结温准确,为传统热阻抗法提供了校核的依据。     

特高压输电线路用新型TCSC方案及其控制策略研究

为了在1 000 kV特高压输电线路或有较大额定电流的750 kV输电线路上加装可控串补(thyristor controlledseries compensation,TCSC),解决目前TCSC中所需晶闸管阀通流能力不足的问题,提出了一种基于双阀控电抗器(thyristor controlled reactance,TCR)支路并联的TCSC实现方案,并对其控制策略进行了研究。通过对幅值相等控制策略下双TCR支路TCSC进行数学建模,设计了相应的阻抗控制环节和幅值相等控制环节,实现了相应的控制目标。仿真结果表明,提出的TCSC实现方案及其控制策略可行,适用于工程应用。     

基于PSpice的品闸管电热模型研究

建立了一种新型的晶闸管PSpice电热模型,包含热模型和电模型,能提供发热和电气参数之间的动态关系,预测晶闸管结温的变化.该模型中所需要的热阻抗参数可以通过有限元方法得到,电气参数可通过数据于册和Matlab等工具得到.PSpice仿真结果与数据于册信息和实际情况相吻合,验证了该模型的实用性.     

Multilayer thermal object identification in frequency domain using IR thermography and vector fitting

This paper deals with the identification of the thermal parameters of multilayer objects using the concept of thermal impedance. In order to perform such identification, temperature evolution in time is obtained by an infrared camera after power excitation is applied in the investigated structure. Infrared thermography offers the advantage of being a noncontact temperature detection and measurement method. In many practical cases, it is impossible to use contact temperature measurements. Typically, the power in the form of a step function is applied. In order to calculate the thermal impedance of an object, temperature and power are converted into the frequency domain using the Laplace transform for s = jω. Then, the poles of the thermal impedance are identified using vector fitting, which allows calculating the thermal impedance as a sum of partial fractions. This corresponds directly to the Foster network of a thermal object. In addition, the vector fitting method offers much better convergence in comparison with other methods using the polynomial rational approximation of thermal impedance. A considerable improvement of the numerical Laplace transform in high frequency range is proposed. In this approach, the variable s = jω is replaced by , and then, the integration result is corrected by the Taylor series. It leads to a kind of filtering of the temperature signal.     

IGBT功率模块热网络模型建立及其 参数辨识方法综述和展望

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率变流器的核心器件,其可靠性受到广泛重视。而结温过高或者温度波动过高是导致功率器件失效的主要因素,故实时精确地监测IGBT模块结温对于提高其可靠性具有重要意义。通过建立热网络模型,然后对其电路进行仿真可获取结温,该方法因简单易行且可实现对结温的在线监测从而得到广泛应用。对现有的热网络模型进行了总结和归纳,并根据模型结构将其分为一维、二维和三维三类。然后,对近年来热网络模型的参数辨识方法的研究情况进行探讨,并对各个方法进行了比较和评价。在此基础上,对未来新的热网络模型和模型参数辨识方法的研究方向进行了展望。     

脉冲功率晶闸管的小型化

小型化与轻量化是脉冲功率电源实用化的关键技术。功率半导体开关占据了脉冲电源体积相当大的比例。为减少功率半导体开关的体积与重量,本文提出一种以减薄铜基座对其进行小型化的方法。该方法通过建立和求解晶闸管暂态热传导数学模型,来分析晶闸管在浪涌电流下温度对时间和空间分布的特性。计算结果表明:在脉冲功率应用中,晶闸管铜基座厚度与硅片的峰值结温无关,铜基座厚度仅对热量的扩散时间和热平衡后的稳态平均温度有微量影响。根据理论计算的结果,本文试制了薄壳晶闸管样品,其厚度仅为常规型号的一半。样品测试结果显示了晶闸管浪涌电流能力和di/dt与常规管壳的基本一致。薄壳方案同样适用于二极管。     

多机系统中可控串补(TCSC)抑制功率振荡的研究

以实际多机系统为对象，深入研究了可控串补抑制功率振荡的规律。在互联系统中，可控串补应该按照区间主振荡模式控制，当等效惯性中心间转速差为正时容抗值为最大值，转速差为负时容抗值为最小值，这样可以在最小时间内阻尼功率振荡。在长距离输电系统中，抑制功率振荡应该按照主振荡模式控制。     

可控串补基波阻抗数值算法及仿真研究

可控串联补偿技术不仅可以提高输电线路的输送容量、改善电网的潮流分布、增强系统的暂态稳定性,而且还可以抑制低频功率振荡和次同步谐振等.该研究对TCSC的基本结构及运行原理进行了介绍,通过求取TCSC回路中各电压电流,建立TCSC的数学模型,并进行谐振点分析,利用Matlab软件进行数值仿真计算,最后得到TCSC的基波阻抗...     

基于傅里叶级数解析热扩散角的功率模块热阻抗物理模型

绝缘栅双极型晶体管功率模块失效主要由温度因素诱发。为提高功率模块可靠性,RC热阻抗模型被提出用于实时预测芯片结温。随着功率密度的提高,模块横向扩散愈发明显,多芯片热耦合效应愈加突出,导致传统RC模型会引入较大误差。文中针对RC模型精准度不足进行改进,揭示热扩散角取决于热流密度的物理内涵,结合多层封装结构下的傅里叶级数解析热流模型,建立一维RC热网络与三维热流物理场的本质联系,构造计及多芯片热路耦合的扩散角热网络,较为准确地描述多芯片结温动态特性,揭示热扩散与热耦合效应对芯片温度场形成的规律。与其他传统热扩散角模型相比,所提出方法的结温计算结果准确度最高。最后以型号SEMi X603GB12E4p模块为例,针对提出的物理模型进行验证,仿真与实验结果均表明,该模型能够表征不同工况条件下功率模块的热过程,验证了所提建模方法的有效性与准确性,误差小于4%,且验证了所提模型较不计及热耦合模型精度提高了16.72%。     

Calculation of frequency response of thyristor‐controlled series capacitor

In this paper, we propose a method of analytically calculating an impedance of a thyristor‐controlled series capacitor (TCSC). The TCSC consists of a thyristor‐controlled reactor (TCR) and a capacitor. If a small voltage component of frequency f superimposes the TCSC voltage of frequency f_o, then current components of frequency (nf_o ± f) flow through the TCR, where n takes even numbers. We derive theoretical equations for them. In the derivation, we consider an influence of odd harmonics in the TCSC voltage. We also consider deviations in its zero‐crossing times due to the superimposed voltage. The current components flow through the capacitor and the transmission line, and produce new voltage components of frequency (nf_o ± f). In order to count their influence, we introduce admittance matrices for the TCR, the capacitor, and the transmission line. By solving a network equation consisting of the matrices, we can obtain the distribution of the voltage and current components. We define the impedance of TCSC as a ratio of the voltage component of frequency f to the current one of the same frequency. The impedance analytically obtained corresponds well with that obtained by simulations. Its frequency responses vary with the firing method of thyristors. © 2002 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 139(3): 35–44, 2002; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.1158