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高压直流输电、新能源送出与电网调控装备向高电压、大容量发展,使功率器件选型不再是额定参数的比较,而成为受器件特性、拓扑机理、任务工况和阀级实现共同约束的系统问题.集成门极换流晶闸管(integrated gate-commutated thyristor,IGCT)兼具晶闸管型强电导调制和主动关断能力,并具有压接封装器件短路失效后维持通流的特性.但这些特性并非在所有工况下都构成优势,其系统价值主要体现在中低开关频率、大电流长时通流、主动换相或故障开断等任务中.从器件机理出发,梳理 IGCT 在负载侧连续功率变换、发电侧连续功率变换及并网支撑、电网侧功率调控、高压直流输电换流、直流变换与直流供能、电流开断与脉冲功率应用场景中的作用,并综合论文、标准和工程资料,比较不同技术方案与技术应用阶段.IGCT 在工业中压传动已积累多项工程长期运行经验,风电、铁路供电和电网调控装备已具备产品级方案,混合换相换流阀、直流变压器电流源型直流融冰装置、直流耗能装置、直流断路器等已获得示范工程验证,其他新型换流、开断和脉冲功率方案多处于样机试验或方案探索阶段.中国已形成从器件研制到装备集成的技术链条,相关标准体系正在建立.IGCT 并非对其他全控器件的普遍替代,其规模化应用取决于驱动取能、串并联一致性、瞬态能量控制,以及长期运行和批量制造数据的共同支撑.
集成门极换流晶闸管高压大容量电力电子装备柔性直流输电电流源型换流器
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为挖掘换流站阀外冷风机群的负荷调节潜力,本文分析了380 V 交流供电阀外冷风机的负荷特性与响应机理,建立了考虑温度约束的负荷聚合模型,提出了温度分层控制与多风机协同调度相结合的优化调控方法.通过典型换流站实测验证,所提方法响应时间达到分钟级,调节精度误差小于5%,在保障换流阀温度安全的前提下,实现了额定功率30%～70%范围的灵活调节,为直流系统阀外冷风机管理提供了有效技术手段.
换流站阀外冷风机负荷响应特性协同调控风机管理
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在不同的交流电压下,电网换相换流器高压直流系统存在不同的控制模式,如定电流、定电压、定关断角控制、低压限流控制(VDCOL)和电流偏差控制等.为研究不同交流电压、不同控制模式下的小干扰稳定性,以CIGRE HVDC 标准测试模型和贵广Ⅱ工程模型作为算例,首先介绍考虑换流阀阻尼回路的 dq 轴换流器模型、SRF锁相环模型、MAF 锁相环模型;然后根据不同交流电压下直流系统的不同控制模式给出相应的触发角传递函数,即控制系统模型;最后结合换流器模型、锁相环模型、控制系统模型、交流侧 dq 轴阻抗推导得到直流阻抗,在PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真模型中对直流阻抗进行扫频验证,不同交流电压下的直流阻抗计算值和仿真模型的扫频结果吻合,证明小信号建模的正确性.根据阻抗分析法,在逆变器直流侧出口处将直流系统分为两个子系统,进而推导直流系统的闭环传递函数,以闭环传递函数的主导极点分布判断直流系统的小干扰稳定性,绘制了 CIGRE模型和贵广Ⅱ工程模型不同交流电压、不同控制参数的稳定域,并对比了贵广Ⅱ工程模型不同短路比下的稳定域,采用 PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真模型验证了稳定域的准确性.分析稳定域得到以下结论:VDCOL 控制和电流偏差控制启动会使直流系统的稳定性减弱;在弱交流系统下,交流电压的减小通常会使得直流系统的稳定范围减小,而在强交流系统下,交流电压的变化对直流系统稳定性的影响较小.
电网换相换流器高压直流交流电压跌落稳定性分析稳定域
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柔性直流输电技术是未来电网的发展方向,绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是换流器内部最重要的核心器件,也是最容易失效的部件之一.短路失效是其最常见的故障,需要开展多物理场下的建模研究.为了刻画柔直换流系统的故障状态,建立换流系统仿真模型,得到了换流阀故障时的电压及电流参数,作为IGBT短路失效的条件.为了从单个元件的角度对IGBT的短路失效进行刻画,结合多物理场耦合理论,建立计及温度效应的IGBT多物理场耦合模型.通过换流阀故障参数对IGBT模型进行相应的参数设置,模拟短路失效.最后,通过模拟结果得到短路失效过程中IGBT各个参数的变化.该文建立的IGBT短路失效模型,有效性得到验证,为柔性直流输电的可靠运行提供了理论基础.
柔性直流输电系统多物理场耦合IGBT短路失效影响因素短路失效过程
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随着高压直流输电(HVDC)技术在远距离海上风电输送中的广泛应用,海上风电集群并网对电网电压支撑能力提出了更高要求.传统的网侧模块化多电平换流器(MMC)限流控制方法对故障电流暂态分量的抑制能力不足,且缺乏对电网电压的主动支撑能力.为此,提出了一种自适应电流限流控制策略,通过减小换流阀出口电压与并网点电压差,并根据电压跌落程度自适应调整下垂系数,实现了故障电流的有效限制,同时提升了对电网电压的主动支撑能力.此外,考虑到故障电流暂态分量对限流的影响,引入了可变虚拟阻抗控制方法,通过动态增大并网侧等效电阻和电感,减缓电流暂态分量的上升速度,有效抑制故障电流暂态分量.最后,基于MATLAB/Simulink平台的仿真结果表明,该控制策略能够有效抑制故障电流并增强系统的电网电压支撑能力.
