基于器件物理特性的晶闸管阀串联机制系统化研究

高压晶闸管阀的串联应用一直缺少系统化的理论指导,也常常忽略了器件本身的物理特性。为适应我国电力工业新的发展战略的需要,推进电力电子装置可靠性研究,文中对柔性交流输电(FACTS)和高压直流输电(HVDC)装置高压晶闸管阀的串联机制进行了深入系统的研究。分析了晶闸管阀串联运行所涉及各个相关环节的物理过程,结合晶闸管本身的物理特性建立相应的数学模型,尤其是建立了包含晶闸管自身恢复电流特性的反向恢复数学模型。对各个元件参数的影响及相互关系进行分析,推导出安全运行所需的边界条件。从而在理论的层次上将晶闸管阀串联机制明确化、系统化。在此基础上,应用该理论对现有的串联方法进行了分析和评价,提出改进后的串联技术。     

基于TCAD的脉冲作用下晶闸管反向恢复特性仿真研究

研究暂态脉冲电压作用下高压晶闸管反向恢复特性对于换流阀参数设计、故障保护以及试验检测等方面具有重要意义。本文首先参照晶闸管实际结构,建立了晶闸管二维半导体仿真模型,基于载流子漂移扩散模型求解,仿真获得了晶闸管静态击穿特性和反向恢复电流特性,通过与实验结果进行对比,验证了仿真模型的有效性。在上述基础上,建立了半导体器件-电路仿真混合模型,仿真表明：反向恢复期间电压脉冲易导致晶闸管误触发,误触发电压随脉冲施加时刻后移而升高,并对比分析了正常导通和误触发导通时晶闸管内部电流密度变化的异同。     

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。     

载流子寿命与高压晶闸管反向恢复特性的关系

掌握晶闸管反向恢复特性对改进晶闸管换流阀电压分布、降低换相失败具有重要意义。为研究晶闸管的反向恢复特性,文中从外部电路条件和内部物理设计参数两个方面,通过实验方法对高压晶闸管的反向恢复特性作了较为深入的探讨。实验研究了工频电流对高压晶闸管反向恢复过程的影响,并将器件的外特性与内部物理过程相联系,通过分析反向恢复时间与载流子寿命的关系,得到少数载流子(简称少子)寿命对高压晶闸管反向恢复特性的影响规律,并分析了反向恢复特性对晶闸管阀暂态特性的影响。结果表明,在正弦电流波形和大注入的情况下,少子寿命与反向恢复存储时间相近;影响反向恢复特性的主要因素是少子寿命,高压晶闸管串联应满足少子寿命相等或近似的条件。     

晶闸管脉冲功率开关保护参数优化计算及其影响

晶闸管具有承受浪涌电流的特点,提出利用它构建强脉冲功率投切开关,代替传统切换开关。整个投切过程是在母线电流过零/电压过零时进行,因此冲击小、无电磁暂态过渡过程,且无拉弧现象。以ABB公司的5STP52U5200晶闸管为例,讨论工作于脉冲开关状态时它的反向恢复电流特点,并归纳出吸收电阻和电容的优化计算方法和设计准则。利用MATLAB的SIMULINK环境构建以晶闸管充当脉冲功率开关的整个试验回路的仿真建模,分析阻容吸收回路参数对晶闸管过电压的影响特性。该仿真模型能够正确反映晶闸管的开关暂态过程,具有良好的灵活性、与扩展性。试验验证了所提出的晶闸管的计算方法和设计准则的有效性,并有利于快速设计出满足工程需求的脉冲功率开关(阀)组件。     

高压大功率晶闸管反向恢复特性动态模型

晶闸管反向恢复过程模型的精确性,对以晶闸管为开关器件的电力电子设备的电气性能研究和设计具有重要影响。在分析晶闸管阻断恢复过程中载流子运动特性和PN结变化规律的基础上,结合晶闸管实际工作电路,提出了用描述动植物自然生长过程的Logistic曲线来建立晶闸管反向恢复过程的非线性电阻模型,弥补了传统的晶闸管反向恢复电流指数模型和双曲正割模型的不足。仿真与实验结果的对比证明了所提模型的正确性和精确性。     

