用短路发电机进行换流阀故障电流试验

阀故障电流试验作为考核换流阀短路电流耐受能力的运行型式试验项目,必须在与实际运行工况最为等价的试验回路上进行。短路发电机系统既能提供阀故障电流试验要求的短路电流,同时又能够在短路电流过零时刻立即提供预期恢复电压,具有较高的等价性,是进行阀故障电流试验的一种理想回路。短路发电机系统进行阀故障电流试验时,先利用阀运行试验合成回路提供换流阀正常工况下的运行条件,在换流阀结温及运行参数满足要求时,通过短路发电机系统模拟实际运行中的突发短路故障,使换流阀流过标准规定的短路故障电流,并承受恢复电压,以考核其故障电流耐受能力。     

MMC子模块IGBT短路实验平台设计与实现

在模块化多电平换流阀(modular multilevel convertor,MMC)实际运行中，绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)或其驱动器故障会导致子模块直通短路，造成器件损坏，该短路工况对于IGBT的短路保护以及可靠性研究具有重要意义。该文分析MMC子模块直通短路的类型并提出该短路工况实验平台的设计要求。针对短路振荡和电磁干扰问题进行优化设计，对短路回路寄生电感进行调整，研制MMC子模块短路实验平台并进行实验验证。实验结果表明，所研制的实验平台可以满足MMC子模块用IGBT的短路实验的需求。     

集成化直流换流阀短路试验研究

基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电(HVDC)技术已经取得了快速发展.这里根据MMC-HVDC换流阀半桥子模块的拓扑结构,分析了最为严重的直流双极短路故障工况,得出了短路电流的解析表达式.短路电流试验是考核换流阀耐受短路电流能力的重要型式试验项目,根据试验的等效性原则,提出了基于合成方法的短路试验系统拓扑方案,并建立了合成试验回路的仿真模型,进行了仿真研究.最后,搭建了实际的短路试验系统,对集成化柔直换流阀进行了短路电流试验.试验波形与仿真结果一致,证明了仿真和试验回路设计的正确性.这里的研究结果可为后续换流阀的试验考核提供参考.     

高结温无延迟的VSC-HVDC阀合成试验方法

为了实现对电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC)换流阀稳态应力和直流双极短路暂态应力的综合考核,提出了一种高结温无延迟的VSC-HVDC阀合成试验方法及其电路拓扑。无延迟的特点保证了注入带直流偏置的短路大电流时换流阀开关器件处于最高稳态结温状态,同时该方法有效地降低了换流阀的试验成本及电源需求。首先,分析了VSC-HVDC换流阀稳态运行和直流双极短路故障时的电应力。其次,结合应力等效机理,提出了高结温无延迟的VSCHVDC合成试验方法,并阐述了其运行机理。最后,通过搭建仿真模型和试验平台进行了验证,结果证明了提出的合成试验方法及其电路拓扑的可行性和有效性。     

柔性直流输电换流阀运行状态在线监测系统设计

设计了一套柔性直流输电换流阀运行状态在线监测系统,通过对换流阀子模块的电容电压、IGBT开关频率、温度以及阀冷、阀控等运行参数的在线监测,实时分析并预测换流阀的运行状态。提出了一种基于专家数据库的故障预测方法,可根据在线监测到的换流阀运行参数来提前预测其异常发展趋势,有利于故障的及早发现和预防。完成了在线监测系统的软硬件设计,并搭建了小容量的柔性直流输电物理动模试验平台进行了测试验证,测试结果表明,该系统可实现对柔性直流输电换流阀运行参数的在线监测和分析,为换流阀可靠运行提供了一种有效的监测手段。     

柔性直流换流阀IGBT过流失效研究

IGBT过流失效极易导致模块爆炸、水冷系统漏水甚至换流阀停运,是危害柔性直流输电系统安全运行的重要因素之一。基于模块多电平柔性直流换流阀结构特点和运行工况,总结分析了柔性直流换流阀IGBT的短路过电流、脉冲式过电流和续流二极管过电流这3种过流失效类型及其特征;结合MMC换流阀的工作原理及特点,提出了IGBT 3种过流方式的保护方案及参数配置方法;通过±420 kV/1250 MW换流阀采用的3300 V/1500 A焊接型IGBT器件进行了失效分析与保护方案的试验验证,试验结果证明了过流失效分析的正确性和过电流保护方案的有效性。     

