直流断路器半导体组件内母排电感对并联IGBT关断特性的影响及其结构优化

大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)混合式高压直流断路器是适应多端柔性直流输电工程发展的关键装备,优化断路器半导体组件内IGBT故障大电流的关断特性进而确保器件安全可靠运行是断路器工程的重要部分.文章围绕组件内杂散电感对IGBT关断瞬态电压峰值、关断损...     

强制过零型高压直流断路器拓扑优化

强制过零型直流断路器作为机械式高压直流断路器的主要研究方向,技术简单成熟,动作可靠性高。笔者基于实际直流电网,对直流断路器可能遇到的最严重故障即直流线路整流侧出口短路故障进行了仿真分析,并提出现有强制过零型直流断路器拓扑的两点缺陷。在此分析基础上,提出了在换流电容两端加装避雷器、在平波电抗器两端加装吸能组件的拓扑优化策略,能有效降低换流电容电压峰值和机械开关断口电压峰值。     

基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器的开断能力,降低半导体器件的使用成本,提出了一种基于串联晶闸管强迫过零关断技术的具备双向开断能力的混合式直流断路器拓扑方案。在分析关断过程的基础上,推导了串联晶闸管阀与二极管阀组件反向恢复过程中均压回路的参数设计方法,然后以10 k V样机为例,开展了主支路和转移支路器件选型与参数设计,并搭建了10 k V直流断路器原理样机及其实验回路。研究结果表明：正常运行时,主支路由机械开关和少量的全控型半导体器件串联构成,其损耗较小;在开断电流时,故障电流首先转移至晶闸管阀支路,再通过放电回路注入反向电流迫使晶闸管阀过零关断,最后通过耗能支路吸收系统感性能量。原理样机实现了直流电压10 k V下短路电流峰值为8.8 k A的过零快速关断、且开断时间小于3 ms;转移支路可通过调整半导体器件的串联数量和选型大幅提升直流断路器的电压等级和故障电流耐受能力;串联二极管阀能在大电流关断暂态过程中抑制晶闸管器件的反向恢复过电压,降低晶闸管器件的损坏风险;在混合式直流断路器的换流和关断阶段,无需针对串联的晶闸管器件调整触发时间与匹配参数。综上所述,所提出的混合式直流断路器具有快速直流短路故障清除能力,可以作为未来柔性高压直流输电系统组网的工程实施方案之一。     

混合式直流断路器内部关键参数对电弧电流转移特性的影响研究

真空电弧电流转移是自然换流型混合式直流断路器开断过程中的一个重要组成部分。文中通过建立真空电弧电流转移的理论分析模型,得出影响真空电弧电流转移的主要因素为真空电弧电压、内部杂散电阻电感参数和电力电子器件的串并联结构。实验方面,通过改变电力电子开关中电力电子器件的串联或并联个数研究了电力电子器件的串并联结构对真空电弧电流转移特性的影响,通过改变电力电子开关中杂散电感或电阻的数值和所处位置研究了内部杂散电阻电感参数对真空电弧电流转移特性的影响。最后,探究了促进电弧电流转移的方法。本研究将为混合式直流断路器的结构设计和参数优化提供理论依据。     

杂散参数对IGBT串联阀开通过程的影响及抑制

由于电压源换流器(voltage source converter,VSC)的直流侧电压很高,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)阀组的开关过程非常短,导致交流侧输出电压变化率非常高。该电压作用于交流侧对地杂散电容,会增加IGBT在开通瞬间的电流过冲,造成很大的开通应力,影响IGBT的安全稳定运行;且电压越高,影响越大。为此,首先对杂散参数对IGBT串联阀开通过程的影响进行了理论分析;在此基础上提出在阀侧装设阻波器抑制杂散参数引起的电流过冲,并给出了阻波器设计方案。仿真和实验结果验证了该措施的有效性。     

IR2130的负过冲分析及其限制技术

介绍了IR2130产生负过冲的原因,说明了负过冲对IR2130的影响。运用MATLAB仿真来分析电路杂散电感与负过冲的关系。提出几种限制IR2130负过冲的方法,并通过使用IR2130驱动三相桥式逆变器,证实限制负过冲方法的有效性。     

基于遗传算法的高压直流断路器振荡回路参数计算

利用遗传(genetic algorithm,GA)算法对高压直流断路器振荡回路电流波形进行分析,提出对直流断路器振荡回路容抗、感抗和阻尼电阻的值进行在线参数估计,实现对直流断路器振荡回路性能的正确评估,并将GA算法与MATLAB中利用最小二乘法拟合的结果进行比较,指出GA算法在高压直流断路器参数估计与状态评估方面优于传统的方法,能准确计算实际参数。     

