基于MMC的直流电网分层能量平衡控制

直流电网的瞬时能量平衡控制是其安全稳定运行的关键。当前,研究人员在进行直流电网的能量平衡控制策略设计时,重点关注了换流器之间的功率平衡控制,而忽视了换流器内部的瞬态能量平衡控制,因此无法满足直流系统暂稳态能量在较小时间尺度上进行平衡调控的要求。以基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流电网为研究对象,重点对MMC的内部瞬态能量平衡控制进行了研究。首先,从MMC桥臂瞬时功率转移出发,对MMC的换流过程进行了分析;然后,以不同换流回路瞬态能量平衡为控制目标,分别提出了基于子模块电容能量平均值反馈控制和波动值预估控制策略;最后,通过PSCAD电磁暂态仿真,验证了所提出方法的有效性。     

高压IGBT串联均压控制电路阈值电压设计方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件具有耐压高、开关速度快、易驱动等优点,在电力电子变换器中应用广泛。然而目前单个IGBT器件的电压等级与容量不能满足大容量变换器的需求。应用高压IGBT串联技术是提升电力电子变换器电压等级与容量的一种有效方法。高压IGBT串联技术的关键问题是保证瞬态过程中的电压均衡。门极均压控制电路可以有效抑制串联IGBT的瞬态电压不均衡。该文介绍了一种门极均压控制电路的工作原理,综合考虑开关瞬态过程中换流回路杂散参数与续流二极管正向恢复特性的影响,提出了该电路的关键参数阈值电压的设计方法,可应用于多电平、多管串联的电力电子变换器系统中,并通过实验对该设计方法的实用性进行了验证。     

IGBT复合母排换流回路电感研究

以一类NPC型三电平逆变器为例,通过功率单元开关状态变化分析得到IGBT复合母排的4种换流回路路径;在Ansoft Q3D仿真软件中建立了换流回路1:1模型,计算了典型频率下的回路电感参数;利用谐振阻抗分析法实测了该类复合母排的换流回路电感,结果验证了仿真计算的可靠性和有效性。该分析和仿真计算方法可用于指导大容量电力电子变流设备复合母排的参数计算与优化设计。     

基于能量平衡的电能路由器综合控制技术

电能路由器由多级电力电子变换单元组合而成,利用各级单元之间的能量传递关系实施综合控制可以提高电能路由器内部直流母线电压的瞬态性能,进而提高电能路由器的瞬态性能。本文首先建立电能路由器的能量模型,然后建立两条不同时间尺度的能量支路,根据其中的能量平衡关系分别设计了控制两级母线电压的能量平衡控制器,同时根据拓扑中各个级联模块之间的能量关系设计了用于级联模块的均压控制器。之后,对于实际系统中无源器件的参数差异对控制模型的影响进行分析,最后给出了基于能量平衡关系的电能路由器的并网运行综合控制策略。仿真结果证明了所提能量平衡控制方法的有效性,并分析了两级母线电容值变化分别对各自母线电压瞬态值的影响,说明采用能量平衡控制可以减少母线电容的设计余量。实验结果验证了理论分析和仿真结果的正确性。     

大容量电力电子混杂系统多时间尺度动力学表征与运行机制

<正>当前,大容量电力电子系统理论和关键技术在快速发展,相应的装置研制和系统工程应用也处在一个攻坚阶段,普遍面临三大严峻挑战:(1)提升电能变换能力;(2)优化装置与系统的设计与控制;(3)提高可靠性。由于大容量电力电子系统包含多种不同时间尺度能量变换的瞬态过程,不仅在运行机理和工作状态方面,而且在电、磁、热等方面均呈现出复杂的动力学特征。因此,大容量电力电子系统属于典型的多时间尺度非线性混杂系统。所谓混杂系统,指的是由连续时间动态系统和离散事件     

