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。     

多维因素综合作用下换流阀晶闸管载流子迁移恢复特性解析及关断机理研究

明确换流阀晶闸管在逆变侧交流故障期间的关断特性及关断机理对抑制换相失败十分必要。影响晶闸管关断的主要因素有正向电流、电流过零点下降率和结温等，为明确上述因素综合作用对晶闸管关断特性的影响机理，该文首先基于考虑器件物理特性的晶闸管详细关断模型研究其换相关断过程，搭建晶闸管换相关断等效电路；研究上述因素间的作用关系及综合作用下的晶闸管关断特性，并通过对载流子迁移恢复特性的解析，获得晶闸管换相关断过程中的恢复电荷迁移特征。最后，得到使晶闸管可靠关断的阻断能力恢复时间及换相结束时剩余电荷值，以阻断能力恢复时间、临界关断角等指标定量评价各因素综合作用对晶闸管关断特性的影响程度。结果表明，在相同的换相起始条件下，当故障导致正向电流增大时，不考虑多因素综合作用的晶闸管阻断能力恢复时间偏长，会对系统提出更高的关断要求；仅考虑正向电流和电流过零点下降率二者综合作用时阻断能力恢复时间偏短，会增加换相失败误判风险；考虑三种因素综合作用后所得到的晶闸管阻断能力恢复时间更加准确。     

主动抵御换相失败的增强型电网换相换流器控制策略

为了进一步提高增强型电网换相换流器对换相失败的防御能力,结合换相回路的阻抗分流特性和晶闸管的关断特性,提出了一种应用于基于增强型电网换相换流器的高压直流(ELCC-HVDC)系统的新型协调控制策略.该策略分为辅助换相控制和主动可靠关断控制,前者加速了换相过程,提高了系统换相裕度;后者可靠关断退出导通的阀臂,保障了阀内晶闸管恢复阻断能力的物理条件.此外,分析了子模块全控器件在所提策略下的电气应力并为其设计了最佳初始电容电压.PSCAD/EMTDC仿真结果表明,子模块全控器件的电气应力与理论分析相符,新型协调控制策略提高了ELCC-HVDC系统的换相失败防御能力.     

一种基于反并联晶闸管全桥子模块的新型电容换相换流器

为了改善电容换相换流器(capacitor commutated converter,CCC)的故障特性,提出了一种基于反并联晶闸管全桥子模块的新型电容换相换流器拓扑(enhanced capacitor commutated converter,ECCC)。ECCC从提高电容电压可控性的角度出发,将换流阀和换流变压器之间的固定电容替换为反并联晶闸管全桥子模块。设计了子模块晶闸管与阀臂晶闸管的协调控制策略;分析了子模块晶闸管的电压电流应力。在PSCAD/EMTDC环境中对ECCC的子模块电压电流应力、抵御换相失败的能力和换相失败后恢复能力进行了仿真研究。结果表明:ECCC可以有效降低换相失败发生的概率;同时,由于其对电容电压的灵活控制能力,可以有效避免换相失败发生后类似CCC换流器失去自恢复能力的问题,具备故障快速恢复能力;并且,子模块的电压电流应力均在合理范围内。     

晶闸管阻断恢复期保护定值的研究

为尽可能减少换流阀的换相失败,发挥晶闸管的更大效能,在此介绍了高压直流输电(HVDC)换流阀中晶闸管的阻断恢复期特性,并给出阻断恢复期保护的两种方法及保护定值的选取原则.对于因阻断恢复期保护定值设置不合理而造成部分试验或运行晶闸管的损坏,此处也进行了分析,以增强理解阻断恢复期保护的关键点和必要性.     

半控和全控器件串联的耦合关断模型及协调配合策略EI北大核心CSCD

换流器拓扑改造是从器件角度彻底解决换相失败(commutation failure,CF)问题的尝试。然而,目前相关研究忽略器件开关特性,导致关断模型不清晰,无法准确判断晶闸管阻断能力恢复过程并分析作用机理。文章基于器件层面的考虑分析CF的原因,研究一种半控和全控器件串联的结构。首先,分析其耦合关断过程的电流流通路径,进而建立耦合关断特性模型并详细分析其作用机制。然后,基于该机制,提出一种考虑器件阻断特性的半控和全控器件串联协调配合策略。最后,仿真验证半控和全控器件串联结构能够改善晶闸管的关断特性,提高双馈入高压直流输电系统抵御CF的能力。     