反向恢复电荷分散性对直流换流阀的影响

直流换流阀是直流输电的核心设备,它的设计性能直接影响整个直流系统的优劣。而晶闸管的反向恢复特性是阀设计时考虑的重要因素之一。为满足耐压要求,换流阀需多只晶闸管串联,但每只晶闸管的反向恢复电荷均不同,这种电荷分散性将引起晶闸管级端电压的不同。首先分析直流换流阀关断时刻反向恢复电荷差异对晶闸管级端电压的影响。在此基础上,分别分析反向恢复电荷分散性对阀最小触发电压和最小关断角的影响,推导其理论公式,并通过仿真验证公式的准确性。最后,得出在系统条件一定的情况下,阀设计时对所选用晶闸管的反向恢复电荷分散性的一般要求。     

基于统一离散时域建模法的晶闸管串联运行暂态仿真

现有晶闸管仿真模型虽能较准确地模拟单只晶闸管开通和关断的动态过程,却较少涉及多只器件的串并联仿真。文中在分析晶闸管开关过程中动态特性的基础上,利用统一离散时域建模法建立了包含开关动态过程的晶闸管数学模型。由于该模型采用时变电阻来描述晶闸管工作过程中电压、电流的变化关系,因此适用于晶闸管串联电路的暂态仿真分析。仿真和实验结果表明所建立的晶闸管数学模型可较为准确地描述串联运行的晶闸管开关过程中电压的动态分配,从而为需晶闸管串联运行的大型电力电子装置的动静态均压电路设计提供了依据。     

高压直流晶闸管阀故障电流下反向电压特性的分析

为分析高压直流晶闸管阀故障电流下的反向电压特性,采用电路拓扑模型分析法,建立了故障电流下反向分析的数学模型,并建立相应的试验模型对分析方法进行验证。对晶闸管结温、阻尼电阻电容参数、电流变化率和正向电流4个参数的影响进行了分析,并用数学模型进行仿真计算。分析结果表明:晶闸管结温、电流变化率和正向电流均可导致反向恢复电荷的改变,从而对反向恢复电压造成影响;阻尼电阻电容一定时,有唯一阻尼电阻使反向电压最小。结果验证了该仿真分析方法的可行性,且具有较高的精确度。     

大功率晶闸管反向恢复期保护逻辑的优化设计

晶闸管是特高压直流输电领域中的核心设备,其运行状态直接影响了直流输电系统的稳定性.晶闸管关断过程中,电流从额定值降为零后,才具备承受反向电压的能力.由于晶闸管结电容的存在,需要一定的反向恢复电荷,使得电流过零后反向流动,这一过程称为反向恢复期.如果晶闸管在反向恢复期内端电压突然升高,斜率超过一定值后,晶闸管就会被击穿,...     

基于指数恢复模型的晶闸管阻容吸收参数设计

首先介绍了一种基于指数函数反向恢复特性的晶闸管Matlab仿真模型;然后利用该指数恢复模型建立了晶闸管RC吸收回路的仿真电路,通过大量不同RC参数组合情况下的仿真数据,得出了过电压倍数、电阻损耗与RC参数之间的关系曲线;并进一步分析这些曲线的变化规律,总结出了吸收电阻和吸收电容的参数设计原则。最后结合工程实例,给出了一个晶闸管阻容吸收参数设计的具体步骤。现场测试结果表明,该方法非常实用、有效。     

反向恢复期脉冲作用下高压晶闸管失效分析

本文搭建了高压晶闸管反向恢复期脉冲作用实验平台与特性参数测试平台,研究了高压晶闸管在反向恢复期不同阶段遭受脉冲冲击过程中的特性参数变化规律,并对退化和失效晶闸管拆片分析,结果表明：反向恢复期脉冲作用下高压晶闸管退化或失效表现为阻断能力的退化或丧失,由此引起晶闸管漏电流剧增,漏电流可作为表征晶闸管状态变化的特征参量;反向恢复期初期和中期冲击失效器件芯片上可见明显击穿点;反向恢复期中期冲击阻断能力退化芯片上可见热应力作用形成的圆斑;反向恢复期末期冲击失效器件可在芯片边缘与绝缘橡胶相接处见雪崩击穿闪痕。#$NL关键词：高压晶闸管; 电压脉冲; 反向恢复期; 失效分析#$NL中图分类号：TM461.4     

