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。     

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。     

短路失效模型的MMC阀子模块设计及试验验证

为了实现对基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流换流阀子模块更严格的可靠性考核,针对换流阀子模块中旁路开关拒动后应具备长期短路通流能力的要求,提出了一种短路失效子模块结构及短路试验方法,以满足子模块实际运行中故障短路工况的试验要求.首先,对子模块工作原理和短路故障工况应力进行了分析;其次,结合故障工况应力分析和子模...     

基于电压电流特性曲线的MMC子模块IGBT通态损耗在线计算方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)中绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor, IGBT)多运行于高压条件,需采用大量程传感器对集射极电压进行测量,但会产生较大测量误差,制约了通态损耗的准确计算。因此,针对MMC子模块中IGBT提出了一种基于电压电流特性曲线的通态损耗在线计算方法。首先,基于IGBT及二极管特性曲线参数实现了通态压降、集电极电流及结温之间关系模型的二维及三维拟合。其次,对单位电流周期内器件投切模式进行分析,实现通态损耗表达。此外,基于电热比拟相关理论,构建IGBT等效热网络模型。然后,综合考虑器件电流、导通信号及壳温等信息对结温进行反馈修正,进一步形成了IGBT通态损耗在线计算方法。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。     

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...     

大功率IGBT模块软关断短路保护策略

大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块在电力电子设备中的运用越来越广泛,其对驱动器的性能要求也越来越高。IGBT可以承受短路的时间非常短,短路时最大电流远远超过额定值,单位时间功耗也远远高于正常工作状态,且直接关断IGBT会产生非常高的关断尖峰电压。提出缓慢降低IGBT门级电压的软关断策略,驱动器检测到IGBT短路后用0 V驱动电压立即执行软关断动作,当电流降到一定值后再使用负压正常关断。此策略可以使驱动器更早地采取保护措施,限制IGBT短路电流,减小IGBT短路功耗并控制关断尖峰电压。硬关断策略短路保护实验和软关断策略短路保护实验的结果对比验证了软关断策略的优势。     

电压源型换流阀在绝缘型式试验下电场仿真计算

模块化多电平电压源型换流器作为柔性环网控制器和统一潮流控制器(UPFC)系统中的关键设备,其运行的可靠性直接影响到整个系统的安全稳定运行。文中以应用于柔性环网控制器及苏南500 k V UPFC工程的换流阀作为研究对象,采用PTC Creo 3D与Ansys混合建模技术,建立了换流阀塔的三维模型,详细计算了换流阀塔在绝缘型式试验下的电场分布。计算结果表明:换流阀塔对地空气间隙、层间空气间隙以及换流阀塔的外表面的空气介质等绝缘强度都能满足换流阀绝缘型式试验的要求,保证换流阀的安全可靠运行。     

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。     

IGBT的抗短路能力分析

简述了IGBT短路保护的必要性和特殊性、IGBT短路安全工作区(SCSOA)的能力;介绍了SCSOA的特性及测试条件;分析了不同类型SCSOA的可信度与性能差异、IGBT短路过程中电流限制性能和管芯温升情况、高结温条件下IGBT的特性和可靠性;阐述了IGBT短路耐受性与实用条件的关系;提出了正确使用短路保护技术的建议.     

4500 V高压IGBT模块设计与实验研究

针对覆铜陶瓷板(DBC)展开设计,以4500V高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为研究对象,提出了一种多物理场耦合下的高压封装设计思路.首先得到了DBC结构与三相点处电场强度的关系,并建立了DBC热阻和寄生参数的数学模型,采用Fmincon算法优化DBC结构参数,在保证绝缘及电磁性能基础上尽可能减小DBC带来的热阻.接...     

模块化多电平变流器的控制架构设计

针对模块化多电平变流器(MMC)在高压大功率应用场合模块数较多、控制系统复杂的特点,提出了一种改进的三级分层控制的系统架构,解决了传统控制系统同步性及可靠性较低等问题。重点研究了该分层控制系统架构的实现方法,按照由高到低的顺序对上位机控制系统、主控制器、子模块控制保护单元等进行了详细分析,确定了各控制层之间的通信内容和功能。利用三相9电平MMC实验样机对所提控制系统架构进行了实验验证,证明了所述控制系统的可行性。     

