VSC-HVDC系统中IGBT串联组件关键技术研究

摘要

基于电压源变换器的柔性直流输电技术(VSC-HVDC)以有功和无功功率可独立控制、无需额外滤波设备、经济节能、结构紧凑等优势而备受关注。同时,VSC-HVDC作为风场等间歇性波动功率并网发电的关键技术,促进着分布式可再生能源并网发电的规模化应用。IGBT器件的耐压瓶颈限制着换流器的使用,本文着眼于VSC-HVDC在中高压配电网应用中采用IGBT器件直接串联的组件结构时的关键性技术问题,重点研究IGBT串联组件的均压保护、失效器件检测以及在电压源换流器应用中的相关问题,旨在为VSC-HVDC系统开发应用提供理论支持和技术参考。本研究主要内容包括：
　　⑴建立了IGBT器件的门极驱动模型,并借助于此模型定量分析了串联IGBT器件电压分布情况。提出了一种IGBT器件门极串入均衡变压器均压与吸收电路结合的复合均压方法,建立了串联组件中均衡变压器的等值模型,提出了均衡变压器的参数设计方法,并利用瞬态电压抑制器减缓变压器漏感引起的器件门极过电压。构建了复合均压方法的仿真及实验系统,结果表明,门极均衡核仅能抑制驱动信号差异引起的分压不均衡,实际应用须与吸收电路结合构成复合均压方案,实验结果证明了复合均压方法及其参数设计正确。
　　⑵研究了一种利用阻容元件箝位过电压的门极有源均压方法,分析了门极 RCD有源均压的工作机理,建立了均压电路在不同工作阶段的等效电路以明晰各个均压元件作用,提出了满足均压指标的电路参数设计方法。开发设计了IGBT串联组件的实验系统,实验结果表明,采用提出的均压参数设计方法,门极有源均压电路在驱动信号同步或延时情况下均具有显著的均压效果。研究了该串联组件应用于五段式 SVPWM电压源换流器时的桥臂直通问题,指出了IGBT均压箝位电容电压突增是导致换流器桥臂短路的原因,从电路运行工况下IGBT导通时间角度完善了均压电路的参数设计,实验结果表明均压参数改善后可消除这种桥臂直通的故障现象。
　　⑶研究了失效IGBT器件引起整个串联组件故障问题,提出了IGBT器件失效故障的检测方法及故障恢复策略。利用驱动电路监测组件内IGBT器件运行状态,依据反馈的状态逻辑对器件的故障类型进行辨识、定位,设计了在串联组件保持阻断时吸合旁路开关的无冲击故障恢复策略。实验结果表明,构建的串联组件监控系统能够辨识组件中失效IGBT器件,且能使故障的组件可靠恢复至正常开关功能,验证了失效器件检测方法和组件故障恢复策略的正确性。
　　⑷研制了一套背靠背的VSC-HVDC实验样机,设计了VSC-HVDC系统主回路的电气参数,推导了d-q坐标系下的解耦控制模型,设计了系统级控制与换流器级控制结合的两层控制结构,其中系统级控制监控样机的运行状态,并对换流器的启停机和控制目标进行协调;换流器级控制完成并网输电运行、向无源负荷供电工况下的功率跟踪。结果表明,建立的VSC-HVDC实验样机具备并网输电和向无源负荷供电的能力,验证了VSC换流器及其控制系统设计的正确性。

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1 绪论

1.1 VSC-HVDC技术

1.2 VSC增压技术

1.3 IGBT器件直接串联增压技术研究进展

1.4 本文主要研究内容

2 IGBT器件的门极驱动模型及串联组件的电压分布分析

2.1 IGBT器件门极驱动模型

2.2 IGBT串联组件的静动态电压分布分析

2.3 抑制串联IGBT器件电压分布不均的措施

2.4 小结

3 门极均衡核与RCD吸收电路结合的复合均压方法研究

3.1 门极均衡核均压原理

3.2 门极均衡核设计

3.3 门极均衡核均压的仿真

3.4 门极均衡核与RCD吸收电路的复合均压系统设计

3.5 小结

4 门极RCD有源均压方法研究

4.1 RCD有源均压原理

4.2 RCD有源均压等值模型及参数设计

4.3 RCD有源均压系统的仿真

4.4 RCD有源均压系统的实验

4.5 门极均衡核均压方法与RCD有源均压方法比较

4.6 IGBT串联组件用于五段式SVPWM换流器时的桥臂短路分析

4.7 小结

5 IGBT串联组件中失效器件的检测与保护

5.1 IGBT器件的失效机理

5.2 串联组件中失效器件的处理方法

5.3 串联组件中失效IGBT器件的检测与保护系统设计

5.4 串联组件中失效器件检测与保护的实验

5.5 小结

6 VSC-HVDC系统的设计及运行特性研究

6.1 VSC-HVDC系统的原理与设计

6.3 VSC-HVDC系统的设计开发与实验结果

6.4 小结

7 总结

7.1 结论

7.2 论文创新性工作

7.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及科研情况