大功率三电平变频器损耗及IGBT结温分析

提出一种大功率三电平变频器损耗及器件结温计算的简便方法,通过实验数据建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块导通损耗和开关损耗数学模型,并利用功率器件驱动信号来计算变频器的损耗,综合考虑了调制策略、负载功率因数、输出电流谐波、直流母线电压波动等因素,适用于变频器任何工况下的损耗和结温计算。建立了中点箝位型(NPC)三电平变频器电-热耦合模型,通过仿真和实验证明了所提方法的正确性,并分析了基于单开关周期的功率器件瞬态损耗及结温波动情况。     

双馈风电机组变流器IGBT结温计算与稳态分析

针对双馈风电机组机侧变流器长期处于低频下运行导致故障率高的机理问题,提出其功率器件绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)结温准确计算方法及其变化规律的研究。首先基于不同损耗分析方法,结合IGBT热网络,建立了IGBT结温计算模型,并对一个实际IGBT在不同结温计算方法下的稳态结温进行比较。其次,结合双馈风电机组运行特性,分别建立其全范围工况下机侧变流器IGBT的结温计算模型。最后,分析了双馈风电机组在不同风速下机侧变流器IGBT稳态结温变化规律及其影响因素。结果表明,基于开关周期损耗的结温计算方法更适合较低频率运行下IGBT结温的准确计算;双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随变流器输出频率的降低而增大。     

大功率三电平变频器损耗计算及散热分析

准确计算功率器件损耗可优化变频器的散热设计.功率器件的导通和开关特性对温度比较敏感,损耗计算必须考虑结温的影响.本文分析了中点钳位式(NPC)三电平变频器功率器件导通和开关规律,在此基础上建立了一套实用的损耗计算方法.通过热阻等效电路计算了功率器件的结温.对一台1MVA NPC三电平变频器在逆变和整流两种典型工况下进行...     

大功率三电平中点箝位变流器损耗特性分析

随着大功率变流器容量的提升,功率器件的损耗也逐步增加,从而导致系统的散热及可靠性问题变得更加突出。本文分析了基于IGCT器件的三电平中点箝位变流器各部分损耗的理论计算方法。考虑高压大电流条件下器件电压及电流谐波含量对损耗计算的影响,本文通过电压及电流瞬时值计算功率器件通态损耗、开关损耗,以及缓冲电路损耗,实现变流器系统损耗的准确计算,为大功率变流器不同拓扑结构和调制策略的效率优化分析打下基础,也为系统散热设计提供参考基准。基于负载功率自循环老化原理,本文通过仿真和实验验证损耗计算模型及仿真平台的正确性和有效性,在工程实践上具有一定的实用性。     

NPC三电平变流器中点电位平衡控制研究

三电平中点箝位型(NPC)变流器具有输出电压谐波小、器件开关损耗低等优点,作为变流器拓扑被广泛关注和研究。针对NPC三电平变流器中点电压平衡控制问题,本文通过分析NPC三电平变流器的数学模型和中点电位电压波动原理,提出一种零序电压分量注入法,并通过搭建MATLAB/Simulink仿真模型,通过对比试验分析,充分验证了所提方法可以在有功、无功输出工况下,实现中点电压平衡控制,且系统运行情况良好。     

一种SVPWM NPC三电平变频器损耗计算的改进方法

功率器件的导通和开关特性与温度相互影响,损耗计算时应考虑散热条件的影响。通过Matlab循环调用功率器件损耗计算程序和ANSYS温度场计算程序的方法,实现了空间矢量脉宽调制(SVPWM)中点钳位式(NPC)三电平变频器的损耗改进计算。分析了不同调制度和负载阻抗角对损耗特性与结温特性的影响,结果表明反并联快速恢复二极管芯片结温受邻近绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片的影响很大,导致结温特性与损耗特性分布趋势不同。该方法可为三电平变频器功率器件损耗的准确计算和散热器的优化设计提供依据。     