模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计

换流器阀组是柔性直流输电系统的关键设备。文中介绍了模块化多电平换流器阀组的基本原理和组成结构,基于舟山五端柔性直流输电工程对阀组过电流和过电压故障进行了仿真、分析研究,提出了阀组保护的关键需求,以此为基础构建了由子模块控制电路、阀控系统及柔性直流控制保护系统组成的多层次的完整的阀组本体保护系统及保护策略,提出了系统性的过流保护策略和系统性过电压判据,有效提高了阀组的过电流、过电压穿越能力。阀组保护系统及保护策略经过了±6kV两端柔性直流输电系统的试验验证和舟山、南澳工程现场试验的验证。     

模块化多电平换流器IGBT状态参数在线监测方法*

考虑模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter ,MMC)可靠性与关键元件参数密切相关,本文提出一种针对其子模块(Submodule, SM)中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)状态参数估计的新方法。首先分析子模块开关状态量与电压的关系并建立桥臂电压数学模型;针对通过传感器采集的桥臂数据存在测量噪声,引入卡尔曼滤波理论,在线性最小方差准则下,建立了MMC子模块IGBT状态参数监测信息的数学模型,从而得到桥臂各子模块IGBT状态参数。该方法仅利用输电系统中已布置传感器,无需添加新的采集点,在不增加量测系统复杂度的同时有效降低投资成本与采样开销。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了MMC-HVDC的电磁暂态仿真模型,通过仿真验证了所提出的估计算法的有效性,且能有效消除桥臂传感器噪声的影响。该方法对提高监测系统的便携性,降低成本和能耗,有一定的参考价值。     

模块化多电平换流器直流双极短路特性分析

模块化多电平换流器(MMC)的直流双极短路故障特性分析是MMC故障管理、系统电气设计以及含MMC电网规划的重要研究内容之一。文中对MMC的双极短路故障特性进行了研究。首先,分析了双极短路故障脉宽调制(PWM)闭锁前后的暂态过程,定义了导通重叠角。然后,结合导通重叠角的大小分析了4种稳态短路电流通路及7种不同情况,定性分析了交流侧和直流侧稳态电流的特性,以及电抗分布系数和短路等效电阻对稳态短路电流的影响,并推导了交流侧和直流侧稳态短路电流的实用工程计算方法。最后,采用算例与仿真验证的方式验证了分析方法的有效性。     

模块化多电平变流器均压策略研究

模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,简称MMC)子模块电容电压的均衡是其稳定运行的前提,在此介绍了MMC的拓扑结构,分析了其运行原理,提出了一种基于子模块电容电压瞬时值排序和桥臂电流方向的简化均压策略。该策略上、下桥臂仅各需一个载波,而与子模块数无关。仿真和实验结果验证了所提均压策略的有效性。     

混合背靠背模块化多电平变换器设计

近年来模块化多电平变换器在直流输电和电机驱动领域引起了广泛的关注。然而在电机驱动领域,输出低频时电容电压波动大的问题限制了其应用。提出了一种混合背靠背MMC拓扑,整流侧MMC采用全桥子模块和半桥子模块混合的结构,逆变侧MMC全部采用半桥子模块。分析了采用变直流母线电压的方法时电容电压的波动规律,并给出了系统的控制策略。电机在很大的转速范围内,电容电压波动基本恒定。最后,通过仿真验证了该拓扑结构及其控制策略的有效性。     

云广直流特高压换流变压器短路阻抗的选择

由于±800kV云广特高压直流输电工程电压高、容量大且设备缺乏实际制造和运行经验,为合理选择换流变短路阻抗以限制最大可能短路电流在阀的承受水平又不使无功损耗增加和换相压降过大,分析了目前晶闸管的制造水平与性能参数及不同故障时换流阀能承受的最大可能短路电流,以云广特高压工程逆变侧穗东换流站为例,计算得出换流变压器的短路阻抗为(16~18)%。     

模块化多电平变流器中子模块散热设计

以模块化多电平变流器子模块损耗分析为基础,从传热学的角度,分析散热片的热阻模型,设计了三相500kVA模块化多电平变流器子模块的散热片,并通过Ansys仿真验证设计结果。最后通过实验验证散热片设计方法。     

一种模块化多电平变流器的环流分析及抑制策略

模块化多电平变流器(MMC)因其结构特点带来的环流问题使桥臂电流发生畸变,增加了系统损耗。这里建立了MMC的数学模型,以开关函数为出发点,对环流成分进行分析,并给出了各次谐波解析表达式。为实现环流的有效控制,提出一种基于比例积分(PI)+比例谐振(PR)的复合控制策略,实现了桥臂环流中的2次谐波和4次谐波的有效抑制。最后,仿真和实验结果证明了环流理论推导的正确性和环流抑制策略的可靠性。