柔直阀用双重保护晶闸管设计及试验研究_冯静波.pdf
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1、第卷第期年月电力电子技术,柔直阀用双重保护晶闸管设计及试验研究冯静波客金坤刘斌,王新颖(先 进输电技术国家重点实 验 室(国网 智能电网研宄院有限公司),北 京;国 网阜阳供电公司,安徽阜阳)摘要:半桥型柔性直流系统在直流 故障及旁路 开关拒动情况下,极易引起器件的损坏。电压、电流双重保护晶闸管 具备故障分流及 旁 路 功能,对提升 半桥型柔 性直流系统运行 安 全至关重要。研 宄了电压电流双重保护晶闸管工作原理,获取短路分流和击穿引流的功能设 计需求,结合电热应力分析提出 了保护晶闸管的选型原则,最后以的半桥结 构样机进行试验验证,证明 了保 护晶闸管设 计与试验研宄的正确 性。关键词:电压
2、电流双重保护晶闸管;击穿通流;开通分流中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,),):,?,?,:;:()引言模块化多电平换流器型 高压直流输电技术是一种新型直流输电技术,己经在国内外 得到成 功推 广与应用。目前,柔性直流输电换流器拓扑主要有半 桥、全桥及具备直流故障阻断 能力 的混合桥,其中半桥结构工程化应用最多。针对柔性直流系统存在的直流短路故 障和极限过电压旁路故障需求,半桥 结构 需要配置 专门的组件。通 过调研统计,晶闸管 具备该保护 能力,但目前研宄主要集中在常规直流输电系统,涉 及器件的开关特性、反向恢复 特性和短 路电流耐受特性等研究柔性直流输电用保护晶闸管在器件制造工艺
3、与击穿保基金项目:国家 电网公司科技项目()定稿日期:作者简 介:冯静波(),男,工程师,研究方向 为柔性直流 输电换流间电气设计及试验。持性能己有研究。因此,有必要对柔性直流输电用双重保护晶闸管的应用进 行技术研宄。在此基于柔性直流输电用保护晶闸管的工作特点,提 取 保护晶 闸管在换流阀设计中的主要功能需求,通过 综 合电热应力分析,得到保护晶闸管的选型原 则,并以的半桥结构阀样机进 行电压电流双重保护晶闸管试验验证。工作特性分析分 流 保护特性柔直系统直流母线侧发生短路故障换流阀紧急闭锁,交流系统会通过下管二极管构 建短 路路径,电流高 达几十千安,持续数百毫秒,直至交 流系统断开。这就需
4、要二极管()具备高 浪涌电流耐受 能力。但目前换流阀使用较多模块内部二极管浪涌电流 耐受能力有限,因此需配置合适的分流功率器件,对乂仏进行保护。晶闸管具备高浪涌耐受能力,可作 为分流保护器件,在系统直流柔直阀用双重保护晶闸管设计及试 验研究母线侧发生短路故障时,换流阀闭锁且阀控制 器在低阳极电压条 件下快速触 发开通 与 并联的晶 闸管,分 担 故障短路电流,原理见图。图短路晶 闸管工作原理图击穿旁 路特性子模块在运行中发生故障需 旁路退出时,旁路开 关拒 动,桥臂电流将会通过二极管(对电容器持 续充电,下管的集 射极电压急速增加,如 果 不 加以限制,将会导致过压击穿爆炸,从而引起系统跳闸。
5、因此,需 在 下 管两 端并联反向快速可击穿且具备长期通流能 力的,其 先与 击穿,将桥臂电流转 移,达到 旁路子模块的作用,工作原理见图。;:图晶闸管击穿短路引流原理图 综合分析,要求换流阀保护用晶闸管具备如下功能:面向直流母线侧 短 路 故障保 护需求,晶闸管应具 备快速开通分流功能,实现在高浪涌电流下对二极管的分流保护;面向旁路开关拒动故 障保护 需求,晶闸管应具备快 速 反向过压击穿通 流能力,实现 对的保 护。因此需重点研宄柔性直流 换流阀保护用晶闸管的 电压应力、电流应力 和 热应力,确保晶闸管的安全性。综合应力分析电压应力分析正常耐受电压换流阀稳态运行过程中,保护晶闸管电压即为下
6、管两端电压,关断过程中由于回路杂散电感的作用,会 产 生 关断过电压。其 关断过程等效电路和典型关断过电压波形如图所示,等效为开关,初始时刻桥臂电流流经,此时关断,电流由下管转移至电容 充电,回路杂散电感上产 生电动 势,在上形成关断电压尖峰(),该电压即为保护晶 闸管两端的 电压,即 晶闸管长期正常耐受的反向电压。(关断过 程等效电路()典型 关断过电压 波 形图关断特性图 关断电压计算 见 式():。乙士?出,()式中为电容器额定电压;为回路杂散电感。故障耐受电压子模块发生过压故障闭锁时,若开关 拒动,如图所示,电流持 续通过,对电容器充电,电容电压持续升高,如无有效 保护,丨将 会过压击
7、穿爆 炸。因此需要晶 闸管 在电压达到最大耐 受电压前,提前过压击穿,进 行电流转移。然而晶闸管反向击穿电压值若 低于模组的过电压保护值,易发生误击穿。晶闸管击穿过程中,反向电压 耐受结附近空间电场被局部破坏,器件产生不可逆 失效,最终实现击穿短路。电流 应力分 析晶闸管具有击穿后长期通流和触发开通分担短 路故 障电流两 种工况。晶 闸管过压击穿 后,串联在换流阀回路中,其具 备 承受 各种类型电流的冲击能力。晶闸管处于非击穿状态时,器件只承担 直流 侧短路故障电流,且承受 短路电流的大小由通态电阻决定。晶闸管与二极管并联,分流大小 实际与 各器件通态电阻相关,电阻越小,流过的电流越大。晶 闸
8、管对二极管的分流比可如 下近似计算:()()式中:?为二极管通态电阻;为晶 闸管通态电阻。对晶闸管和二极管而言,电压电流关系曲线数据 手册有详细关系函数,可便于计算通态电阻值。热 应力分 析短路分流过程短路分流属于暂态过程,损耗在 短时间内积累很高,外部散热系统 基本无效,因此产生的损耗致使硅晶片产生瞬间高温,文献给出一种 分段集中电路 模型仿真计算方法,该分段集中方法是对器件的硅片、钼片、铜压块这几层材料 分段 进行热阻模型的分析搭建,并在各层间增加接触热阻,最后通过层层级 联的方式,形成器件完 整的热阻抗电路。由于硅晶片耐受短时冲击温度在 ,因此只要保证瞬态高结温在该限值 之下即可。击穿通
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