串联压接型IGBT阀体高电位自取能静态均压的试验研究

目前,主流可关断器件IGBT分为模块型IGBT和压接型IGBT,与之对应电力电子装置分为基于模块型IGBT多电平主电路拓扑和基于压接型IGBT串联型两电平拓扑。由于基于压接型IGBT的串联型电压源换流器具有诸多优点,因此,压接型IGBT将成为未来电网柔性直流输电、灵活交流输电、定制电力和新能源并网等领域的核心器件。压接型IGBT应用的最核心技术是驱动保护技术,而实现驱动保护技术的前提条件是驱动电路如何获取供电能量。因为压接型IGBT串联应用的主要优势领域为高压柔性直流输电,所以只有高位自取能方式是可行的。由于压接型IGBT端电压波动非常大,而门级驱动保护单元对供电要求非常高,因此高电位自取能技术是驱动保护功能实现的前提条件。首先提出在各串联压接型IGBT上独立实现高电位自取能功能方案,其次在不同的参数及工况下进行充分的实验,并依据典型的实验波形进行相应的理论分析,最后通过实验与理论分析得出DC-DC取能电源的启动电压、启动时间与取能电容的容值是串联IGBT阀端电压不均衡的影响因素,并为串联IGBT驱动保护电路如何实现稳定的供电提供理论基础。     

基于IGBT串联技术的10kV固态直流断路器研制

直流断路器作为未来基于电压源换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统组网的关键设备,可以在出现短路故障时快速切断故障电流并使故障部分退出运行,避免停运整个直流系统。提出了一种适用于柔性直流输电系统的固态直流断路器技术方案,建立了IGBT串联的固态直流断路器仿真模型,研究了IGBT栅极电阻、拖尾电流和门极电荷等差异对IGBT串联均压特性的影响。仿真结果表明,静态和动态均压电路可有效改善IGBT间的均压效果。最后搭建了10个IGBT串联的直流断路器样机及实验回路,并完成了直流母线电压10 kV、峰值电流5.1 k A的关断实验,验证了基于IGBT串联技术固态直流断路器方案的可行性。     

高压直流断路器电力电子器件供能技术

高压直流断路器受限于运行方式,其内部大量电力电子器件驱动板卡无法通过系统自取能工作,是高压直流断路器研制的主要难点之一。该文基于500kV高压直流断路器中电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动板卡的负载特性,提出了对地级、层间级和组件级的分层隔离供能方法,开展了对地隔离供能变压器电磁场、机械和热的多物理场仿真研究,并对IGBT器件高电位驱动板卡的供能线圈进行了设计,通过有限元仿真模块Maxwell和电路仿真模块Simplorer搭建了供能线圈和驱动负载的仿真模型,进行了场路耦合联合仿真,最后在500 kV高压直流断路器上试验验证了所提供能技术的可行性及可靠性。结果表明:通过分层次的隔离供能,可为各层供能线圈提供稳定的输入电流,从而可靠地为电力电子器件高电位驱动板卡提供电源,不仅解决了高压直流断路器无法通过系统直接取能的难题,还能显著减小供能设备的绝缘水平要求,降低研制难度,并已在±500kV张北柔直工程中应用。采用多级串联的对地隔离变压器能够满足500 kV电压等级的绝缘要求,内部温升小于30 K,且能够满足9级烈度抗震要求。采用硅钢片工频取能的供能线圈能够满足高电位驱动板卡5 VA的负载容量要求,且结构尺寸小,易于大规模工程化应用。     

基于AVC的IGBT直接串联技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在高压大功率场合的应用要求促进了IGBT的串联应用研究,而有源电压控制(AVC)技术能实现IGBT串联应用时的同步工作及电压均衡,已被证明是一种的控制IGBT开关性能的方案。基于此,从AVC的基本原理出发,提出了不同的参考电平及设计要求,设计了基于AVC的门极驱动及保护单元(GDU)板及实验电路。通过6个IGBT串联的10 kV/300 A的脉冲实验,验证了AVC的电压均衡效果。     

