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欢迎同学回到电磁暂态分析的课堂

下面我们讲十九讲

电力电子器件的电磁暂态模型

电力电子设备在电网中广泛应用

形成了所谓的电力电子化的电力系统

在电力传输领域

高压直流输电灵活交流输电领域

各种电力电子装置都得到了广泛的应用

另外

在配电系统的用户电力电子设备中

也得到了应用

以负载为基础的应用

包括电机驱动器

不间断电源以及无功补偿

另外也在分布式发电和存储设备中得到应用

这是我们研制成功的500kV柔直断路器

已经应用在张北500kV的柔直电网中

电力电子的电磁暂态的问题更为复杂和重要

与其他设备相比

电力电子器件和控制保护系统特性更加复杂

其暂态特性很难用常用器件来描述

电磁暂态计算的建模也更加困难

因此

由于电磁暂态导致的直流闭锁问题时有发生

以电力电子器件为核心的主电路

与控制电路驱动电路

一起构成了电力电子系统

电力电子器件可以分为三类

一类是不可控器件键

不能用控制信号来控制其通断

无驱动电路

如电力二极管和功率二极管

它只有两个端子

器件导通和关断

由其在主电路承受的电压和电流来决定

第二类是半控型器件

通过控制信号可以控制其导通

从而控制其关断

包括晶闸管以及大部分派生的器件

器件的关断

由其在主电路中承受的电压和电流来确定

第三类是全控型器件

控制信号既可以控制其导通

又可以控制其关断

又称自关断器件

这是一些常用的器件

它的符号以及它的实际的特性

以及它的的理想特性

如二极管、晶闸管、场效应晶体管

电力MOSFET以及门集可关断晶闸管

绝缘栅双极晶体管

MOS控制晶闸管

首先看看不控型器件

它因为代表的是二极管

二极管的话

它的PN结的电荷量随外加电压而变化

呈现出电容的效应

称为结电容

又称为微分电容

包括了势垒电容和扩散电容

正向偏置时

当正向电压较低时

势垒电容为主

正向电压较高时

扩散电容为主

下面我们介绍不控型器件的模型

二级管的话

在开通过程中

它的正向压降出现了一个过冲

UFP 经过一段时间后趋于接近

稳态压降的某个值

在它的关断的过程中

功率二极管

呈现出显著的反向恢复的暂态过程

这个图给出了一个

近似的二极管的反向恢复特性

对于二极管的分析模型

我们可以采用一个通态的电阻

与一个电容的串联

在这个电容再并联一个二极管

这是耗尽层的等值电容的计算公式

以及扩散电容的等值计算公式

另外

对于二极管的话

也可以给出它的详细的仿真模型

如图所示

这里Vb为恒定的正向电压

对于半控型器件

一般都工作在开关状态

状态发生转换时表现出动态的特性

也就是开关特性

它是决定电力电子器件

暂态特性的关键的因素

需要由信息电子电路来进行控制

这个图给出了半控型器件的开断过程

和关断过程

在上升区有一个延迟

它的延迟时间td是门极电流阶跃时刻开始

到阳极电流上升到稳态值的10%的时间

它的上升时间tr是阳极电流

从10%上升到稳态值的90%所需要的时间

普通晶闸管的延迟时间

大概为0.5到1.5微秒

上升时间为0.5到3微秒

另外

在它的关断过程中

也有一个反向断阻断恢复的时间

反向阻断恢复时间是正向电流降为零

到反向恢复电流衰减到接近于零的一个时间

同时它还有一个正向阻断恢复时间

它是晶闸管要恢复到其

正向电压的阻断能力所需要的时间

好

对于半控型器件的话

我们一般简单的可以用这样一个

电阻的模型来描述

它是在通态电阻和关断电阻之间转换

根据它的开断情况来决定

这个图给出了PSCAD/EMTDC的模型

它包括了它的关断和通态电阻

同时还考虑它的缓冲电路电阻和电容

右边这个图是Matlab中的一个模型

对于晶闸管的话

我们也可以根据它的一个宏模型

在这个图中

二极管DON表征晶闸管的正向导通特性

当管压降超过它的特定的临界值时

晶闸管导通

分别用二极管Dbf和Dbr

表征正向电压触发导通特性

和反向击穿特性

电阻Rak代表了晶闸管的断态电阻

二极管DG表征门极正向触发特性

零电压源VGD用于检测门极电流

这个图给出的是晶闸管的抑制电路

和缓冲电路

当我们有了抑制电路和缓冲电路时

可以看出它的暂态过程明显是有了变化

对于全控型器件来说

一般常用的是IGBT

IGBT的话是一个三端器件

包括了栅极G、集电极C和发射极E

它在结构上是有一个由MOSFET驱动的

厚基区PNP的一个晶体管

RN为晶体管基区内调制电阻

驱动原理与电力MOSFET设备的基本相同

属于场控器件

它的通断由栅射极电压UGE来决定

这个图给出IGBT的结构

简化等效电路和电气图形

当它的UGE大于开极电压UGE(th)

