东北电力大学 辛业春 等：如何建立计及晶闸管反向关断特性的晶闸管精细化数字模型？
科技
科学
2024-10-11 17:21
北京
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DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20231591传统高压直流输电技术具有传输容量大、经济性好等优点，已广泛应用于直流输电工程。高压直流输电系统换流器的核心元件是半控型大功率晶闸管，逆变器换相过程中，相应的晶闸管在反向电压作用下由导通状态到关断状态，最后能够承受正向电压需要一个过程，该过程决定直流系统是否发生换相失败。常用电磁暂态仿真软件晶闸管模型无法精准反映晶闸管关断动态特性，导致换相失败分析仿真不够准确，为了更准确地仿真直流输电换相失败特性，建立反映晶闸管完整关断过程的数字模型显得尤为重要。1）晶闸管关断特性的数学模型
晶闸管的关断过程包括反向阻断恢复和正向阻断恢复阶段，如图1所示，tq阶段为晶闸管关断过程，其中，trr阶段为晶闸管反向阻断恢复过程，tgr阶段为晶闸管正向阻断恢复过程。![]()
图1 晶闸管关断过程
针对反向阻断恢复过程，建立一次函数和指数函数的分段函数来描述，其电流表达式为![]()
式中：ta为晶闸管正向导通电流下降为零的时刻；tb为晶闸管反向恢复电流反向增大到峰值所对应的时刻；t为时间常数；IRM为反向恢复电流峰值。针对正向阻断恢复过程，晶闸管的直流电流维持为0，正向阻断恢复过程持续时间为tgr。为便于后续构建晶闸管数字仿真模型，直接对整体的关断时间tq进行数学建模。关断时间tq受过零点电流变化率di/dt、正向电流峰值IF和结温Tj的影响，基于实测数据，进行多元线性回归分析，建立不同结温Tj下tq与di/dt、IF的数学模型为：
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式中：li为线性回归系数，i=0,1,2。
2）晶闸管数字建模的方法
基于晶闸管关断特性的数学模型，构建晶闸管数字仿真模型，设计反向阻断恢复模块和正向阻断恢复模块来实现晶闸管关断过程的仿真。![]()
图2 自定义完整晶闸管建模示意图
3） 晶闸管数字模型验证与分析
搭建等效晶闸管模型关断仿真电路，设置不同工况和外电路参数，得到一定正向电流峰值下不同过零点电流变化率的关断特性曲线，等效晶闸管模型关断过程中反向恢复电流峰值、关断时间的仿真值与物理实验的实测值对比如图3所示。图3 IRM、tq仿真值与实测值对比图
由图3中可知，反向恢复电流峰值的仿真值与实测值误差保持在5%以内，关断时间的仿真值与实测值误差保持在4%以内。仿真结果表明：建立的晶闸管数字模型可以有效地反映器件的关断特性，更加准确地仿真晶闸管的关断过程。将等效晶闸管模型用于高压直流系统逆变侧换流器中，构建考虑器件关断特性的换流器精细化电磁暂态模型，并在逆变侧交流母线处短路故障测试，验证模型的有效性，仿真结果分别如图4所示。![]()
图4 单相接地故障下直流电压、电流波形对比
观察图4可知：等效晶闸管模型考虑了关断过程动态特性，当系统发生故障导致系统关断角对应时间小于晶闸管的关断时间tq，系统发生换相失败，与不考虑该动态特性的模型相比，能够更准确地反映高压直流系统换相失败的特征，为换相失败的相关研究工作提供更精准的仿真模型。
本文建立了能反映实际关断特性的完整晶闸管数字仿真模型，将此模型用于晶闸管换流器中，构建了考虑器件关断特性的换流器精细化电磁暂态模型，得出了以下结论：
1）建立了能反映晶闸管关断过程的数字模型，对比分析了仿真值与物理实验的实测值，反向恢复电流峰值误差不超过5%，关断时间误差小于4%，建立的晶闸管数字仿真模型能精确反映晶闸管的关断特性；
2）构建的考虑器件关断特性的换流器精细化电磁暂态模型在故障情况下能更准确地反映高压直流系统换相失败的特征，为换相失败的相关研究工作提供更精准的仿真模型。
辛业春, 郝欢, 王拓, 等. , {{custom_author.name_cn}}. 考虑反向关断特性的晶闸管数字建模方法[J]. 高电压技术. 2024, 50(7): 2774-2783
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辛业春，男，教授，博士生导师，电力系统安全运行与节能技术国家地方联合工程实验室副主任，吉林省具有突出贡献专业技术人才、吉林省第六批拔尖创新人才，《电力系统保护与控制》杂志青年编委。主要研究方向为柔性直流输电技术、输变电运行状态在线监测。主持承担了国家重点研发项目课题3项，国家自然科学基金项目3项，吉林省重点科技攻关项目5项，国家电网公司、南方电网公司等企业横向科研项目40余项。获吉林省科学技术进步一等奖4项、二等奖4项，中国仪器仪表学会科技进步奖一等奖1项。发表SCI/EI收录期刊论文70余篇，出版著作1本；授权国家发明专利80余项。E-mail：xinyechun@163.com。![]()
郝欢，男，硕士研究生，研究方向为晶闸管数字仿真建模、高压直流输电技术。E-mail：1290041009@qq.com。![]()
王拓，男，博士研究生，研究方向为柔性直流输电技术、交直流电力系统分析与控制、高压直流输电。E-mail：wangtuo950408@163.com![]()
东北电力大学李国庆教授科研团队依托电力系统安全运行与节能技术国家地方联合工程实验室，主要开展电力系统安全性与稳定性分析控制、直流输电技术、可再生能源发电联网、输变电设备运行状态监测与故障诊断、电能质量、综合能源系统等领域的教学与科研工作。团队拥有核心成员25人，其中国家级人才称号获得者4人，教授10人、副教授5人；博士研究生导师10人，硕士研究生导师21人；团队有12名成员分别在田纳西大学(UTK)、北卡罗莱纳州立大学(NCSU)、北卡罗莱纳大学夏洛特分校(UNCC)、麦吉尔大学(McGill University)等国外高校和科研机构留学与研修一年以上。近年来，团队承担国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金项目和吉林省“双十工程”重大科技攻关项目等国家、省部级科研项目60余项；承担国家电网公司、南方电网公司、发电集团等科技项目150余项。获国家科技进步奖二等奖2项、省部级科技进步一等奖5项、省部级科技进步二等奖10项、省部级科技进步三等奖3项。发表论文900余篇，其中SCI/EI期刊论文527余篇，ESI高被引论文29篇，出版专著2部；获授权国家发明专利159项，软件著作27项。
责编：陈蔓
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