大功率三电平变频器损耗计算及散热分析

准确计算功率器件损耗可优化变频器的散热设计.功率器件的导通和开关特性对温度比较敏感,损耗计算必须考虑结温的影响.本文分析了中点钳位式(NPC)三电平变频器功率器件导通和开关规律,在此基础上建立了一套实用的损耗计算方法.通过热阻等效电路计算了功率器件的结温.对一台1MVA NPC三电平变频器在逆变和整流两种典型工况下进行...     

一种SVPWM NPC三电平变频器损耗计算的改进方法

功率器件的导通和开关特性与温度相互影响,损耗计算时应考虑散热条件的影响。通过Matlab循环调用功率器件损耗计算程序和ANSYS温度场计算程序的方法,实现了空间矢量脉宽调制(SVPWM)中点钳位式(NPC)三电平变频器的损耗改进计算。分析了不同调制度和负载阻抗角对损耗特性与结温特性的影响,结果表明反并联快速恢复二极管芯片结温受邻近绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片的影响很大,导致结温特性与损耗特性分布趋势不同。该方法可为三电平变频器功率器件损耗的准确计算和散热器的优化设计提供依据。     

有源钳位三电平变频器及其结温平衡控制

传统中点钳位(NPC)三电平变频器存在功率器件结温不平衡的缺点,严重限制了变频器容量的提升,采用有源钳位(ANPC)三电平拓扑可平衡功率器件的结温。本文对ANPC三电平变频器的开关状态及其换流方式进行了分析,并给出了功率器件的损耗和散热模型。介绍了ANPC三电平变频器的两种PWM方式,在此基础上提出了一种结温平衡控制方法。实验结果表明,该方法能够随着调制度的变化动态改变PWM方式1和方式2的工作比例,实现结温平衡控制。相比于NPC三电平变频器,ANPC在逆变和整流模式下的容量可分别提高23.1%和33.3%,具有较高的工程应用价值。     

双馈抽水蓄能机组用中点箝位式三电平变流器损耗与结温分布

针对双馈抽水蓄能机组(DFPSU)运行工况转换频繁,分析不同运行工况下中点箝位式(NPC)三电平变流器功率器件损耗及结温分布。基于DFPSU运行特点,以机侧变流器单相桥臂功率模块为例,研究了不同运行工况下各个功率器件开关动作和电流通路,理论上分析了器件损耗分布不均现象;基于功率器件导通损耗和开关损耗计算模型,建立其热网络等效电路和结温计算模型,考虑DFPSU控制策略,并基于PLECS平台建立了NPC三电平变流器功率器件电热耦合仿真模型;对机组在发电、电动和调相运行工况下的器件损耗和结温分布进行仿真。理论分析与仿真结果表明,不同运行工况下器件损耗不同,变流器中间位置的主开关和箝位二极管的损耗和平均结温最大,且机组在同步转速点附近器件结温波动最大。     

PWM T型三电平逆变器损耗与可靠性研究

研究了T型三电平逆变器在两种不同调制策略下的损耗及其可靠性。通过仿真比较了正弦脉宽调制(SPWM)和特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)两种调制策略下的T型三电平逆变器损耗和功率器件的结温,并对T型三电平逆变器中功率器件的可靠性进行研究。通过研究得到T型三电平逆变器在不同工作模式下的IGBT模块损耗情况及其对可靠性的影响。最后,进行了仿真和实验。     

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,通过测量与之压接相连散热器的表面壳温来间接推导器件结温.最后,开展了功率模块的加载实验工作,所述结温估算方法的仿真与实验结果基本一致.     

MMC系统功率器件基频结温波动快速计算方法

将运行工况转换为器件上承受的热荷载是寿命耗损评估的关键,而寿命耗损评估的准确性受限于功率器件结温计算的速度和精确性。模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)系统桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性,使得子模块内部产生热不平衡。且长时间任务剖面下,较大的基频结温波动对子模块中IGBT模块寿命评估影响不容忽视。为此,文中提出一种考虑运行参数影响的基频结温波动快速解析计算方法。以1.3MVA MMC并网系统为例,通过实验平台测试了所用器件的动静态参数,建立精确的3D器件损耗模型,将所提的结温波动计算模型与时域电热仿真进行准确性对比,讨论不同运行参数对所提结温计算方法的影响。最后,基于所提方法对实际传输功率下网侧MMC子模块中IGBT模块基频结温波动进行计算,验证该方法有助于准确评估MMC中功率器件可靠性。     

MMC-HVDC系统功率器件的结温估算与寿命预测

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,半桥功率模块的寿命预测较为困难,提出了一种功率模块器件的结温实时监测方法及寿命耗损的评估方法.首先,研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,建立功率器件级的热阻模型,研究模块结温实时监测方法.然后,通过Lesit寿命模型和线性损伤累积理论对模块寿命耗损进行定量研究,结果表明,功率波动...     