MOSFET内形成了一个沟道

为晶体管提供了基极电流

IGBT导通

电导调制效应使电阻RN减小

同时也使通态压降减小

栅射极间施加反向或不加信号时

MOSFET内的沟道消失

晶体管的基极电流被切断

IGBT被关断

IGBT暂态特性可分为正向的阻断区

有源区和饱和区

这个图给出的的是

IGBT的转移特性和输出特性

这个图给出的是IGBT的开关过程

在这里UCE的下降过程分为tfv1

和tfv2两段

tfv1为IGBT中

MOSFET单独工作时的电压下降过程

tfv2为MOSFET和PNP晶体管

同时工作的电压下降的过程

另外

电流下降时间又可分为

tfi1和tfi2两段

tfi1为IGBT内部的

MOSFET的关断过程

iC下降较快

tfi2为IGBT内部的

PNP晶体管的关断过程

iC下降较慢

这是一个IGBT的阻抗

在开通和关断的测试结果

右边给出的一个是3kV460A

IGBT开通过程中的电压及电阻

与电流的一个关系

然后我们会通过拟合

会得到IGBT动态电阻的表达式

对于IGTB的电路模型

常用暂态仿真建模方法为功能模型法

只考虑器件在开通关断时的外部特性

不考虑内部的物理过程

在开通过程中控制阳极电压

按照一定的规律

由开通前的断态电压

降为通态电压

电流由实验回路缓冲电路等支路决定

在关断过程中

控制通过电流按照一定规律

由关断前的通态电流降为断态泄漏电流

电压由实验回路

缓冲电路等支路决定

这个图给出的是IGBT的开通和关断的模型

在开通过程中的电压可以由这个公式来计算

在开通状态时的电压由这个公式计算

另外

这里给出了关断过程中的电流的表达式

以及关断状态下的电流的表达式

对于大型暂态变换器的暂态分析模型来说

我们可以看出±800kV的双极换流站中

每级由两个12脉动换流器串联组成

每个12脉动换流器结构

与±500kV换流站相似

这个图给出了一个工频周期内阀组件电压

和电流的一个波形

他开通时电压和电流的瞬态波形

可以从这个图来看到

从这个图可以看出

开通时电压和电流瞬态的波形

以及关断时电压和电流瞬态波形

换流阀的等值电路模型

一般假设换流阀中同类元件参数相同

电压和电流在每个单元中均匀分布

这是它的一个换流阀等值电路模型

这个图中RS和CS

为阻容缓冲吸收电路参数

nv为晶阀管总个数

NVD为阀电抗总个数

nk为每个组件中均压电容总个数

Lvd为阳极饱和电抗器

Ck为均压电容

这样的话我们可以得到缓冲吸收电路在内的

所有晶闸管阻抗的总和ZTA

以及组件的阻抗Z

对于换流阀来说

我们还要考虑它的一些杂散电容

阀间的杂散电容

以及阀对地的杂散电容

可以构成一个阀臂的等值电路

同时直流引线套管

和换流变引线套管的杂散电容

也应该在模型中来得到了考虑

电力电子设备和其他设备不同

它的控制系统是参与它的整个暂态过程的

它的控制系统接收来自电网络的信号

作为输入

经控制函数处理后产生输出信号

用作电压和电流源的控制依据

同时提供开关的控制信号

和电力电子装置的触发信号

它的控制模块需要转换为离散的形式

以便于计算机的数值计算

因此控制模块本身

需要不同的方程来进行表示

另外

控制方程可以与主电路一起

放在一个庞大的线性方程组中同时求解

但计算量会非常大

因此电磁暂态程序

一般将控制方程单独求解

虽然这会引入算法的时步延迟

但能显著提高计算的效率

EMTP程序包中提供了

用来对高压直流换流器进行建模的

控制系统分析TACS程序

任何不能直接用基本电网络元件

描述的现像和设备

均可用这个程序来进行建模

用TACS建模的控制系统、装置和现象

与电网络要分别求解

电网络求解的输出量将作为同一时步中

TACS的输入信号

TACS的输出量将作为

下一时步电网络求解的输入信号

这是一个一阶时延控制系统的等值电路

它的系统的传递函数是Y比U是等于

G除以1+sτ

它的反馈环节f是等于G分之一

正向环节g等于G除以sτ

τ是时间的延迟

根据梯形积分

我们可以这样构造一个差分方程

写出这个yk的一个表达式

如果对这两个两个方程分别进行求解

那么ek就必须利用前一个y值来进行处理

这样就会在y的数据路径上

引入一个时步的时延

如果由于每个控制块的差分方程

求解而造成反馈环节的时延

即造成一个时步的时延

那么可以用如下的公式来进行表示

我们可以使用z变换

对控制系统模型的不稳定性分析

求解可以得到它的极点

当z是小于等于一的单位圆内的系统时

才具有稳定性

不考虑数据路径的时延

它的暂态过程

可以用这样一些方式来进行描述

同样

我们可以进行稳定性的分析

它的极点在△t除以2τ大于0时

都具有它的z是小于1的特性

实际上

该模型在所有情况下都具有稳定性

另外

我们可以采用根匹配方法

来建立控制系统的暂态模型

还用根匹配技术可以得到如下一系列的方程

另外可以将它转化为时域差分方程

实际上

该模型在所有情况下都具有稳定性

我们可以来看一看

考虑控制系统电磁暂态的过程

首先从t-△t时刻开始

求解电网络方程

这个求解过程中

不与TACS发生直接的联系

但存在间接的联系

决策过程中要用到t-△t

到t时步定义的电压和电流

当网络求解完之后

求得的电压和电流信号将在t-△t

到t这个时部用于TACS求解

在这个求解过程中

唯一的时间延迟

是由控制模块求解方程产生的

以上就是关于电力电子的

一个暂态建模的介绍

谢谢各位同学