基于直接测量的换相失败检测及预测方法研究

换相失败是高压直流输电系统逆变侧换流阀较易发生的典型故障,连续换相失败会对电网造成严重危害,传统基于交流或直流运行参数的间接判断法存在响应时间慢、误判率高等缺陷。此处首先分析了换相失败机理,换相失败后晶闸管阀将继续导通,不会承受正向电压,而实际关断角小于最小关断角是导致换相失败的根本原因之一。利用换相失败后晶闸管阀电压波形特征,提出了通过设置采样窗口,直接测量晶闸管阀电压来检测换相失败故障的方法,同时测量晶闸管阀的实际关断角,用于评估换相失败风险。搭建了基于RT-LAB的闭环测试平台,验证了此处所提换相失败检测方法和关断角测量功能,为解决高压直流输电换相失败故障奠定了坚实的技术基础。     

半控型H桥子模块提高HVDC换相失败免疫力的机理

为提高传统直流输电(line-commutated-converter high voltage direct current,LCC-HVDC)换相能力,提出一种适用于串入LCC-HVDC阀臂的半控型H桥子模块拓扑结构。它由晶闸管和电容器构成,从提高LCC-HVDC系统阀臂电压可控性的角度增大换相电压裕度。设计了子模块的工作原理及其基本控制策略,分析了子模块晶闸管电压电流应力及电容器相关参数,仿真计算了换相失败免疫因子与子模块个数关系。PSCAD仿真表明,阀臂串入半控型H桥子模块的LCC-HVDC,系统对称及不对称故障下其换相失败发生概率明显降低。研究结果验证了子模块拓扑的有效性及可行性,为解决换相失败问题提供了一定的思路。     

高压直流输电工程换相失败研究

晶闸管换流阀在逆变工作模式时,对连接换流阀的交流系统、直流系统以及换流阀自身的状态要求比较严苛。当逆变侧出现换相失败时,换流阀会承受较大的电流应力,同时也会产生交流系统频率跌宕、直流侧电流陡增等现象。韩国济州高压直流输电工程在调试过程中多次发生的换相失败现象,文中从换相失败发生机理出发,通过现场试验研究和模拟故障现象仿真等方法综合分析,确定出故障发生原因并有效解决了换相失败问题,满足工程运行要求。     

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。     

七电平电流源型换流器无源逆变试验与分析

普通晶闸管换流阀无关断电流的能力,需要借助电网电压完成换相,不适用于没有交流电网的无源逆变电路.为了将晶闸管换流阀应用于柔性交直流电网,以并联十二脉动晶闸管换流器为前级,以七电平直流电流分配单元为后级构成级联型电流源逆变器.七电平直流电流分配单元不仅实现了对直流母线电流的动态平均分配,而且形成了周期性的直流电流过零点,为十二脉动晶闸管换流器提供零电流换相条件,从而实现晶闸管换流阀的强迫换相.实现强迫换相的晶闸管换流阀外特性相当于全控型逆阻器件,因此换流器可实现无源逆变.在对电路拓扑、调制方法进行详细分析的基础上,设计了额定功率为0.5 MW的七电平柔性直流换流器试验装置,以三相电阻为负载,进行了无源逆变试验.试验结果验证了大电流工况下,晶闸管换流阀与多电平直流电流分配单元协同作用实现晶闸管换流阀受控关断的可行性和可靠性.     

逆变站换相失败故障特征及发生机理

介绍直流输电工程逆变站发生换相失败的外界诱因,通过实例分析换相失败后电力系统参数的变化,最后从晶闸管结构及特性方面阐述换相失败的发生机理,得出晶闸管关断过程就是积累的非平衡载流子消失的过程,如果在晶闸管电流过零到承受正向电压这段时间内,非平衡载流子的浓度没有下降到比临界存储电荷小的程度,那么晶闸管在承受正向电压后将重新导通的结论。     

直流输电系统逆阻型IGCT换流阀研究

换相失败是基于晶闸管换流阀的高压直流（HVDC）输电系统常见故障,严重威胁电网安全运行。为有效解决换相失败难题,此处从电力电子器件的基本特性出发,提出了基于逆阻型集成门极换流晶闸管（IGCT）换流阀的换相失败抑制方法和直流输电系统拓扑方案。搭建了系统仿真模型,对比研究了在直流系统逆变侧出现换相失败故障后,采用晶闸管换流阀和逆阻型IGCT换流阀对直流系统的影响情况。仿真结果表明,逆阻型IGCT换流阀对换相失败故障的抑制效果良好。根据目前IGCT器件的研制水平,设计了逆阻型IGCT换流阀,并提出了控制逻辑。基于研究成果,进行了逆阻型IGCT换流阀样机研制。为验证样机性能,搭建了合成试验回路系统,开展了逆阻型IGCT换流阀的通流试验和电流关断试验,试验结果证明IGCT换流阀的设计和研制满足要求。研究结果可为以后直流输电工程的系统研究和换流站关键设备设计提供参考。     

