MMC-HVDC系统功率器件的结温估算研究

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,包含数量庞大的半桥功率模块,此处提出了一种功率模块器件的损耗与结温估算方法.首先研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,并根据功率模块内含绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管、散热器的布局,建立功率器件级的热阻模型.然后,由于IGBT为密封器件,无法直接测量器件内部温度,通过测量与...     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

大功率LED照明灯具的器件结温估算方法

在分析SMD封装型LED产品热学结构的基础上,提出了一种新的大功率LED照明灯具的器件结温估算方法,即通过测量预留在MCPCB上的测温点的温度估算LED结温。并对该方法应用于单颗器件及灯具进行了的实验评估。     

基于MMC结温波动优化的预测控制策略及其可靠性分析

模块化多电平换流器(MMC)IGBT子模块的平均结温及其波动会显著影响其失效率,进而对系统的可靠性产生影响。在MMC热平衡算法的基础上,分析如何在降低MMC子模块结温分布差异和保持子模块的电容电压波动不变的前提下,只通过改变子模块的投切过程来降低结温波动的可能性。以接近结温波动的最小理论幅值ΔT_(min)、降低子模块间的结温波动差异为目标,结合预测得到的下一个控制周期中器件的结温,给出温度波动优化的控制策略。采用Coffin-Manson寿命模型和线性累计损伤理论,评估温度优化控制策略下MMC系统的寿命。最后,在MATLAB中搭建10电平仿真模型,仿真结果表明通过对MMC系统进行温度控制可以提高系统的可靠性。     

基于热阻抗模型的三相逆变器功率器件结温监测方法

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)模块结温的精确计算是开展功率器件主动热管理、寿命预测的前提和关键.IGBT模块的导通压降和开关损耗均受温度影响,在计算损耗时应根据温度对结果进行修正.基于空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse wi...     

基于结温计算的换流阀可靠性分析

模块化多电平变流器(MMC)广泛应用于高压直流(HVDC)输电工程中,其中换流阀的可靠性成为柔直工程中关注的重点.而作为换流阀的核心器件,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的可靠性成为换流阀可靠性研究的关键.在IGBT工作过程中,结温过高是其损坏的重要原因之一,因此有必要进一步研究影响IGBT结温的关键因素.在此首先基于温...     

结温导向的两电平逆变器寿命优化控制

结温是影响IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)寿命的关键因素,为了延长两电平逆变器寿命,提出一种改进的模型预测电流控制(Model Predictive Current Control, MPCC)策略。首先,针对功率损耗产生原理,建立IGBT的损耗因子;其次,考虑三相电流方向和不同功率管的导通情况,在IGBT开关和导通时刻加入不同的损耗因子,控制功率损耗的产生。通过仿真验证,相比传统模型预测电流控制和空间矢量脉宽调制策略,所提方法在保证控制性能的同时降低了功率器件结温,延长了寿命。     

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。     

低直流电压下混合型MMC器件损耗分布优化控制

低直流电压运行工况下,混合型模块化多电平变换器(MMC)器件损耗分布不均匀,逆变工况下,半桥子模块(HBSM)下部绝缘栅双极型晶体管(IGBT)损耗尤为突出,降低了换流器运行可靠性。为此,提出一种全、半桥模组输出电压差异化控制与HBSM降压相结合的损耗分布优化方法。首先计算低直流电压下混合型MMC的器件损耗。然后利用全、半桥模组输出电压差异化控制降低目标器件的通态损耗。分析发现,差异化控制降低通态损耗的同时会增加器件开关损耗,因此结合HBSM电容降压减小其开关损耗,使器件损耗优化效果达到最佳。最后,通过小功率实验平台验证所提方法的有效性。     

电力电子器件短时脉冲工作的结温特性研究

绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控型电力电子器件是激光发射、电磁轨道炮等新概念武器中电能变换装置的核心部件,这些装置通常处在短时脉冲工作状态下,需要在非常短的时间内对储存的能量进行处理并将其释放,因而其中的电力电子器件具有导通电流大,工作结温高且波动范围大的特点。由于电力电子器件的工作性能与可靠性等均与其工作结温直接相关,因此掌握器件的结温特性对于确保其安全、可靠与优化使用意义重大。从理论上分析了短时脉冲下结温上升和波动过程的特殊性,采用仿真软件对不同工作条件下的结温特性进行了对比分析,使用一种高速红外测温设备对某型IGBT芯片工作结温进行了实际测量。     

基于结温反馈方法的模块化多电平换流器型高压直流输电阀损耗评估

为了计算模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的半导体器件在实际工作结温下的损耗,提出了基于结温反馈方法的MMC损耗计算方法。根据供应商数据及仿真得到的换流器实时电压电流值,在PSCAD/EMTDC中建立了考虑结温变化的损耗计算模块,分析了MMC子模块各部分的通态损耗和开关损耗。同时给出了不同散热器温度下MMC一端换流站的阀损耗比例。计算结果表明,由于器件的实际工作结温往往低于标准结温,因此采用结温反馈后计算得到的换流阀损耗值小于采用恒定结温方法得出的结果。同时证明了MMC的开关损耗较小,在不计吸收电路及驱动电路损耗的前提下,其单站阀损耗占额定直流功率的比例可以下降至<1%,这与二电平和三电平电压源换流器拓扑相比有明显的下降。     