NPC三电平逆变器损耗计算及均衡控制算法

针对中点电压箝位(NPC)三电平逆变器器件损耗分布不均导致器件结温不均衡问题,通过对逆变器工作状态、空间矢量脉宽调制(SVPWM)进行分析,提出了基于零矢量时间非均衡分配的损耗分布调节方法。此处给出了非均衡零矢量分配调制下的损耗计算方法。以及基于主损耗器件损耗均衡优化目标的零矢量分配系数的求解方法。实例计算表明所提方法能有效调节主损耗器件的损耗分布。     

风电变流器IGBT模块损耗及结温的计算与分析

针对双馈风电变流器IGBT模块在交变热应力的长期作用下导致故障频发的问题,提出其损耗与结温的准确计算模型及不同工况下两者变化规律的研究。首先,建立了机侧及网侧变流器在整流或逆变模式下IGBT模块损耗及结温的计算模型;其次,对机组在不同运行工况下,其损耗和稳态结温进行分析。结果表明,随风速的增大,机侧与网侧变流器IGBT模块的损耗变化规律不同;机侧变流器IGBT模块的结温波动剧烈,尤其是在同步风速附近区域。     

基于无功环流的风电变流器热负荷优化控制

大容量风电变流器的设计寿命决定了其可靠性,非常关键,而变流器中功率半导体器件的结温将随着风速变化,即随变流器运行功率的变化而波动,这将增加器件的失效率,从而影响到变流器的可靠性。针对这个问题,提出了一种基于无功环流的风电变流器热负荷优化控制策略,首先以双馈风电机组作为研究对象,对其变流器转子侧和网侧的无功环流运行边界范围进行了计算,然后分析了无功环流对变流器中各个功率器件的电流和热负荷分布的影响,从而设计了将额外的无功功率注入以在风速变化时保持功率器件热稳定的优化控制方法。最后,基于Matlab/Plecs的仿真平台建立了风电机组仿真模型并进行了对比计算。结果表明,风速变化时新控制方法使变流器的功率器件最大结温波动较传统方法减小了4℃,从而验证了其有效性。     

MMC系统功率器件基频结温波动快速计算方法

将运行工况转换为器件上承受的热荷载是寿命耗损评估的关键,而寿命耗损评估的准确性受限于功率器件结温计算的速度和精确性。模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)系统桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性,使得子模块内部产生热不平衡。且长时间任务剖面下,较大的基频结温波动对子模块中IGBT模块寿命评估影响不容忽视。为此,文中提出一种考虑运行参数影响的基频结温波动快速解析计算方法。以1.3MVA MMC并网系统为例,通过实验平台测试了所用器件的动静态参数,建立精确的3D器件损耗模型,将所提的结温波动计算模型与时域电热仿真进行准确性对比,讨论不同运行参数对所提结温计算方法的影响。最后,基于所提方法对实际传输功率下网侧MMC子模块中IGBT模块基频结温波动进行计算,验证该方法有助于准确评估MMC中功率器件可靠性。     

有源钳位三电平变频器及其结温平衡控制

传统中点钳位(NPC)三电平变频器存在功率器件结温不平衡的缺点,严重限制了变频器容量的提升,采用有源钳位(ANPC)三电平拓扑可平衡功率器件的结温。本文对ANPC三电平变频器的开关状态及其换流方式进行了分析,并给出了功率器件的损耗和散热模型。介绍了ANPC三电平变频器的两种PWM方式,在此基础上提出了一种结温平衡控制方法。实验结果表明,该方法能够随着调制度的变化动态改变PWM方式1和方式2的工作比例,实现结温平衡控制。相比于NPC三电平变频器,ANPC在逆变和整流模式下的容量可分别提高23.1%和33.3%,具有较高的工程应用价值。     

有源钳位三电平变频器调制策略及损耗分析

传统中点钳位(NPC)三电平变频器存在功率器件损耗不平衡问题,导致部分功率器件发热严重,限制了变频器容量和功率器件开关频率的提升.采用有源钳位(ANPC)三电平拓扑结构可产生冗余零电压状态输出实现功率器件损耗平衡.分析了ANPC三电平变频器的工作原理及其换流方式1和方式2下功率器件的工作特性,并给出了两者PWM脉冲生成...     

