反向恢复电荷分散性对直流换流阀的影响

直流换流阀是直流输电的核心设备,它的设计性能直接影响整个直流系统的优劣。而晶闸管的反向恢复特性是阀设计时考虑的重要因素之一。为满足耐压要求,换流阀需多只晶闸管串联,但每只晶闸管的反向恢复电荷均不同,这种电荷分散性将引起晶闸管级端电压的不同。首先分析直流换流阀关断时刻反向恢复电荷差异对晶闸管级端电压的影响。在此基础上,分别分析反向恢复电荷分散性对阀最小触发电压和最小关断角的影响,推导其理论公式,并通过仿真验证公式的准确性。最后,得出在系统条件一定的情况下,阀设计时对所选用晶闸管的反向恢复电荷分散性的一般要求。     

反向恢复特性在高功率晶闸管检测试验中的应用

为研究高功率晶闸管的检测方法,围绕晶闸管换流阀例行检测试验中涉及的晶闸管反向恢复特性同外电路之间的关联关系展开了研究。实验研究了正向电流参数对高功率晶闸管反向恢复过程的影响,并结合直流输电工程的实际情况,研究了工频条件下晶闸管的反向恢复特性,得到了工频电流幅值与反向恢复时间的关系,提出了换流阀用高功率晶闸管实际工作时的物理模型。结果表明:正向电流幅值是反向恢复时间的主要影响因素,晶闸管检测试验参数需要根据晶闸管正向导通电流幅值的变化而改变;晶闸管关断时间与反向恢复时间的比值不小于1.18。该研究可为晶闸管控制保护单元的设计及其试验检测提供参考依据及理论支持。     

特高压直流输电换流阀用晶闸管反向恢复特性研究与分析

为了掌握直流输电换流阀现场检测关键技术,搭建了晶闸管反向恢复特性实验电路,实验研究了正向电流幅值、换向电流变化率等参数对特高压换流阀用晶闸管反向恢复特性的影响。基于工频条件下晶闸管单元反向恢复特性研究结果,并结合特高压直流输电工程实际,从晶闸管器件物理特性的角度对上述影响的机制进行了分析。结果表明:反向恢复电荷随着正向电流、换向电流变化率的增大而增多,导致反向恢复时间增长、恢复电流峰值增大,从而引起反向恢复特性的改变;当换向电流变化率较小时,正向电流对反向恢复电荷量影响不大,反之亦然;反向恢复时间在某一正向电流幅值下发生跃变,而后随着正向电流的增大而缓慢增长。该研究可为换流阀晶闸管级单元现场检测试验提供可靠的理论依据。     

基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器的开断能力,降低半导体器件的使用成本,提出了一种基于串联晶闸管强迫过零关断技术的具备双向开断能力的混合式直流断路器拓扑方案。在分析关断过程的基础上,推导了串联晶闸管阀与二极管阀组件反向恢复过程中均压回路的参数设计方法,然后以10 k V样机为例,开展了主支路和转移支路器件选型与参数设计,并搭建了10 k V直流断路器原理样机及其实验回路。研究结果表明：正常运行时,主支路由机械开关和少量的全控型半导体器件串联构成,其损耗较小;在开断电流时,故障电流首先转移至晶闸管阀支路,再通过放电回路注入反向电流迫使晶闸管阀过零关断,最后通过耗能支路吸收系统感性能量。原理样机实现了直流电压10 k V下短路电流峰值为8.8 k A的过零快速关断、且开断时间小于3 ms;转移支路可通过调整半导体器件的串联数量和选型大幅提升直流断路器的电压等级和故障电流耐受能力;串联二极管阀能在大电流关断暂态过程中抑制晶闸管器件的反向恢复过电压,降低晶闸管器件的损坏风险;在混合式直流断路器的换流和关断阶段,无需针对串联的晶闸管器件调整触发时间与匹配参数。综上所述,所提出的混合式直流断路器具有快速直流短路故障清除能力,可以作为未来柔性高压直流输电系统组网的工程实施方案之一。     

电压跌落影响换流阀晶闸管可靠关断的机理研究

交流系统故障引起的换相电压跌落,是导致基于晶闸管的电网换相换流器发生换相失败的重要原因。为了研究电压跌落对换流阀晶闸管可靠关断的影响,首先分析换相失败的产生机理,然后基于晶闸管器件的电流分段特性和电荷连续性建立晶闸管关断模型,结合电荷连续性方程,推导晶闸管关断过程的载流子复合表达式,通过分析晶闸管电流和载流子复合变化过程,揭示电压跌落影响换流阀晶闸管可靠关断的作用机理。SABER仿真实验结果表明,电压跌落会延长晶闸管的关断过程,不利于换流阀可靠换相。其中,随着电压跌落幅度增大,晶闸管载流子主恢复过程逐渐延长,反向恢复电荷逐渐减少,但正向阻断恢复时间会逐渐缩短,原因是剩余载流子的减少。同时,在系统条件一定的情况下,得到了反压幅值与晶闸管各关断参数的定量关系,为抵御换相失败方案的设计提供了更可靠的理论依据。     