IGBT串联均衡控制方法及其高压直流装备应用可行性研究

大功率电力电子技术一般通过器件或模块串联实现高电压耐受,在常规高压直流和早期柔性直流输电换流器中,采用了晶闸管或IGBT直接串联技术。而基于模块级联的换流器技术因具备高扩展能力,成为目前柔性直流输电主流路线,同样也应用于高压直流断路器等设备中。首先,对IGBT器件直接串联的技术进行探讨;然后,分析串联IGBT开关组件在柔性直流输电、高压直流断路器等场合应用的方式,提出对应的设计方案;最后,对设计方案进行分析计算。研究结果表明,在现有的基于级联模块的高压直流断路器设备中,通过采用IGBT直接串联组件,可以有效地降低其体积和成本,但对于柔性直流换流器,该方案没有显著的提升效果。     

电压源换流器型直流输电技术综述

电压源换流器型直流输电采用可关断电力电子器件和PWM技术,是新一代直流输电技术,它能弥补传统直流输电的部分缺陷,其发展十分迅速。为了进一步推动电压源换流器型直流输电在电力系统中的研究和应用,结合ABB公司几个典型应用工程,在详细介绍电压源换流器型直流输电的系统结构、基本工作原理和与传统直流输电相比的技术优势的基础上,对电压源换流器的拓扑结构、控制与保护策略、开关调制方式等技术问题的国内外研究现状进行了评述。分析表明:在工程应用中,通常从优化系统运行、可靠性、安全性和经济性等角度出发,选择结构简单的电压源换流器主回路结构,并采用能降低开关损耗的开关调制方式。最后就我国开发电压源换流器型直流输电技术提出了需要重点研究的几个关键领域。     

一种适于快速高压直流断路器的过零振荡电路

为满足高电压等级直流断路器可靠地快速开断故障电流的要求,提出了一种基于多级串联间隙和电容分压自取电的预充电型直流断路器过零振荡电路。描述了带分压网络的多级串联间隙的工作原理,仿真分析了触发频率、横向均压电阻和纵向分压电容对多级串联间隙分压特性的影响,并对多级串联间隙在导通动作过程进行了实验验证。分析了基于电容分压自取电的触发装置原理以及参数配置要求。对此种断路器的短路故障电流开断过程进行了仿真分析,并建立电流模拟开断实验系统进行了振荡回路验证研究。仿真与初步的实验结果表明,该过零振荡电路可在主断口支路快速产生有效的反向振荡电流波形,实现故障电流的开断。     

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。     

基于有源电压控制法和无源缓冲法的IGBT串联均压技术

单个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)由于耐压的限制,在节能和改善电网电能质量、柔性直流输电、高压变频器、静止同步补偿器,以及有源电力滤波器等高压大功率电能变换场合还不能满足需求,而串联使用是一种较好的解决方案,但IGBT的串联使用需要解决一系列综合问题。文中结合有源电压控制(AVC)和无源电阻电容二极管(RCD)均压技术,从栅极驱动模块、参考电压波形、过流保护模块、无源缓冲电路参数计算等方面系统地描述了串联IGBT均压的综合解决方案。在此基础上研制了由4只IGBT模块串联组成的阀臂,并进行了脉冲试验,脉冲放电过程中阀臂中的每只IGBT均压稳定,电压过冲小于5%。在此基础上研制了一套3kV,600kVA的三相电压源换流器(VSC)样机,稳定地进行了额定功率的整流与逆变运行,验证了该IGBT模块直接串联技术的有效性与实用性。     

20kV IGBT串联阀段关键技术的研究

目前柔性直流输电(VSC-HVDC)及灵活交流输电(FACTS)等领域发展迅速,对换流器提出了更高电压、更大容量的发展需求。分析研究了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)高压串联阀段主要关键技术,包括串联器件均压控制技术、阀段电气结构设计等。在研究成果基础上设计研制了20 kV IGBT串联阀段,进一步构建了串联模块化多电平电压源换流器子单元。同时,为验证技术方案的可行性,建设了换流单元的稳态运行试验平台。试验结果验证,高压串联阀段均压控制有效,结构设计合理,达到设计水平。所提研究方法解决了高压串联阀段难题,对于促进电压源换流器的技术发展,提高电力电子装置的安全可靠性,具有积极的工程推广应用价值。