高压大容量MMC子模块下部IGBT损耗优化方法

当高压大容量模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)传输有功功率时,由于桥臂电流中存在直流分量,同一子模块中的4支功率半导体器件产生的损耗并不均衡。特别是当MMC工作于逆变工况时,子模块下部IGBT的损耗尤为严重。由于IGBT对温度变化十分敏感且易于失效,因此在逆变工况下子模块下部IGBT的温升管控是限制MMC安全运行区间的主导因素。提出一种器件层面的损耗优化方法,其不仅可以减少逆变工况下子模块下部IGBT的损耗,还可以减少系统的总体损耗。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真和MMC样机高压试验证明了所提方法的正确性和有效性。     

基于线性最优的MMC子模块电容电压均衡控制策略

为进一步优化模块化多电平换流器(MMC)子模块控制策略,尤其是能够兼顾子模块电容电压波动、桥臂环流二次谐波含量、子模块绝缘栅双极型晶体管(IGBT)投切次数和算法计算量四方面的性能,提出一种基于线性最优解的MMC子模块电容电压均衡控制策略。首先,阐述了子模块电容电压波动和子模块IGBT投切次数之间的相悖性,通过理论分析证明子模块电容电压波动与桥臂环流二次谐波含量之间也存在非线性关系,需寻找适当算法使其三者同时达到最优情况。然后,针对此目标,对传统算法进行优化,增加附加调节子模块功能,并结合子模块电容电压均衡控制策略,详细阐述了所述算法的控制流程及其优越性。最后,通过动模试验对传统控制策略、子模块电容电压均衡控制策略、所提控制策略及其他采用不同数量的附加调节子模块的控制策略进行对比。试验数据表明,所提策略可以在子模块电压波动、桥臂环流中的二次谐波含量和子模块IGBT投切次数三方面达到线性最优。     

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。     

温度对3种IGBT结构通态特性的影响

从温度对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)通态特性影响出发,建立了3种1200 V穿通型-IGBT(PT-IGBT),非穿通型-IGBT(NPT-IGBT)和场阻止-IGBT(FS-IGBT)结构模型,分析了通态模型中通态电流和压降的组成成分,仿真了3种IGBT结构的通态温度特性,分析了温度对3种IGBT结构通态特性的影响,得出了PT-IGBT的通态压降具有负温度系数,NPT-IGBT和FS-IGBT的通态压降在不同电流下的两种温度系数及温度对FS-IGBT的通态压降影响最小等结论。     

换流阀子模块IGBT短路测试系统分析与设计

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是换流阀子模块的核心器件,研究其抗短路能力对于提高换流阀可靠性具有重要意义。根据模块化多电平换流阀的运行机理,设计了一种换流阀子模块IGBT短路试验回路与系统,进行了换流阀在稳态运行下IGBT短路故障试验,从而实现对IGBT的稳态应力和短路故障下的暂态应力综合考核。最后通过试验平台进行验证,结果表明所提试验回路和系统的正确性。     

两电平电压源换流器的损耗计算方法

功率损耗影响电压源换流器的效率,是实际工程应用中必须关注的一个问题.采用多项式方法拟合绝缘栅双极晶体管IGBT(insulated gate bipolar transisitor)厂商提供的特性曲线,建立多项式损耗模型,给出了适用性强的IGBT模块损耗计算方法.在LabVIEW下编写了损耗计算程序,对两电平电压源换流...     

柔性直流输电工程中MMC模块内IGBT运行时暂态电压精确测量方法研究

模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)作为柔性直流输电的核心装置,运行状态关IGBT)的运行状态,提出了一种适合实际模块结构的IGBT暂态电压全过程精确测量方法。根据MMC结构设计了宽频电压传感模块,分压比为10 000:1,最高测量电压为10 kV,频响范围为DC～40 MHz。采集模块分为高电位和低电位模块,采样率为100 Ms/s,模拟带宽20 MHz,两模块之间采用光纤联接,有效解决了高电位测量中的绝缘问题。通过模拟阶跃试验和真型MMC平台试验验证了测量系统的分压比、频响特性等各项性能指标到达了设计要求,实现了柔性直流输电工程中MMC模块内IGBT运行暂态电压的实时监测,有利于及时发现MMC缺陷,提升运行稳定性。     