基于晶闸管反向恢复电流分段拟合的直流换流阀换相过冲电压计算方法研究

晶闸管、RC阻尼回路和阀避雷器是特高压直流换流阀一次回路主要组成部分,确定三类器件的参数匹配是特高压直流换流阀电气设计的主要工作。该文揭示了换流阀换相过冲电压的产生机理,确定了三类器件参数的交互影响规律,建立了换流阀工作电路微分方程。通过对晶闸管反向恢复电流分段拟合的方法求解电路方程,最后通过试验验证了计算方法的精确性。     

HVDC整流侧阀饱和电抗器铁损仿真研究

建立了用以研究直流输送电流对饱和电抗器铁心损耗影响的,包含带反向恢复特性的晶闸管模型与非线性饱和电抗器模型的12脉动高压直流输电换流阀仿真模型,其中饱和电抗器模型是由非线性电阻模型与受控电流源并联构成的。以锦屏—苏南±800 kV/4 750 A高压直流输电工程整流侧使用的A5000换流阀为例,仿真了3组不同直流线路电流条件下饱和电抗器铁心损耗,仿真结果与现场实测数据相符。饱和电抗器的铁损不仅包括换流阀开通时产生的铁损,在换流阀关断以及断态时也会产生铁损。饱和电抗器铁损随直流电流的升高而增加。     

高压直流输电系统逆变侧阀饱和电抗器电气应力研究

为分析特高压直流输电工程中,逆变侧换流阀饱和电抗器的电气应力及损耗特性,建立了带反向恢复特性晶闸管模型和非线性饱和电抗器模型的高压直流输电逆变侧12脉动换流阀仿真模型。以锦屏—苏南±800kV/4 750 A直流输电工程使用的A5000换流阀为基础,计算了A5000换流阀工作在逆变状态时的电气应力和饱和电抗器损耗。结果表明,逆变侧换流阀承受较高的开通电压,电抗器的开通损耗远高于整流侧。但由于逆变侧换流阀承受较低的关断应力与断态应力,逆变侧的饱和电抗器损耗与整流侧总体相当。A5000换流阀可以在逆变状态下安全运行。     

±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。     

±1100kV/5000A特高压直流输电换流阀非周期触发试验仿真研究与试验验证

换流阀是直流输电工程中的核心设备,除电气设计及结构设计均比较复杂外,电器元件的选择也是核心工作,随着大功率电力电子器件的飞速发展,其技术的先进性和运行的可靠性也得到了大幅度提升,6英寸晶闸管现已在特高压直流输电换流阀上得到了普遍使用。换流阀在挂网运行之前需要对其进行绝缘型式试验,绝缘型式试验是对换流阀的绝缘性能进行全面的考核,文中将对±1 100 kV直流输电换流阀绝缘型式试验中的非周期触发试验进行研究,非周期触发试验是对换流阀考核最为严格和全面的一项试验,旨在考核换流阀在操作冲击电压下通过冲击电流的能力,同时也考核了VCM对换流阀晶闸管器件开通和关断的控制及保护能力。笔者利用PSCAD仿真软件对±1 100 kV换流阀的非周期触发试验进行了仿真分析,分析结果可知,给单阀施加规定的操作冲击电压574.4 kV时,单阀通过冲击电流的能力约为6 045 A,并得到试验验证。     

±800kV特高压直流输电系统主回路参数研究

为制定直流系统的控制策略并提供基本的稳态控制参数,以向家坝—上海±800kV特高压直流输电工程为依托,根据直流输电的基本理论并结合特高压直流系统的特点研究了主回路参数,提出了特高压直流系统的基本控制策略,以及2组12脉动换流器串联(400kV+400kV)构成±800kV特高压的全新换流站接线方案和灵活的运行接线方式。在主回路参数研究和设计中分析了影响主回路参数设计的关键因素,给出了特高压换流站主设备的参数,为特高压直流技术研究提供了基础数据。     

New Generation High Current Low Losses Thyristors for UHVDC Applications

New six-inch phase control thyristor(PCT)platform with enhanced current handling capability has been developed to enable an optimal design of converter valves for next generation Bulk power transmission.Silicon(Si)resistivity and wafer thickness of PCT are optimized to fulfil the demands laid on blocking capability while increasing the rated current.The parameters of electron irradiation are optimized for the best technology curve between the on-state voltage drop and reverse recovery charge.A narrow reverse recovery charge band has been identified for a safe voltage sharing in series connection with minimal demands on redundant PCT.Full utilisation of six-inch wafer and the optimized layout of cathode(snow-flake design)improves the on-state current ratings by nearly 20%compared to prior art thanks to the reduced on-state voltage by 10%.The on-state current rating for 7.2 kV device is up to 6.25 kA.The surge current capability increased by 30%and maximum surge current up to 63.5 kA is qualified for the 7.2 kV/6.25 kA device under the same test condition with improved packaging and reduced on-state voltage.Together with 30%lower value of circuit commutated recovery time,the new thyristor platform enables more efficient,powerful and stable converter valves for next generation ultra high voltage direct current transmission(UHVDC)systems with rated power beyond 10 GW.     