IGBT模块结温估计方法及其温度特性研究

为了准确快速地估计结温,研究了IGBT模块的温度特性及基于温度敏感电参数TSEP(temperature sensitive electrical parameters)的结温估计方法。首先在不同壳温的条件下,测量IGBT开关过程中的门极-射极电压Vge、集电极-射极电压Vce和集电极电流Ic,并以上述参数作为TSEP;然后分析了TSEP随温度变化的机理,研究了TSEP典型特征与温度的关系,并将其量化;最后提出一种准确的IGBT结温估计方法。实验测试结果表明,基于TSEP的典型特征的结温估计方法切实可行。     

基于瞬态结温估计的逆变电源动态电流控制∗

针对逆变电源带电机类负载时电机启动冲击电流引发逆变电源限流保护的问题,研究一种逆变电源动态限流控制策略,按照开关器件结温进行过流保护.提出一种基于结温预估的动态电流控制策略,可充分利用器件选型时的裕量以及逆变电源在轻载状况下剩余的温升空间.建立了逆变电源的电热仿真模型,仿真验证了该限流控制方法的可行性.     

加速器脉冲电源的IGBT结温波动预测

兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)磁铁电源大多是开关电源,工作于脉冲大电流、高精度模式,各种功率等级的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)数量庞大,IGBT的稳定工作对电源可靠、稳定工作至关重要.从IGBT损耗计算入手,分析和测量了IGBT在特定脉冲运行模式下的结温波动规律.以600 A/1200 V IGBT为例,对3种实际电流工况进行了实验分析,采用热成像仪对IGBT结温进行测量,结温数据的误差在3.5 ℃以内,验证了所提结温分析方法的正确性.最后,根据Bayerer寿命模型进行了基于结温波动的可靠性评估.     

柔性直流输电系统功率模块研究与设计

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是电压源换流器直流输电(voltage source converter-high voltage DC,VSC-HVDC)技术领域的一种新型多电平换流器。文中首先介绍了MMC的拓扑结构及功率模块的工作原理;再从功率模块的系统架构、软硬件设计、损耗计算等方面阐述了功率模块的设计方法;在此基础上利用PSIM软件对功率模块的对拖运行进行了建模与仿真。最后通过实验验证了功率模块设计的合理性与可靠性。     

恒功率区无零矢量SVM对功率器件结温的改善

电动汽车变流器功率器件的损耗不仅浪费了有限且宝贵的车载能量,而且会造成功率器件过高的结温,严重影响其可靠性。空间矢量调制SVM(space vector modulation)工作在线性调制范围虽然可以保持较低的电压谐波畸变,但高的开关频率会带来高的开关损耗。过调制虽然在一定程度上导致相对较高的谐波,但在提高逆变基波电压的同时还降低了器件的开关次数。为了能兼顾逆变电压谐波与功率器件损耗,基于已有的过调制研究,采用了一种不需要零矢量的过调制点,将该特定调制度点(无零矢量)运用于驱动电机基速以上的弱磁调速区,并推导了其损耗表达式。研究表明,与线性范围内调制对比,该方法能显著降低变流器功率器件的损耗,且谐波也在可接受范围内。     

基于晶闸管钼层实测温度计算结温的方法

为获得较准确的晶闸管结温,提出了基于晶闸管钼层实测温度计算结温的共扼梯度算法。分析了共轭梯度法用于求解结温的具体步骤,并通过FORTRAN语言编译形成LOG命令流,导入ANSYS软件中来实现算法,该方法对于未知的低频分量,以较少的迭代次数即可以得到准确解,对于未知的高频分量,通过多次的迭代也能够获得准确的返溯值,因而具备处理多个未知量且收敛速度快的优点。以KPD3000-72型晶闸管应用于直流输电领域为例,分别在直流稳态、单波次浪涌电流和3波次浪涌电流的试验条件下进行计算,结果表明所得结温准确,为传统热阻抗法提供了校核的依据。     

基于WAMS的电力系统实时状态估计和预报

根据广域测量系统/数据采集与监控(WAMS/SCADA)系统的测量数据,提出一种实时状态估计和预报算法.采用递推增广最小二乘法辨识和修正状态转移矩阵,并采用渐消记忆指数加权法在线估计线性化后的模型误差协方差矩阵,同时由量测量的标准差在线计算量测权重,这使得在利用观测数据进行滤波的同时,状态估计模型中不精确(或未知)参数和噪声协方差矩阵不断地在线辨识和修正,以适应环境的干扰和过程的时变性,减少状态估计误差,达到良好的滤波效果.仿真结果表明,所提出的方法在正常情况、存在坏数据、负荷突变/发电机输出功率突变、网络拓扑结构误判等情况下具有较好的滤波效果.