基于能量流图的电力电子系统可视化设计与分析

电力电子系统通过功率半导体器件的开关控制来实现电磁能量的高效变换,提高系统的变换能力和可靠性是其终极目标。尝试以系统中的能量及能量流为状态变量进行建模,建立变换系统的能流模型,可视化并直观地描述电力电子变换系统电磁能量的分布和传递情况。以较复杂的多端口组合式电力电子变换器为例,建立"能流"的基本概念,设计构建能流图拓扑并给出可视化设计方法,结合科学计算可视化技术设计静态和动态界面,构建了一种基于能量流图分析方法的电力电子变换器系统设计和分析平台。仿真和实验结果表明,能量流图分析方法能有效地表征电力电子系统大时间尺度的换流过程。     

柔性直流输电系统运行机理分析及主回路相关参数设计

分别从交流侧和直流侧分析柔性直流输电系统中电压源换流器的运行特性,并从稳态和瞬态角度分析直流电流和直流电压的数学表达。在此基础上,从3个方面对柔性直流输电系统主回路中的换流电抗器参数进行设计;考虑到交流系统三相不平衡时的直流电压波动,设计了直流侧电容器的参数。最后基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC按所设计的参数对柔性直流输电系统进行了仿真分析,仿真结果表明该设计方法是合理可行的。     

背靠背三电平共层叠母排IGBT耦合过压分析

电磁瞬态过程是大容量电力电子系统设计和分析的关键。对于单个逆变器,某一时刻只能存在一种换流暂态过程。当多个逆变器在同一个母排上时,会存在一定的电磁耦合影响,对功率器件的安全运行造成一定的影响。以背靠背二极管中点箝位(DNPC)三电平共层叠母排为研究对象,采用部分单元等效电路(PEEC)方法,建立了母排的等效电路。首次分析了整流器和逆变器两回路功率器件的过压耦合问题。实验验证了分析的正确性,对于背靠背多逆变器共用母排的设计及IGBT可靠性分析具有一定的理论指导意义。     

电力电子技术在电力系统中的应用专辑——特邀主编评述

应用电力电子开关器件实现电力变换和控制,始于1957年晶闸管的发明和最早期的相控整流电源.上世纪70年代以前,电动机变速传动的需求促进了晶闸管相控整流、有源逆变、AC/AC直接变频、强迫换流逆变技术和晶闸管谐振换流技术的发展和应用.进入80年代末期,以GTO,IGBT为代表的全控型开关器件开始应用,至今各类负载用电所需的电力电子变换和控制技术已相对成熟,应用已很广泛.     

功率二极管在大容量逆变器中的开关特性研究

功率二极管是电力电子变换电路中重要开关器件。在大容量逆变变换电路中高功率二极管表现出较强的非理想开关特性。在分析二极管正、反向恢复特性产生机理的基础上,研究了逆变器在换流过程中箝位二极管和续流二极管的非理想特性与电路之间的相互影响,并进一步研究了功率二极管反向恢复过程中发生电压振荡的原因及解决方法。实验结果表明,功率二极管非理想特性是其固有特性,其与主动器件之间存在高脉冲能级的瞬态互动关系,因此在设计大容量逆变器时,设计者需对二极管的非理想特性引起足够重视。     

电力电子混杂系统多时间尺度分析控制与应用(二):应用部分EI北大核心CSCD

文中在系列论文上篇介绍电力电子混杂系统多时间尺度分析和控制理论的基础上,进一步介绍其应用。首先从大容量和大规模电力电子系统应用需求出发,阐述电力电子技术应用面临的机遇和挑战;分析和介绍基于数值凸透镜原理的离散状态事件驱动建模仿真方法;分析和介绍基于多时间尺度的主动控制和能量平衡综合控制方法;特别综合展示这些方法在兆瓦级多端口多功能电力电子变压器中的实际应用情况;最后对多时间尺度分析控制方法的未来发展进行展望。     