模块化多电平换流器子模块IGBT损耗优化控制策略

模块化多电平换流器(MMC)因具备模块化、调度灵活等优势得到广泛应用.然而,逆变工况下,MMC子模块上下管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的损耗分布不一致,导致子模块内各器件的寿命差异大,而系统可靠性取决于寿命最低的器件,因此,子模块器件的可靠性将严重威胁到换流器的安全可靠运行.为此,文中提出了一种MMC子模块IGBT损耗优化控制策略.所提策略可以在不影响输出外特性的同时,改善子模块内部器件的损耗分布,提高系统的可靠性.具体而言,分析了模块内部损耗不平衡产生的机理,并通过在调制信号中叠加修正量的方式,减小子模块上下管IGBT的损耗偏差,实现了结温均衡.最后,通过损耗优化的数学证明及热-电联合仿真和器件寿命计算,验证了损耗分析的正确性及所提损耗优化控制策略的可行性.     

IGBT损耗和温度估算

为获得绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在工作过程中准确的功率损耗,基于数学模型及测试,建立了一种准确计算功率逆变器损耗模型的方法。通过双脉冲测试对影响IGBT开关损耗的参数(E_on、E_off和E_rec)进行准确测量,建立了一种通用的功率器件导通损耗和开关损耗模型。在考虑IGBT芯片间热偶合影响基础上提出了一种结温估算数学模型。搭建三相电感结温测试平台,通过结温试验验证了IGBT模块损耗模型和结温预估算型准确性。该损耗模型及结温估算的方法对于提高功率模块可靠性及降低成本具有较大工程实际意义。     

基于混合子模块的MMC故障阻断及谐波特性分析

针对模块化多电平换流器(MMC)所存在的直流侧故障无法自清除的问题,许多新型的子模块拓扑在原有半桥型子模块(HBSM)的基础上进行调整修正,利用其自身的拓扑特点,在直流侧发生短路故障时通过使短路电流给子模块电容充电的方法实现故障电流的快速阻断。在研究了众多新型子模块拓扑的基础上,设计了电流阻断能力较强的新型子模块。并考虑了损耗特性,采用新型子模块与HBSM结合的混合拓扑结构,从调制策略到谐波特性以及故障阻断性能进行了分析。推导了各次谐波电压幅值的表达式,并通过仿真验证了其准确性与实用性。     

高压大容量混合型MMC半桥子模块下部IGBT损耗优化控制策略

混合型MMC存在器件损耗分布不均的问题,尤其是在逆变工况下,半桥子模块下部IGBT损耗远高于其他器件,导致其热应力与故障率均较高,是换流器可靠性的薄弱环节。为此,本文提出一种器件损耗分布优化控制策略。首先,计算混合型MMC中各器件的损耗,分析器件损耗的分布特性,确定损耗优化的主要目标。其次,根据损耗计算公式,明确降低半桥子模块电容电压方法可用于降低其下部IGBT的损耗。然后,通过三次谐波电压注入,初步降低半桥子模块的电容电压,再通过桥臂输出电压指令值差异化分配,进一步降低半桥子模块的电容电压,进而最大程度减小其下部IGBT损耗,实现器件损耗分布优化。最后,通过MATLAB/Simulink和PLECS的联合仿真以及MMC样机实验验证,证明了所提控制策略可以改善混合型MMC损耗分布不均的问题,能够提高换流器的整体可靠性。     

一种可阻断直流故障电流的双逆阻型MMC研究

可阻断直流故障电流的模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)在高压直流输电工程中具有广泛的应用前景。提出一种可阻断故障电流的基于新型双逆阻型子模块(DualReverseBlockingSub-Module,DRBSM)的MMC拓扑结构。在输出相同电平数的前提下,与现有拓扑相比,DRBSM型MMC具有较强的直流故障电流阻断能力和更低的功率损耗,且DRBSM型MMC可直接移植半桥子模块(HBSM)型MMC拓扑的控制和调制策略。亦对该子模块结构的拓扑构成、运行原理及故障电流阻断机理进行分析。最后,采用PSCAD/EMTDC仿真验证了该拓扑结构的可行性和有效性。     