模块化多电平换流器高压直流输电故障限流海上风电自适应电流限流控制策略
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温升性能对电容器至关重要,温升的高低直接影响电容器的寿命.为了降低柔性直流输电换流阀用直流支撑电容器(简称柔直电容器)的温升,研究了影响柔直电容器温升的因素及规律.通过对试验数据的分析,得出影响电容器温升的因素繁多,几乎涵盖了电容器的方方面面.降低柔直电容器温升应从多方面进行改进和优化,材料方面,建议选取低损耗的 PP 介质,导体选用电阻率低的紫铜,在保证极壳绝缘性能的前提下选择尽可能大导热系数的聚氨酯.设计方面,建议金属化膜低方阻区宽度占薄膜总幅宽的 20%～30%为宜,单个心子不宜过大,控制其直径在68～78 mm 为宜,铜带电流密度建议选择≤1.5 A/mm2.工艺方面,建议卷绕间洁净度至少 10 000级,喷金气压选择应 0.3 MPa～0.4 MPa 之间为宜,焊接建议采用恒温自动化焊接,灌注建议采用真空度低于 100 Pa 的真空灌注为宜.试验方面,尽量采取接近实际运行的状态进行试验,以消除影响温升试验结果的干扰因素,得到尽可能准确的试验结果.
柔直电容器温升寿命电流密度材料工艺设计试验
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为应对超高压直流输电阀冷水系统高含盐排污水资源化与零排放需求,本文结合钢铁行业高盐废水处理工程经验,构建了集成预处理、膜浓缩、深度脱盐与多效蒸发结晶的阀冷水系统零排放工艺,提出"预处理-反渗透-电渗析或连续电除盐"制补水与蒸发结晶固盐的整体方案.建立系统稳态水量-盐分-能耗平衡模型,基于Python仿真分析膜回收率、排污率、结晶母液盐浓度及配置电渗析或连续电除盐单元的影响规律.结果表明:提高膜回收率可显著降低单位补水汽耗且电耗增幅轻微;排污率增大会同步推高电耗和汽耗;结晶母液盐浓度在合理区间内对汽耗影响较小;配置电渗析或连续电除盐单元能以有限电耗增量大幅改善补水水质,为工艺参数选取和分步改造提供定量依据.
超高压换流站阀冷水系统零排放工艺集成能耗分析
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为应对高压直流输电系统中晶闸管热积累引发的失效风险,并解决极端工况下通信链路异常导致的监测中断问题,文章设计了一套基于集成波导芯片的在线监测系统.该系统集成了4×16多模干涉耦合器(MMI)以实现16通道高密度集成,采用波导光栅传感器(WBG)完成高精度温度测量,并结合光开关构建多层级冗余链路.实验结果表明,系统对晶闸管温度的测量精度达±0.3℃;当主通道发生故障时,可在20 ms内快速切换至备用线路,有效消除了传统方案因关键节点失效引发的系统性监测中断问题,提升了系统的可靠性与容错能力.目前,该系统已在北京特高压实验基地开展工程应用测试.
高压直流输电多模干涉耦合器波导光栅温度监测冗余设计
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模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)是柔性直流输电的核心装备,其安全可靠运行对于保障电力安全至关重要.换流阀中绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)器件在开关过程中因高电压和大电流的快速投切产生强电磁干扰,影响低压控制电路的正常工作,严重时会导致系统故障.驱动板卡与高压大电流IGBT器件直接相接,为系统提供开关控制信号,是低压二次板卡中最易受干扰的单元.因此,将探讨换流阀子模块IGBT器件的电磁辐射及驱动信号电压中的电磁干扰问题.首先,明确了驱动板卡与功率模块之间的距离远小于IGBT开关电磁波的波长,因此展开聚焦近场辐射问题.然后,驱动板卡上布局、布线复杂且存在局部铺铜的情况,揭示了驱动板卡上的电磁辐射源由IGBT器件开关电磁源及驱动板卡上铺铜所引起的电磁散射源构成,呈多源互相作用的特性.最后,以实际换流阀子模块为研究对象,通过不同开关工况下的实验分析,全面且准确地获得了换流阀子模块的空间磁场在位置、频率和强度上的分布特性,验证了驱动板卡上电磁散射特性及电磁散射和辐射共同作用下的驱动信号端口的感应电压.
柔性直流输电模块化多电平换流器电磁辐射驱动板卡电磁散射感应电压
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随着深海风电并网容量的持续提升,模块化多电平换流器(MMC)作为海上换流阀的核心拓扑,其子模块关键功率器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的多物理场特性直接影响系统可靠性.针对深海环境下高积热、高频振动的复合工况,本文对 IGBT 开展电-热-机械多物理场耦合仿真研究.首先分析 IGBT 模块的多层封装结构及其功率损耗计算方法,明确芯片、焊料层、直接键合铜(DBC)基板、铜底板之间的热传导路径;在此基础上,基于 COMSOL 平台构建参数化有限元模型,依托模型完成动态耦合仿真,有效揭示复杂海洋环境下 IGBT 的热-机械应力分布规律.研究结果为高可靠性海上柔性直流换流阀的散热设计、寿命预测及故障保护提供坚实的理论依据与仿真基础.
电-热-机械多物理场功率损耗有限元模型深海海上风电柔性直流输电
