專利名稱：一種igbt直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種柔性輸電和電力電子的試驗(yàn)裝置，具體講涉及一種IGBT直接串聯(lián)閥的脈沖試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)逐步應(yīng)用柔性直流輸電(VSC-HVDC)技術(shù)、柔性交流輸電技術(shù)(FACTS)及定制電力(CP)技術(shù)，作為核心部件的大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)閥的可靠性成為影響電力系統(tǒng)安全的關(guān)鍵因素之一。由于大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)閥普遍應(yīng)用于高電壓、大電流的電氣環(huán)境中，在研發(fā)和工程的試驗(yàn)環(huán)境中很難構(gòu)建與實(shí)際運(yùn)行工況相同的電路進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)。因此，如何在研發(fā)和工程測(cè)試過(guò)程中構(gòu)建等效的試驗(yàn)裝置，進(jìn)行與實(shí)際運(yùn)行工況強(qiáng)度相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。IGBT直接串聯(lián)換流閥可廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電(VSC-HVDC )、柔性交流輸電(FACTS)及定制電力(CP)技術(shù)領(lǐng)域。通常，先由一個(gè)IGBT器件及其相應(yīng)的輔助電路組成換流閥層，再由多個(gè)閥層串聯(lián)成閥段，該閥段再經(jīng)串聯(lián)連成一個(gè)完整的閥，來(lái)作為換流器的一個(gè)橋臂。IGBT直接串聯(lián)技術(shù)的主要問(wèn)題是電壓不均衡引起的器件損壞，引起不均壓的原因諸多，如:驅(qū)動(dòng)信號(hào)的細(xì)微不一致、器件本身特性不一致等，此外，電氣回路的分布電容、雜散電感以及器件在運(yùn)行過(guò)程中的散熱不均都會(huì)引起IGBT串聯(lián)的電壓不均衡。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)IGBT直接串聯(lián)換流閥的運(yùn)行試驗(yàn)內(nèi)容包括:最大持續(xù)運(yùn)行負(fù)載試驗(yàn)、最大暫時(shí)過(guò)載運(yùn)行試驗(yàn)、最小直流電壓試驗(yàn)、IGBT過(guò)電流關(guān)斷試驗(yàn)和短路電流試驗(yàn)。在各種試驗(yàn)工況下考察換流閥對(duì)最大電流、電壓和溫度等關(guān)鍵應(yīng)力的耐受能力，以驗(yàn)證IGBT直接串聯(lián)換流閥的可靠性。運(yùn)行試驗(yàn)一般需要構(gòu)建全功率試驗(yàn)環(huán)境，但這種試驗(yàn)回路較復(fù)雜，對(duì)于試驗(yàn)電源容量、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等要求很高，尤其對(duì)于電壓等級(jí)較高的串聯(lián)閥，這些問(wèn)題更加突出。同時(shí)，在IGBT直接串聯(lián)換流閥研發(fā)初期，電路、電磁環(huán)境、熱、強(qiáng)弱電等問(wèn)題交織在一起，如果僅使用全功率試驗(yàn)環(huán)境，不利于將復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行分解和一一逐步解決。
發(fā)明內(nèi)容為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提出了一種針對(duì)IGBT直接串聯(lián)閥研發(fā)階段測(cè)試問(wèn)題的改進(jìn)方案；本實(shí)用新型提出的IGBT直接串聯(lián)換流閥脈沖試驗(yàn)電路，在不考慮熱設(shè)計(jì)的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IGBT模塊的電壓、電流電氣應(yīng)力的考核。與其它試驗(yàn)裝置比，本試驗(yàn)裝置的優(yōu)異效果是:電路簡(jiǎn)單、方法可靠、能夠快速驗(yàn)證試品閥、對(duì)試驗(yàn)電源和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求低。同時(shí)還非常適合換流閥研發(fā)初期的實(shí)際需要，在不考慮熱設(shè)計(jì)的情況下在閥臂上產(chǎn)生電壓、電流應(yīng)力，僅對(duì)閥臂的電氣性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)時(shí)僅需兩個(gè)閥臂，閥臂的制作和參數(shù)調(diào)整均十分方便。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了 一種試驗(yàn)裝置，所述電路為IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其改進(jìn)之處在于:所述電路包括試驗(yàn)回路和由交流斷路器、調(diào)壓器、隔離變壓器、不控整流柜、充電電阻和快速直流熔斷器I組成的充電回路；所述交流斷路器、調(diào)壓器、隔離變壓器和不控整流柜依次串聯(lián)，所述交流斷路器接入電源；所述充電回路的不控整流柜高壓輸出端和試驗(yàn)回路的脈沖電容器組高壓端連接；不控整流柜低壓輸出端依次串聯(lián)充電電阻和快速直流熔斷器I后接入所述脈沖電容器組的低壓端。進(jìn)一步的，所述試驗(yàn)回路包括放電回路、脈沖電容器組、IGBT直接串聯(lián)閥臂1、IGBT直接串聯(lián)閥臂I1、阻感負(fù)載和快速直流熔斷器II ;所述脈沖電容器組的高壓端與IGBT直接串聯(lián)閥臂I的陽(yáng)極端相串聯(lián)，所述脈沖電容器組的低壓端與快速直流熔斷器II串聯(lián)后與IGBT直接串聯(lián)閥臂II的陰極端和阻感負(fù)載的電阻端相串接，所述脈沖電容器組兩端并聯(lián)放電回路，所述阻感負(fù)載的電感端與IGBT直接串聯(lián)閥臂I的陰極端和IGBT直接串聯(lián)閥臂II的陽(yáng)極端相串接。