MMC子模块电容电压改进控制方法的研究

介绍了模块化多电平换流器电容电压测量及均压原理,指出传统的电容电压控制下,当桥臂子模块数目过于庞大时,电压传输信号较多,增加了控制器设计难度。针对这一问题,提出了一种改进的电容电压测量方法,该方法中参与控制的电压信号数量仅为传统测量方法的一半,有利于降低控制系统的设计难度,减轻控制器工作负担。首先详细介绍了电容电压改进控制方法下的模块拓扑结构和电压测量原理,然后在此基础上,设计了改进电容电压排序算法,减少传统排序过程中不必要的运算量,在数据处理过程中进一步优化控制器运算,保证换流器稳定运行。最后搭建了仿真模型,验证所提策略的正确性和有效性。     

基于MMC的多端直流电网双极短路故障电流计算

直流侧故障切除能力是衡量直流输电系统的重要指标。针对子模块采用半桥拓扑的模块化多电平换流器(MMC)直流侧发生双极短路故障的机理进行分析,定量研究了影响故障电流峰值的主要因素;并将结论延伸至多端直流电网,提出了不同电网拓扑和不同位置发生故障后10 ms内各换流站出口、线路电流的计算方法;在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建三端电磁暂态仿真模型,并将故障电流计算结果与仿真结果进行对比验证,结果表明所提计算方法具有一定的精度和速度,对直流电网规划、直流断路器选型具有一定的指导意义。     

MMC器件损耗分布与电容电压纹波综合优化方法

逆变工况下,半桥子模块下部IGBT（简称T2管）损耗占比较大,减小其损耗利于提升设备运行可靠性。同时,抑制电容纹波电压利于减小电容需求及提高功率密度。然而,现有优化控制策略未关注损耗分布优化及电容纹波电压间的矛盾,难以兼顾设备运行可靠性及功率密度。为此,本文提出兼顾减小T2管损耗及抑制电容电压纹波的综合优化方法。首先,通过分析电荷量对器件损耗及电容纹波电压的影响路径,阐述减小T2管的通态损耗与抑制电容电压纹波间的内在矛盾。然后,通过引入罚函数,建立计及T2管损耗及电容电压纹波的综合目标函数。而后,以主动旁路策略为例,通过分析二倍频环流与三次谐波电压注入对T2管损耗和电容电压纹波的影响规律,提出基于二倍频环流及三次谐波电压注入的综合优化方法;最后,在MATLAB/Simulink及PLECS中搭建仿真模型进行验证。仿真结果表明：该综合优化方法兼顾了T2管损耗与电容电压纹波优化,一定程度上增加了设备可靠性与设备的功率密度。     

基于损耗分析的全桥型MMC参数优化设计

全桥型模块化多电平换流器(MMC)具有直流故障自清除能力,且在发生故障时能够支撑交流侧电压,特别适用于架空线传输的柔性直流输电系统。但是其损耗大的问题十分突出,制约了其在大功率场合的应用。传统设计方法认为在全桥型MMC正常运行时负电平是无效电平,故而提出一种基于模块输出负电平特性的效率优化设计方法。分析子模块输出负电平时全桥型MMC中各电气量满足的约束关系,推导效率最优的直流电压、交流侧电压以及桥臂子模块数的表达式。该方法能在系统额定功率和开关器件型号确定的条件下,准确求解效率最优的MMC系统设计参数。     

基于二次谐波环流注入方法的混合MMC电容电压平衡控制策略

当高压直流输电系统直流侧电压降低时,混合模块化多电平变换器(MMC)将工作在过调制状态,面临电容电压不平衡的问题.分析过调制状态下混合MMC中半桥与全桥子模块电容充放电过程与能量变化,提出一种简化的二次谐波环流参考幅值的生成方法.采用二次谐波环流注入方法避免混合MMC中半桥与全桥子模块电容电压不平衡的发生,实现半桥与全桥子模块电容在一个周期内的充放电平衡,使混合MMC在直流电压降低时继续传输有功功率.仿真与实验结果表明,所提出的二次谐波环流注入方法能够有效实现混合MMC在过调制状态下的电容电压平衡.     

模块化多电平换流器直流双极短路故障耐受能力研究

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在直流侧发生双极短路的故障情况,建立了MMC闭锁后的故障电流回路,给出了二极管以及保护晶闸管的电流分配和结温理论计算方法,考核直流双极短路故障耐受能力。在MATLAB/Sinulink下进行了换流阀闭锁后故障电流回路的建模与仿真,并在MMC背靠背试验系统中进行了试验研究。仿真和试验结果表明,所提分析和计算方法准确可行,该方法对校核模块化多电平换流器在实际工程中的直流双极短路故障耐受能力以及器件选型具有重要的理论指导意义。