强制过零型高压直流断路器的控制单元研究

随着柔性直流输电技术与大功率电力电子技术的发展,高压直流输电技术得到了不断地发展,而高压直流断路器已成为限制直流电网发展的主要瓶颈问题之一。现有的机械式高压直流断路器能够在几十ms内断开电路,但对于高压直流输电系统,远不能达到要求。采用高速电磁斥力机构作为机械开关的操动机构能够克服上述缺点。文中对以电磁斥力机构作为操动机构的强制过零型高压直流断路器的拓扑结构和工作原理进行了详细介绍,并针对其工作原理,提出控制需求,进而对其控制单元进行了研究。最后在自研的40.5 k V强制过零型高压直流断路器单元样机上对所研究的控制单元的实用性进行了验证。     

基于真空断路器与SF6断路器串联的新型混合式高压直流断路器理论分析

提出基于真空断路器与SF_6断路器串联的混合式高压直流断路器新型拓扑结构,在传统强迫过零直流开断的基础上,提出以高压串联晶闸管组件续流支路创造主开关电压零休的思路,进而提高主开关的动态介质恢复强度。分析了新型混合式高压直流断路器的拓扑结构、工作原理、工作过程,得到其电压零休时间的数学描述和动态电压分布协同调控措施。然后基于连续过渡模型和改进Mayr模型搭建了新型混合式高压直流断路器的仿真电路,分析得到续流支路限流电阻、电感、振荡回路参数等对电压零休时间、反向暂态恢复电压的影响规律。     

新型高压直流断路器开断能力的研究

通过对典型高压直流断路器在开断大大直流时开断能力不足的问题的分析,在其电路拓扑的基础之上,引进了一个电阻元件,将该电阻直接并联于直流回路上,用于分流和减小直流电流的幅值。另外,在与该电阻元件并联的直流回路上设置了一台断路器装置,该装置能开断较小容量的直流回路,它能与主直流回路的断路器共同工作,最终开断大幅值直流电流。在Matlab/Simulink环境下,建立Mayr电弧模型,并在此基础上建立了新型高压直流断路器模型。通过仿真及其分析,表明在高压直流系统中,该新型直流断路器具有很好的直流开断能力。     

高压直流输电晶闸管阀关断的电压应力分析

高压直流输电晶闸管阀关断产生的电压应力是其电气特性研究的重要内容之一。对关断电压应力分析的原有电路模型作了改进,拓展了模型适用范围,推导出晶闸管阀关断电压应力分析的拉普拉斯解析方程,并对晶闸管阀换相关断的电压应力作了较为全面深入的分析,得到各种运行条件和各类电路参数变化时关断电压应力的变化情况,总结出了其中的关键因素。从计算和仿真结果来看,分析方法是可行的,并具有较高的精确度。     

基于电容调压原理的自适应高压直流断路器

能够快速开断大电流的高压直流断路器是影响直流输电的关键因素之一。提出一种自适应电容调压式高压直流断路器设计方案,通过并联调压电容实现电弧电流的反转,形成多个电流过零点,并在一定时间内将电弧电流限制在零点附近,为灭弧创造良好条件。理论推导和仿真结果表明提出的高压直流断路器方案能够适应不同运行工况,避免电力电子器件的通态损耗,有效减小电弧重燃几率,提高断路器的快速分断能力。     

混合式高压直流断路器暂态分断特性及其参数影响分析

混合式高压直流断路器(DC Circuit Breaker, DCCB)的本质是分断故障电流。分断暂态过程中的电气参数是决定断路器分断性能的核心所在。在分析DCCB拓扑结构的基础上,将断路器分断暂态过程划分为三个阶段。通过建立带DCCB的直流电网故障等效电路和断路器分断各暂态阶段的系统级等效电路,来分析分断过程中断路器自身的暂态特性。将断路器自身参数与直流系统参数联合起来,分别对断路器的两次换流过程进行详细分析。建立了断路器分断电流、暂态电压和开断时间的数学模型,推导断路器分断全过程中的分断电流以及最大暂态电压的计算表达式,并分析了断路器参数对分断性能的影响情况。利用PSCAD/EMTDC软件,搭建系统级混合式DCCB仿真模型,验证了所建立的断路器暂态模型的正确性及参数选取对断路器开断性能的影响。     

回路电感对直流断路器并联开断性能影响的研究

结合耦合负压型混合式直流断路器的结构、原理,分别从快速机械开关并联开断和电力电子开关并联开断两个方面进行研究,分析机械开关回路电感、转移支路杂散电感等因素对直流断路器并联开断能力的影响,并通过试验进行验证。最后分别对应用于两个典型柔性直流输配电工程25 kA大电流开断和三端并联开断技术进行了介绍。     