失超保护系统直流真空断路器开断换流分析

磁约束聚变装置的失超保护系统利用直流断路器快速切断超导磁体回路的电流,实现磁体能量的转移与释放,以保障磁体安全。随着超导磁体运行电流等级的不断提升,直流断路器的设计面临着巨大挑战。本文针对10 kV/100 kA的大容量失超保护系统设计,提出使用直流真空断路器作为开断电流的主保护开关,并详细分析了其开断换流过程。首先介绍了失超保护系统的拓扑结构和工作原理;然后具体分析了真空断路器在开断及换流阶段的数学方程,并依据开断可靠性理论,分别对换流回路、泄能回路与缓冲回路进行了计算和参数设计;最后开展了100 kA直流电流开断实验。研究结果表明,失超保护系统中使用真空断路器开断100 kA磁体电流具有理论和工程可行性,并通过实验验证了所设计的真空断路器样机能够有效开断100 kA电流,换流过程符合预期判断。本文的研究工作为大功率失超保护系统中的直流断路器设计提供了技术支撑。     

一种用于高压换流阀晶闸管TCU的取能装置关键技术研究

在高压直流输电系统中,换流阀是高压直流输电系统的核心设备,TCU作为换流阀功率器件晶闸管的触发控制单元,对晶闸管的可靠触发起到至关重要的作用,TCU工作时需要从外部获取能量。文中提出了一种高压换流阀晶闸管TCU取能装置,能量来源于市电,采用工频隔离变压器、高压绝缘电缆及绝缘套进行高低电位隔离;分析介绍了该取能装置的设计要点、总体设计结构及原理、磁环参数计算、晶闸管TCU内部取能回路的工作原理及使用外部电源为TCU提供取能电源的电源参数;最后通过换流阀运行试验合成回路对高压换流阀晶闸管TCU的取能装置进行了试验验证,试验结果显示文中提出的取能装置能够满足高压直流晶闸管阀TCU在晶闸管常规运行、雷电冲击环境下及低电压工作工况下的取能要求。     

高压直流换流站换流阀开关电磁瞬态特性实验研究

高压直流换流站中,换流阀开关电磁瞬态是稳态电磁骚扰分析和换流器均压设计的关键考虑因素.因此基于高压换流阀运行实验系统搭建了换流阀开关瞬态特性测量系统,获得了换流阀开通和关断过程中电压、电流瞬态波形,分析了电压、电流和磁场的频率特性,研究了换流阀工作电压、工作电流和结温对开通和关断过程的影响.结果表明,开通过程中电压呈指...     

驱动回路参数对碳化硅MOSFET开关瞬态过程的影响

在电力电子系统中,碳化硅(Si C)MOSFET的开关特性易受系统杂散参数的影响,表现为电磁能量脉冲形态属性的非理想特性,并进一步影响系统效率和可靠性。针对Si C MOSFET,首先分析控制脉冲、驱动脉冲及电磁能量脉冲三者间形态属性的关系,提取影响Si C MOSFET开关瞬态过程的关键参数,即开关过程中的dv/dt和di/dt。基于Si C MOSFET的开关过程,分析驱动回路参数对dv/dt和di/dt的影响,并通过PSpice仿真及搭建Si C MOSFET双脉冲测试实验平台进行分析和比较。在此基础上,对基于驱动回路参数的瞬态控制方法进行对比分析,为实际应用中对Si C MOSFET的开关特性改善提供重要的理论基础。     

基于20MVA NPC/H桥变流器功率器件模型的研究

基于集成门极换流晶闸管(IGCT)的大容量电力电子变流装置广泛应用于冶金传动、矿井提升、油气输送等工业领域,为研究IGCT的器件特性,需进行建模分析。提出一种IGCT的功能型模型,分析了IGCT等效工作电路的理论换流过程。仿真模型具有计算速度快、参数求解简单的特点,并在仿真软件PSIM中实现,仿真与实验结果验证了模型的有效性和换流过程分析的正确性。     