基于TCAD的脉冲作用下晶闸管反向恢复特性仿真研究

研究暂态脉冲电压作用下高压晶闸管反向恢复特性对于换流阀参数设计、故障保护以及试验检测等方面具有重要意义。本文首先参照晶闸管实际结构,建立了晶闸管二维半导体仿真模型,基于载流子漂移扩散模型求解,仿真获得了晶闸管静态击穿特性和反向恢复电流特性,通过与实验结果进行对比,验证了仿真模型的有效性。在上述基础上,建立了半导体器件-电路仿真混合模型,仿真表明：反向恢复期间电压脉冲易导致晶闸管误触发,误触发电压随脉冲施加时刻后移而升高,并对比分析了正常导通和误触发导通时晶闸管内部电流密度变化的异同。     

高压直流晶闸管阀故障电流下反向电压特性的分析

为分析高压直流晶闸管阀故障电流下的反向电压特性,采用电路拓扑模型分析法,建立了故障电流下反向分析的数学模型,并建立相应的试验模型对分析方法进行验证。对晶闸管结温、阻尼电阻电容参数、电流变化率和正向电流4个参数的影响进行了分析,并用数学模型进行仿真计算。分析结果表明:晶闸管结温、电流变化率和正向电流均可导致反向恢复电荷的改变,从而对反向恢复电压造成影响;阻尼电阻电容一定时,有唯一阻尼电阻使反向电压最小。结果验证了该仿真分析方法的可行性,且具有较高的精确度。     

新一代±800 kV/8 GW特高压直流工程换流阀晶闸管设计优化

新一代标准化±800 kV/8 GW特高压直流工程对换流阀晶闸管性能及可靠性提出更高要求。通过分析新一代标准化特高压换流阀设备的性能提升需求,明确了晶闸管产品的性能参数优化目标;在以往工程晶闸管研制的基础上,研究了进一步提升电流性能、降低通态压降、提高动态参数一致性及安全裕度的优化设计与工艺改进方法,完成了2种国产技术路线的新一代标准化±800 kV/8 GW特高压直流工程用8.5 kV/5 500 A晶闸管产品设计,并通过专项试验对比分析不同技术路线晶闸管产品的性能特点。研究及试验结果表明,经优化设计后,2种国产晶闸管产品的通态压降与通流特性均得到提高,动态参数一致性更优,安全裕度进一步提升,2种国产晶闸管产品均能够满足新一代特高压工程要求。     

高岭背靠背工程换流阀电气设计

高压直流背靠背工程的主要用途就是使不同电压等级和频率的两大交流系统联网,其中换流阀是换流站中的主要设备,它的作用是把交流电力变换成直流电力,或者实现逆变换.针对高岭背靠背工程±125 kV换流阀电气设计主参数要求,依据换流阀技术规范,通过模拟仿真分析计算,优化了的晶闸管参数,计算出单阀晶闸管串联数、阻尼电阻、阻尼电容、...     

用晶闸管宏模型分析换流阀内电压分布特性

晶闸管器件性能和缓冲电路参数会影响换流阀内电压分布特性。在晶闸管断态情况下进行换流阀电路参数选择，其结果明显具有局限性。用考虑二次效应、温度特性和反向恢复过程的晶闸管宏模型，对换流阀内的一个晶闸管模块与饱和电抗器的串联电路进行了动态仿真，分析了晶闸管器件参数分散性和缓冲电路参数对换流阀内电压分布特性的影响；同时还考虑了换流器换流时换流阀内电压振荡特性。     

扎鲁特—青州±800kV特高压直流输电工程运行特性分析

对蒙东扎鲁特—青州±800 kV/10 000 MW特高压直流输电工程主电路设计和运行特性进行仿真分析。根据现有直流工程设计方法及本工程特点,给出了两端换流站一次设备的主要参数,建立了该工程整体PSCAD仿真模型,进行了双极全压和双极降压70%运行方式下系统运行特性的仿真计算,验证了主电路参数设计的正确性。进行了整流侧三相短路、逆变侧两相短路和换流阀短路故障时的仿真计算,分析了系统故障情况下的运行特性。研究结果为该特高压工程后续各项研究提供了参考。     

交流线路对平行架设特高压直流线路的影响及限制措施

随着电力需求的不断增长以及输电线路走廊资源的紧缺,在一些地区可能出现特高压直流线路与交流线路平行架设或同走廊的情况。根据向家坝—上海南汇±800kV特高压直流主回路参数和规划的1 000 kV交流线路数据,采用EMTDC程序建立了特高压交/直流输电系统的仿真模型。计算了交/直流线路不同平行架设长度、不同接近距离下特高压直流线路上感应的工频电压、电流。研究了换流变阀侧直流偏磁电流与直流线路工频感应电流的关系,给出了换流变阀侧直流偏磁电流的计算结果。最后对交/直流线路的平行长度,它们之间的接近距离以及抑制换流变压器阀侧直流偏磁电流的措施提出了建议。