MMC与混合式直流断路器开关操作的瞬态电场实测及其在状态监测中的应用

文中对换流站中模块化多电平电压源型换流器(modular multilevel converter,MMC)和混合式直流断路器中IGBT开关操作产生的瞬态电场进行实测,并分析其在设备状态在线监测中的应用。首先,证明换流站中开关瞬态电场属于准静态场,且与设备电压之间存在线性关系,为基于开关瞬态电场状态监测方法提供理论基础。进一步,在舟定换流站人工短路试验中,对MMC高频电场波形和直流断路器开关瞬态电场脉冲进行实测。分析MMC不同工作状态下高频电场信号特征,特别发现高频电场信号中包含通过换流站自带录波系统不易测量的高次谐波信息。另一方面,发现基于开关电场脉冲的陡峭脉冲前沿,可测量MMC和直流断路器闭锁时刻,误差小于0.005ms。因此,基于瞬态电场测量方法可以在一定程度上弥补换流站自带录波系统测量带宽有限的缺点,补充系统高次谐波等运行信息,提高设备闭锁时刻测量精度,在MMC和高压直流断路器等设备在线状态监测中具有潜在应用价值。     

直流输电换流阀杂散电容和冲击电压分布的计算

速变电压下的电压分布性能是高压直流输电换流阀的重要电气特性之一,而换流阀的杂散电容是导致速变电压不均匀分布的主要原因,因此对杂散电容的准确计算具有重要意义.提出一套换流阀杂散电容的计算方法,包括窗口截断技术、屏蔽效应和复用技术等.完成了相关理论推导,证明该方法的计算结果比实际电容值更大,结果是趋于保守和可信的.利用场路结合原理建立等效电路,并对冲击电压分布进行了计算.试验和计算结果表明,所提的杂散电容和电压分布计算方法是可行的.     

特高压GIL接入对断路器瞬态恢复电压的影响

特高压气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的接入对断路器瞬态恢复电压(TRV)幅值和瞬态恢复电压上升率(RRRV)均会产生影响,可能危及断路器开断能力。文中基于同塔双回特高压交流架空线-双回GIL混合输电线路,利用EMTP-ATP仿真研究变电站内断路器端部发生三相短路故障时,GIL长度、接入位置与GIL引接站测量设备对断路器TRV幅值和RRRV的影响。仿真结果表明,GIL的接入对断路器TRV幅值和RRRV有较大影响; GIL长度增加对TRV幅值产生较大影响,但对RRRV影响较小;为了限制RRRV,应将GIL安装在架空线中段,且应安装金属氧化物避雷器(MOV)限制TRV幅值; GIL引接站测量设备对断路器TRV幅值和RRRV影响均较小。文中研究成果可为含GIL的特高压线路中断路器的TRV计算及参数设计提供参考。     

10 kV高压电能计量装置电压互感器杂散电容对高压熔断器的影响研究

高压电能计量装置是10 k V配网的重要组成部分,但在其运行过程中,电压互感器支路上熔断器的异常动作时有发生,危及电网安全。文章针对电压互感器V形接线方式,以互感器的传感原理为基础,从幅值和频率两方面探讨了支路过流的可能,并提出真空断路器动作时,由互感器杂散电容引起的安培以上量级过电流是高压熔断器异常动作的关键诱因;然后,借助Ansoft Maxwell和ATP-EMTP软件,完成了杂散参数的求解和仿真模型的搭建,并以真空断路器的动作为例,计及三相非同期性,研究了不同合闸情况下的互感器支路过流情况;最后,针对非同期性和杂散电容带来的过流问题,提出并仿真验证了基于合闸同期性控制和杂散电容控制的支路过流抑制措施,可降低熔断器的异常动作风险,对高压电能计量装置的可靠性提升具有指导意义。     

封装寄生参数对并联IGBT芯片瞬态电流分布的影响规律

大功率IGBT器件通过并联多个IGBT芯片来获得大电流等级,并联芯片动静态电流分布的一致性对于提高器件电流等级以及可靠性至关重要。首先介绍了大功率IGBT模块内部布局不一致导致的封装寄生参数差异性。其次,结合IGBT等效电路模型及其开关特性,分析了寄生参数差异性对于并联IGBT芯片瞬态电流分布特性的影响规律。最后,建立了并联IGBT芯片的等效电路模型,并应用Synopsys Saber软件建立了仿真电路,从封装寄生电感参数差异性、封装寄生电阻参数差异性,分析了参数差异对并联芯片的瞬态电流分布特性的影响。