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。     

混合串联换流阀抑制换相失败的作用原理及动态均压电路参数设计

采用全控型电力电子器件改造电网换相换流器高压直流输电技术(line commutated converter high voltage direct current,LCC-HVDC)来抑制换相失败(commutation failure,CF)是目前研究热点,但忽略器件差异性会对拓扑作用原理和器件电气应力分析产生关键影响,降低了工程应用的参考意义。文中研究一种由晶闸管与可关断管串联构成的混合换流阀(hybrid series converter valve,HSCV),考虑器件特性的差异。设计HSCV的工作状态,分析HSCV的抵御CF的作用原理。对HSCV器件进行合理选型并设计关断时序。分析关断过电压现象,并基于电压电流应力提出可关断管动态均压支路参数的设计原则。SABER和PSCAD/EMTDC仿真结果表明,HSCV能够增大晶闸管恢复正向阻断能力的时间,防止该阀重新导通和倒换相;提出的参数设计原则可以合理设计动态均压支路,有效解决可关断管的过电压问题,满足器件参数要求;相较于LCC-HVDC系统和其他经全控型电力电子器件改造的LCC-HVDC系统,基于HSCV的高压直流输电系统具备...     

高压直流输电晶闸管阀开通的电流应力分析

高压直流输电晶闸管阀开通产生的电流应力是其电气特性研究的重要内容之一.对阀开通电流应力分析的原有电路模型进行了改进,并对阀开通的暂态过程进行较为详尽的分析.分析把把开通过程分为3个阶段进行,并推导出各阶段晶闸管阀开通电流应力计算的非线性微分方程组,采用龙格-库塔法对方程组进行计算;此外对晶闸管阀换相开通的电流应力及其影响凶素进行较为全面深入的分析,最后得到各种运行条件和各类电路参数变化时开通电流应力的变化情况,并总结出其中的关键因数.     

载流子寿命与高压晶闸管反向恢复特性的关系

掌握晶闸管反向恢复特性对改进晶闸管换流阀电压分布、降低换相失败具有重要意义。为研究晶闸管的反向恢复特性,文中从外部电路条件和内部物理设计参数两个方面,通过实验方法对高压晶闸管的反向恢复特性作了较为深入的探讨。实验研究了工频电流对高压晶闸管反向恢复过程的影响,并将器件的外特性与内部物理过程相联系,通过分析反向恢复时间与载流子寿命的关系,得到少数载流子(简称少子)寿命对高压晶闸管反向恢复特性的影响规律,并分析了反向恢复特性对晶闸管阀暂态特性的影响。结果表明,在正弦电流波形和大注入的情况下,少子寿命与反向恢复存储时间相近;影响反向恢复特性的主要因素是少子寿命,高压晶闸管串联应满足少子寿命相等或近似的条件。     

基于高频模型的换流阀换相过冲研究与阻尼回路参数优化

为了抑制晶闸管换流阀在关断过程中产生的换相过冲电压,晶闸管两端需要安装阻尼电路。阻尼回路参数优化是换流阀设计的重要环节,其参数取值需要协调换流阀关断暂态的各项电气性能,确保换流阀安全可靠运行。首先建立了换流阀换相过冲电压计算电路,并对换流站设备高频参数对换流阀电压的影响进行详细分析。然后,对阻尼回路参数设计中所需要考虑的各项电气性能指标进行了详细讨论,并总结了阻尼回路参数对这些指标的影响。最后,提出可结合电磁暂态数值计算和非线性单纯形法对阻尼回路参数进行优化,并通过实例对该方法的可靠性和灵活性进行说明。     

高压直流输电系统连续换相失败研究综述

高压直流输电系统连续换相失败是引发交直流混联电网连锁故障的重要诱因,换相失败的本质原因是晶闸管没有自关断能力。因交流故障难以预测,首次换相失败难以避免,但首次换相失败演化为连续换相失败的过程受高压直流控制系统快速跳变和交流系统继电保护动作的影响。分析了高压直流连续换相失败的演化机理,介绍了判别连续换相失败的方法,归纳了连续换相失败的处理方式,并对其特点进行了分析。     

UHVDC系统换相失败故障过程分析及运行参数影响研究

受端交流系统故障是诱发特高压直流系统换相失败的主要原因,严重影响电网安全。为充分明晰交流系统故障下特高压直流系统换相失败期间阀组换相过程和控制响应,通过故障过程的电磁暂态仿真,基于换相面积理论对比阀组实际关断面积和最小关断面积,分析换相失败的主要原因。对运行参数与换相失败和故障恢复的灵敏度展开研究,发现低压限流环节参数和逆变侧控制的比例系数、积分系数对换相失败和故障恢复过程有明显影响,可以在控制系统优化时重点考虑。该研究可为特高压直流换流站换相失败故障分析及稳定运行提供参考。