可控串联补偿装置器件级数字仿真研究

在可控串联电容补偿装置（ＴＣＳＣ）的研究中,用电容、电感、晶闸管、ＭＯＶ等元件构造ＴＣＳＣ器件模型。选择合适的步长、触发才暂态稳定控制器,在实际多机系统中进行ＴＣＳＣ数字仿真研究。结果表明,所采用的ＴＣＳＣ器件模型和控制方法可在仿真中正确实现了ＴＣＳＣ的触发功能和控制功能。     

串联晶闸管动态电压测试技术研究

为有效监测脉冲功率源系统中串联晶闸管在同步触发条件下动态电压变化,建立晶闸管电路等效模型,计算不同衰减电路模块对于串联晶闸管均压特性的影响,并在此基础上设计了一种特殊的阻容串联型分压器用于采集串联晶闸管导通过程中的电压信号.计算结果表明,此分压器可有效改善串联晶闸管的动态均压特性,对于串联晶闸管同步导通过程中电压变化情况进行精确监测.经实验验证,该方案可以有效解决脉冲功率源系统中串联晶闸管导通过程的信号采集问题.     

晶闸管控制的串联电容补偿模型的综合研究

采用拉氏变换精确推导出适用于瞬时过渡阶段和稳态阶段的TCSC回路 中电容器、电抗器和晶闸管元件的电压和电 流数学表达式,再采用傅里叶分析进一步导出了TCSC基波阻抗和晶闸管触发角之间精确的数 学关系。利用电磁暂态程序(EMTP)验证了TCSC回路数学分析的正确性。此外,建立了带有微 机控制的完整的TCSC动模试验装置,并通过动模试验进一步同TCSC回路的数学分析和仿真结 果作比较。动模试验的结果与理论分析和仿真的结论较好地吻合,且证实了数学分析和数字 仿真中采用线路电流保持正弦假设的合理性。     

特高压直流碳化硅晶闸管阀损耗探讨

碳化硅是发展最为成熟的新型宽禁带半导体材料,且碳化硅功率器件近期已开始代替常规的硅基器件。以典型的±800 kV,额定电流为5 kA的高压直流输电工程为实例,建立了换流阀基本组件的电气模型,用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了换流器仿真电路,研究碳化硅晶闸管在高压直流换流阀中的应用。对基于碳化硅晶闸管和普通硅晶闸管的直流换流阀电气特性和损耗进行仿真结果比较。计算结果表明:用碳化硅晶闸管来代替传统的硅晶闸管,可以在不同的触发角和工况下大幅减少系统的功率损耗。最后估算了在直流工程中使用碳化硅晶闸管阀带来的经济效益。     

A study of thyristor controlled series capacitor models for power system stability analysis

The thyristor‐controlled series capacitor (TCSC) is promising as a powerful device to increase power transfer capability and transient stability. The basic configuration of the TCSC consists of a series of capacitors connected antiparallel with thyristor‐controlled reactors, so that firing angle control of the thyristors makes the TCSC capable of achieving impedance control in a wide range with quick response. It is important to clarify the relationship between the fundamental reactance of the TCSC and the firing angle of the thyristors, thus leading to practical applications of the TCSC for enhancement of power transfer capability and transient stability in transmission lines. Two relationship equations for the TCSC's fundamental reactance have already been proposed. One is the relationship equation derived from a TCSC circuit whose source is a voltage. The other is the relationship equation derived from a TCSC circuit whose source is a current. For TCSC installed in a transmission line, it is clear which equation is more adequate for analyzing power system stability. In this paper, the authors determine whether either of the equations is valid for analyzing a power system stability.

• 1. In the steady state, the TCSC fundamental reactance is analyzed and compared with the two equations and EMTP. It is clear that the TCSC reactance based on current source is adequate.
• 2. The swing angle of a generator when the firing angle is stepped up is analyzed with EMTP and an analytical model using the TCSC model based on current source. It is shown that the proposed model is effective for power system stability analysis. © 1999 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 129(1): 20–28, 1999