基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统设计

换流阀是柔性高压直流输电工程中完成电能变换的核心模块,其运行可靠性直接关系到整个直流输电系统的稳定性,因此需对换流器阀进行严格的型式试验.运行试验是型式试验的重要一环,主要检测换流阀对电流、电压和温度应力的耐受情况.依据模块化多电平换流器(MMC)型电压源换流阀实际工程运行工况,采用等效试验的方法,设计了一种基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统,可对换流阀的稳态工况和暂态工况进行模拟,进而实现对换流器阀的导通、关断和有关电流特性的检验.详细介绍了基于MMC的柔性直流输电换流阀试验系统的主回路和控制系统设计,并以实际工程换流阀组件为试验对象,验证了所设计的基于MMC柔性直流输电换流阀试验系统的正确性和实用性.     

±500kV柔性直流阀段等效试验设计和控制

对±500kV柔性直流多电平换流器桥臂的工作原理进行了分析,在对阀段稳态工况和直流侧短路工况的基本特征进行总结的基础上,基于稳态和短路状态下电压应力、电流应力和热应力的等效工作原理,设计了一种功率模块试验装置等效试验电路,可满足不同功率等级的至少一个功率子模块在稳态工况和短路工况下的试验要求,针对该等效试验电路,在模型分析的基础上设计了满足试验要求的控制策略,以及设计了基于三层结构的阀段控制保护系统。搭建了一个五模块的2组阀段系统组成的2个桥臂,进行了相关的试验验证。试验结果表明,所提功率模块试验装置等效试验电路以及阀段控制保护系统能够满足试验要求,对多组阀段系统的控制方法是有效的。     

计及运行工况的MMC换流阀可靠性建模与分析

模块化多电平换流器(MMC)换流阀作为高压直流输电系统的核心设备,其可靠性关系到整个输电系统的安全稳定运行。以典型高压直流输电MMC换流阀为例,考虑换流阀运行工况,建立基于故障树分析方法的MMC换流阀的可靠性模型,并对其薄弱环节进行分析。首先,建立融入换流阀运行工况IGBT、二极管等元件的故障率模型;其次,考虑MMC换流阀功率模块和外围控制保护系统等,运用故障树分析方法,建立MMC换流阀故障树模型,得到相应可靠性指标的表达式;最后,根据可靠性指标公式计算各元件的故障率,采用概率灵敏度和关键灵敏度指标,辨识MMC换流阀的薄弱环节。结果表明:在整流和逆变工况下,MMC换流阀和元件的故障率最大,而在纯无功工况下故障率最小; IGBT模块和电源供给是MMC换流阀的薄弱环节,MMC子模块性能对换流阀可靠性的影响最为显著。     

混合多端直流输电系统柔直换流阀电气应力抑制策略研究

混合多端直流输电系统中逆变站采用子模块混合型模块化多电平电压源换流器(MMC)并联,因此对子模块混合型MMC换流阀电气应力及抑制策略进行研究对于系统安全性和可靠性分析具有重要的意义。首先分析了混合多端直流输电系统运行原理;然后进一步分析了MMC换流阀电气应力产生机理,并在此基础上提出了MMC换流阀电气应力抑制策略;最后在PSCAD/EMTDC软件中建立3端LCC+MMC+MMC型混合直流输电系统,并对MMC换流阀电气应力抑制策略进行了仿真验证。通过本文研究可知,故障发生过程中非故障换流站持续注入能量是MMC换流阀电气应力增大的主要原因,采用泄能装置后可以有效抑制MMC换流阀的电气应力。     

模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑及其控制方法

为了考核模块化多电平换流阀应力及其运行可靠性,针对高压大容量柔性直流换流阀子模块电压逐步提高的情况,提出了一种模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑及其控制方法。首先对柔性直流换流阀的典型运行工况进行了应力分析;其次,结合应力分析,提出一种模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑,并建立了该试验拓扑的数学模型,阐述了其运行机理;同时,通过控制量的对称性,实时消去了交直流控制量中的直流分量;最后,搭建了仿真模型并进行了验证。结果表明,提出的模块化多电平换流阀新型运行试验拓扑及其控制方法具有正确性和有效性,所提试验拓扑降低了直流试验电源的电压需求,其控制方法简化了试验电路的控制。     