一种NPC型三电平变流器虚拟空间矢量调制策略的快速算法研究

在NPC型三电平变流器的调制策略中,虚拟空间矢量调制策略(Virtual Space Vector PWM,VSVPWM)是一种全调制度系数和全功率因数中点电压无波动的调制策略,但该调制策略的具体实现过程较为繁琐。分析了VSVPWM策略的基本原理,在此基础上提出了一种三电平VSVPWM策略的快速等效算法-各相电平作用时间计算法,这种快速算法不需进行传统三电平VSVPWM的复杂运算,更易于数字化实现。仿真和实验验证了文中理论分析的正确性。     

单相光伏并网发电系统的NPC三电平逆变器研究

为提高单相光伏并网发电系统的功率因素和输出电压电能质量,降低逆变器单位功率的成本和谐波含量,提高系统的灵活性,提出了一种NPC三电平单相光伏并网逆变器。分析了NPC型三电平的工作原理,研究了NPC型三电平直流侧中点电位不平衡问题,采用空间矢量控制的SVPWM方法对逆变器进行控制。基于MATLAB/SIMULINK仿真环境,建立了NPC三电平SVPWM控制的单相光伏并网发电系统,仿真结果验证了逆变器及控制策略的有效性。     

基于器件结温的同相补偿变流器可靠性评估

以5 MW模块化同相补偿变流器为例,基于同相补偿变流器的相关电热参数,建立变流器整流侧和逆变侧IGBT模块的结温仿真模型,分析同相补偿变流器在额定工况时的损耗和结温。结合实测的高速铁路和重载铁路牵引负荷数据,利用Bayerer模型和线性疲劳累积损伤理论评估全时补偿和需时补偿下同相补偿变流器的可靠性。研究结果表明,由于高速铁路和重载铁路2种牵引负荷波动程度的不同,重载铁路全时补偿和需时补偿下变流器故障率的差异远低于高速铁路全时补偿和需时补偿下变流器故障率的差异。同时针对重载铁路负荷,提出了一种新的能提高同相补偿变流器可靠性的运行方式。     

柔直换流阀损耗解析计算及其误差分析

模块化多电平换流器（MMC）柔直换流阀损耗是系统重要的性能及经济评价指标,也是换流阀功率器件选型、结温评估、冷却系统设计的直接依据。换流阀损耗主要为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、二极管等功率器件的导通损耗和开关损耗,占比达到90%以上。目前已有大量关于柔直换流阀损耗计算及优化方法研究成果。本文在现有解析计算法的基础上,进一步精确推导得到涵盖系统工况及器件特性的损耗计算通用表达式。提取了与损耗关联的影响因子及其权重,为损耗优化提供了依据。考虑到实际工程换流阀为电平逼近调制策略,分析解析计算法的误差来源,提出计算精度更高的基于工程运行现场数据录波的损耗计算方法。     

考虑器件损耗的DAB变换器最大输出功率分析

针对双有源桥DAB(dual-active-bridge)DC-DC变换器输出功率受变换器运行损耗的影响,对考虑开关器件损耗的DAB变换器输出功率进行特性分析。首先,根据DAB变换器不同工作模态与开关器件的工作特性,建立了双重移相调制策略下的开关器件损耗模型;然后,利用该模型推导出考虑开关器件损耗情况下的输出功率分布,并分析了该输出功率的特性,与理想输出功率相比,考虑器件损耗下的最大输出功率点向损耗偏小的方向发生了偏移,偏移趋势与开关器件的参数有关;最后,搭建了实验平台进行验证。实验结果证明了最大输出功率点偏移趋势的准确性。