基于区域控制器的IGBT模块热控制技术研究

含有电力电子模块的电力系统设计通常受限于热限制,主要是考虑系统整体损耗和峰值电流的影响。热控制技术可以改善微网逆变器、分布式储能装置、动态无功补偿设备和交直流电机驱动等应用中电力电子功率模块的稳态和瞬态热机械应力。此处提出的控制技术通过控制功率模块的结温,借助在线结温值计算、开关频率调节和限制开关损耗的电流阈值防止绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块发生过热和功率循环故障。通过不同热运行区域的控制,保证电力电子功率模块持续运行,提高功率模块的可靠性和多晶硅热容量的利用率,避免电力电子模块在电力系统应用中的过度设计。实验结果和有限元分析过程进一步验证了所提热控制技术的有效性和实用性。     

10kV自然换流型混合式直流断路器中真空电弧电流转移特性研究

围绕应用于?10kV直流配电领域中的自然换流型混合式直流断路器的电弧电流转移特性展开研究。开断过程中,机械开关支路在没有辅助换流装置的情况下,需要在真空电弧电压的作用下实现电流向主关断支路的转移。文中建立了真空电弧电流转移的数学模型,确定了电弧电压、转移回路电感电阻参数、电力电子支路的导通压降是影响真空电弧电流转移的主要因素。实验方面首先对具有不同触头结构及材料的真空灭弧室进行了电弧电压测量,实验表明真空电弧电压可以同电力电子支路进行配合;在此基础上,采用IGBT作为电力电子支路开关,进行真空电弧电流向电力电子支路的转移实验,并研究了回路电感电阻参数对于转移特性的影响;最后,设计实现了10kV自然换流型混合式直流断路器,并对开断进行了实验:真空灭弧室电弧电流在1.5ms内完全转移到电力电子支路,关断电流3.6kA、关断过电压21.4kV,验证了该方案的可行性。     

基于电参数的IGBT开关瞬态过程耦合关系分析

IGBT开关瞬态电流变化过程包括开通电流上升过程和关断电流下降过程,由于功率器件的非线性特征及其与电路参数的紧密耦合,造成瞬态过程电磁现象复杂。重点研究了瞬态过程电压电流参数的耦合规律,分析了耦合关系对IGBT工作特性的影响。首先,分析了IGBT内寄生PIN结构、集射极电压对栅极控制模型的影响。其次,基于栅极控制模型的分析,提出集电极电流的拟合次数应考虑电流变化过程持续时间及计算场景,二次及以下多项式拟合可近似描述集电极电流波形并开展功率损耗分析,但不适于电流变化率和感应电压分析。再次,比较了开通和关断过程计算所得回路寄生电感值的差异,提出了不同过程计算回路寄生电感的适用范围及FWD封装寄生电感的计算方法。最后,分析了瞬态过程栅极电压和集射极电压的耦合关系,提出了通过栅极电压估计集射极电压的状态监测方法并进行了实验验证。     

基于离散状态事件驱动的电力电子瞬态过程仿真方法

为分析计算电力电子系统的电磁瞬态过程,需采用非理想开关器件模型,并计及电路中的杂散参数和控制回路中的时间延迟等,此时描述电力电子系统的数学模型呈现出高阶非线性特性,且往往具有较强的刚性。采用常规微分方程的数值解算方法对于这种非线性的电力电子系统瞬态过程进行仿真求解,存在仿真时间超长和数值稳定性很差的问题。为解决这一问题,基于离散状态事件驱动(DSED)思想提出一类电力电子瞬态过程数值仿真方法,摒弃对时间离散的常规数值解算,而直接以状态量的变化值作为仿真计算依据。理论推证和仿真解算比较结果表明:该方法能有效缩短解算时间,同时解决了常微分方程组的刚性问题,使得解算具有很好的数值稳定性。