牵引变流器中6 500 V场终止IGBT的物理场仿真研究

绝缘栅双极性晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)凭借其优异的载流和抗压能力,在牵引变流器中得到了广泛的应用。通过仿真研究了解其动态特性,对于保障其自身和系统的运行稳定性和可靠性具有重要意义。针对牵引变流器用大功率IGBT封装模块,在分析IGBT工作原理和特性的基础上,充分考虑其静态特性、动态特性以及封装寄生参数影响,结合寄生参数提取矩量法和IGBT动态模型等效电路分析法,建立了精确的IGBT封装电路模型,并通过仿真测试分析对模型进行了验证。此外,以牵引变流器中的整流器电路为例,依据IGBT封装精确电路,构建了更为详细的整流器精确电路模型。仿真结果表明,精确电路模型比理想电路仿真输出能够更加准确地突出系统的高频信息,这对于针对含有大功率IGBT器件系统开展损耗计算、电磁兼容性分析以及风险评估等极具参考价值。     

IGBT模块开关特性测试研究与驱动参数选择方法

工业应用中需要根据工况选用合适的IGBT模块,不能直接参考模块数据手册上的数据来应用模块。本文针对特定的应用工况搭建硬件和软件电路,进行全面自动化双脉冲测试,分析了各工况条件对开关特性的影响,为IGBT模块的实际工况运行优化设计以及功率能力评估提供参考。同时,还提出了一种驱动电阻的优化切换方法和一种最佳驱动电路和驱动参数的选择方法。     

MMC阀子模块IGBT损耗与结温计算

模块化多电平整流器(modular multilevel converter,MMC)子模块具有承受高电压、大电流等特点,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)又是子模块的关键器件,而IGBT的损耗和结温计算方法决定IGBT的热设计和选型,是影响其在MMC工程应用的关键因素。文中首先对MMC稳态运行时子模块承受的应力进行了分析,其次,结合通态电流、子模块的投切和结温估算模型,设计了一种IGBT损耗和结温的计算方法,最后在搭建的试验系统中进行验证,结果证明了所给出的计算方法有效可行。     

利用电容放电现场测量变流器IGBT模块损耗

为克服传统方法存在误差较大或工程实施困难的不足,提出一种变流器IGBT模块损耗现场测量的新方法。该方法利用直流电容放电过程现场对变流器IGBT功率模块的损耗特性进行测试,以验证变流器性能或诊断功率模块早期故障;通过适当控制变流器内各个IGBT导通与关断,构成直流电容Buck放电电路实施损耗测试。采用英飞凌1200 V/50 A功率模块FF50R12RT4搭建的380 V/10 k W变频器进行了实验研究,实验结果验证了该方法的可行性与有效性。现场测试方法充分利用变流器停机间隙和电容储能对负载电感放电进行测试,无需额外增加硬件,具有经济、方便、安全等优点。     

考虑故障阀臂封锁条件下的VSC-HVDC换流器故障诊断算法

针对两电平柔性直流输电(VSC-HVDC)系统换流器内部常见的IGBT阀器件短路失效、桥臂直通、交流侧单相接地、交流侧两相短路、直流单极接地这5类贯穿故障,研究了换流器故障保护与诊断的协调配合方案,分析了保护闭锁条件下系统直流电压及交流电流的变化规律,据此提出了利用闭锁时刻的直流电压及闭锁后2个周期的三相交流电流作为特征信号进行换流器故障分类与定位的诊断方法,并确定了用于区分故障类型的电压、电流诊断阈值。对换流器严重贯穿故障进行仿真,利用PSCAD/EMTDC模型对所提出的诊断方法进行了验证,结果表明该方法不仅能可靠识别故障类型,还能准确定位故障位置,可用于故障阀臂闭锁条件下VSC-HVDC换流器的故障诊断。     

基于温度的MMC变流器均压控制方法

为了提高MMC变流器的可靠性,在传统均压控制的基础上引入了热平衡控制,通过控制子模块的投切过程以减少子模块温度波动,实现MMC变流器可靠性的改善。针对子模块温度的估算,提出了以IGBT模块的福斯特热网络模型为基础的子模块温度计算方法,在电压均衡和热平衡控制过程中选择需要投切的子模块,通过减少不必要的子模块投切动作以降低子模块温度。采用Matlab/Simulink仿真平台对该控制方法进行验证,并将其验证结果与传统均压控制的温度波动和均压效果进行比较分析。结果表明该控制方法可有效降低器件温度波动,提高变流器的可靠性,具有较好的实用性。