有源钳位三电平变频器改进SVPWM策略

中点钳位(NPC)三电平变频器存在功率器件损耗不平衡问题,部分器件发热严重,限制了变频器容量和开关频率的提升,有源中点钳位(ANPC)三电平变频器通过不同的零电压输出状态可以平衡功率器件的损耗。通过选取不同的冗余零状态,提出一种适用于ANPC三电平变频器、可以平衡功率器件损耗的改进空间矢量调制(SVPWM)算法。对所提SVPWM算法和传统正弦矢量脉宽调制(SPWM)算法进行仿真对比,分析功率器件损耗分布情况,结果表明所提方法可以平衡功率器件的损耗,提高变频器的容量和开关频率。另外,和SPWM算法相比,采用SVPWM算法输出电压可以提高15%,电流谐波畸变率会有所降低,最后通过实验验证了所提算法的正确性。     

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。     

有源钳位型三电平特定谐波消除调制方法研究

有源钳位型三电平逆变器可以实现功率器件损耗的平衡分布,均衡功率器件结温,间接提高逆变器的容量。特定谐波消除法具有波形质量高、开关损耗低的特点。本文提出了一种有源钳位型三电平逆变器的特定谐波消除调制方法,能够同时兼顾输出电压波形质量、开关器件的损耗和结温的均衡分布,在保证输出电压谐波特性的前提下降低逆变器开关频率,提高逆变器的设备容量。对所提出调制策略进行了损耗和结温的仿真分析,并在实验平台上进行了实验验证,仿真和实验结果验证了本文调制策略的有效性。     

有源钳位三电平变频器调制策略及损耗分析

传统中点钳位(NPC)三电平变频器存在功率器件损耗不平衡问题,导致部分功率器件发热严重,限制了变频器容量和功率器件开关频率的提升.采用有源钳位(ANPC)三电平拓扑结构可产生冗余零电压状态输出实现功率器件损耗平衡.分析了ANPC三电平变频器的工作原理及其换流方式1和方式2下功率器件的工作特性,并给出了两者PWM脉冲生成...     

有源钳位三电平拓扑及功率器件损耗分析

传统中点钳位(NPC)三电平变频器存在功率器件损耗不平衡问题,限制了变频器容量和功率器件开关频率的提升。采用有源钳位式(ANPC)的拓扑可以很好地平衡功率器件的损耗分布。首先介绍了ANPC拓扑的结构以及调制策略,并根据其调制策略对各个工作状态时的功率损耗分布进行分析和计算,最后通过Matlab软件搭建损耗计算模型对ANPC的损耗分布进行分析研究。     

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。     

T型三电平与两电平功率开关器件损耗计算与分析

研究两种逆变器拓扑的功率开关器件损耗,通过器件特征参数,建立一种同时考虑工作电压、驱动电阻和结温的简单曲线拟合方法,推导出三次谐波注入调制算法下T型三电平和两电平拓扑的损耗计算模型,发现损耗与调制系数、开关频率、功率因数角、输出电流有关。在相同逆变工作条件下,当开关频率大于6.8 kHz时,在全电流范围内可使得T型三电平拓扑比两电平拓扑损耗更小,发挥其三电平优势。该损耗研究理论可推广至其他拓扑结构,为并网逆变器设计、效率提升奠定基础。     

永磁直驱风电变流器功率器件损耗分析

永磁直驱风力发电系统在低电压等级下多采用两电平变流器并联运行,而在中压等级下采用三电平变流器较为合适.在分析绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块损耗的基础上,根据两电平和三电平变流器的工作机理,建立了一套考虑结温效应的变流器损耗计算公式.对永磁直驱风力发电系统中并联两电平和三电平变流器的损耗进行了对比分析,分析结果表明,相对于并联两电平结构,三电平变流器的总损耗可减少27％.实验验证了三电平变流器功率器件开关状态的正确性,损耗分析为MW级风力发电系统中三电平变流器散热设计奠定了基础.     

T型三电平逆变器功率器件结温控制研究

三电平逆变器系统中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的结温及其幅值变化直接影响器件热失效等可靠性问题。以T型三电平逆变器为对象,结合IGBT的开关损耗模型及结温热模型,推导出其开关损耗、结温与开关频率之间的定量关系。提出采用多重化结构对逆变系统中T型三电平逆变器拓扑进行重构,在不影响系统输出性能的前提下有效地降低了功率器件的开关损耗和结温,提高系统的可靠性。仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。     

基于数值法的有源箝位三电平逆变器损耗分析

有源中点箝位三电平(3L-ANPC)拓扑结构提高了控制自由度,与传统的二极管中点箝位型三电平(3LNPC)相比,可在一定程度上平衡功率器件的损耗。在分析3L-ANPC逆变器工作原理和功率器件损耗模型的基础上,采用数值法对传统控制方式下的器件损耗进行了计算和对比,并提出了一种损耗平衡控制策略。仿真和实验结果表明,数值法简化了损耗计算的复杂度,适合数字实现;损耗平衡控制策略可随着负载的变化动态地选择控制方式和调节控制方式的工作时间,达到平衡各功率器件损耗的目的。     

模块化多电平换流器损耗与结温的解析计算方法

正常运行时模块化多电平换流器(MMC)子模块的电容不断被充电/放电。为保持电容电压平衡,各子模块投入/切出状态随机,导致MMC损耗计算的复杂度很高。文中引入了桥臂子模块投入占空比的概念,在整个功率运行区间内分析推导了子模块中4个开关器件通态电流平均值与有效值的解析表达式。在此基础上,综合考虑电容电压与门极电阻等参数的影响,推导了通态损耗与开关损耗的解析表达式。针对平均结温并不能真实反映开关器件实际工作状态的问题,详细分析了每个工频周期内开关器件结温波动特性,提出了一种最大运行结温的估算方法。算例分析表明,损耗与结温计算结果与MMC运行特性完全一致,该解析计算方法简便有效。