進(jìn)一步的，控制保護(hù)主機(jī)與VBC串聯(lián)，所述VBC與IGBT直接串聯(lián)閥臂I中各IGBT的柵極分別串聯(lián)。進(jìn)一步的，所述IGBT直接串聯(lián)閥臂I和IGBT直接串聯(lián)閥臂II均為試品閥。進(jìn)一步的，所述IGBT直接串聯(lián)閥臂I包括若干個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊I，所述IGBT模塊I包括IGBT和反并聯(lián)二極管。進(jìn)一步的，所述IGBT直接串聯(lián)閥臂II包括若干個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊II，所述IGBT模塊II包括IGBT、反并聯(lián)二極管和15V電源，所述15V電源的正負(fù)極分別與IGBT的發(fā)射極和柵極相連。進(jìn)一步的，所述阻感負(fù)載包括一個(gè)電阻和一個(gè)與之串聯(lián)的電感。進(jìn)一步的，所述放電回路包括放電限流電阻和單相開關(guān)。進(jìn)一步的，所述調(diào)壓器為三相電動(dòng)調(diào)壓器，所述隔離變壓器為三相380V/10kV隔離變壓器，所述充電電阻為限流充電電阻，所述脈沖電容器為高密度脈沖電容器。與現(xiàn)有試驗(yàn)裝置相比，本實(shí)用新型達(dá)到的有益效果是:I)試驗(yàn)裝置的電路簡(jiǎn)單、方法可靠，搭建容易。2)試驗(yàn)裝置的基本思想是先利用較小的電源對(duì)儲(chǔ)能部件進(jìn)行充電，然后利用儲(chǔ)能部件為試驗(yàn)裝置提供一定電壓、電流水平的激勵(lì)，對(duì)試驗(yàn)電源容量要求低。3)試驗(yàn)裝置適合換流閥研發(fā)初期的實(shí)際需要，僅對(duì)閥臂的電氣性能進(jìn)行快速驗(yàn)證，試驗(yàn)時(shí)僅需兩個(gè)閥臂，閥臂的制作和參數(shù)調(diào)整均較為方便。4)試驗(yàn)裝置通過(guò)調(diào)節(jié)電路參數(shù)和驅(qū)動(dòng)控制波形即可得到實(shí)際所需的電壓、電流應(yīng)力，不僅調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)單、靈活，且具有較高的等效性。

圖1是本實(shí)用新型IOkV IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)平臺(tái)的電路原理圖；圖2是本實(shí)用新型IOkV IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)平臺(tái)的試品閥臂I中IGBT的電壓、電流波形圖；附圖標(biāo)記:1-電源；2_交流斷路器；3_三相電動(dòng)調(diào)壓器；4_三相380V/10kV隔離變壓器；5-不控整流柜；6-限流充電電阻；7_快速直流熔斷器I ;8_放電回路；9_高密度脈沖電容器組；10-快速直流熔斷器II ；I1-1GBT直接串聯(lián)閥臂I ;12-1GBT直接串聯(lián)閥臂II ;13_阻感負(fù)載R和L ；14-控制保護(hù)主機(jī)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明；1、試驗(yàn)裝置如圖1所示，圖1為IOkV IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)平臺(tái)的電路原理圖，分為充電回路和試驗(yàn)回路兩部分。(I)充電回路包括交流斷路器2、三相電動(dòng)調(diào)壓器3、三相380V/10kV隔離變壓器
4、14kV不控整流柜5、限流充電電阻6和快速直流熔斷器17。不控整流柜5低壓輸出端和限流充電電阻6的一端相連接，限流充電電阻6的另一端與快速直流熔斷器17的一端相連接，快速直流熔斷器17的另一端與試驗(yàn)回路中高密度脈沖電容器組9的低壓端相連接?？焖僦绷魅蹟嗥?7用于保護(hù)充電回路中半導(dǎo)體電子器件和相關(guān)的電氣設(shè)備。(2)試驗(yàn)回路包括放電回路8、高密度脈沖電容器組9、IGBT直接串聯(lián)閥臂111、IGBT直接串聯(lián)閥臂1112、阻感負(fù)載13、快速直流熔斷器1110。高密度脈沖電容器組9兩端并聯(lián)放電回路8，高密度脈沖電容器組9的低壓端與快速直流熔斷器IIlO的一端相連接，快速直流熔斷器IIlO的另一端與阻感負(fù)載13的一端及IGBT直接串聯(lián)閥臂1112的陰極端相連接，阻感負(fù)載13的另一端與IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill的陰極端及IGBT直接串聯(lián)閥臂1112的陽(yáng)極端相連接，IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill的陽(yáng)極端與高密度脈沖電容器組9的高壓端相連接?？焖僦绷魅蹟嗥鱅IlO用于保護(hù)試驗(yàn)回路中半導(dǎo)體電子器件和相關(guān)的電氣設(shè)備。IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill和IGBT直接串聯(lián)閥臂1112均為試品閥。其中IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill用于考察各串聯(lián)IGBT的動(dòng)、靜態(tài)均壓特性，IGBT直接串聯(lián)閥臂II12考察與IGBT反并聯(lián)的二極管及其反向恢復(fù)過(guò)程的影響。IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill包括若干個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊I，IGBT模塊I包括IGBT (vgel-vgeN, N為自然系數(shù))和反并聯(lián)二極管(vcel-vceN，N為自然系數(shù));IGBT直接串聯(lián)閥臂II12包括若干個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊II，IGBT模塊II包括IGBT (vgel-vgeN, N為自然系數(shù))、反并聯(lián)二極管(vcel_vceN, N為自然系數(shù))和15V電源，所述15V電源的正負(fù)極分別與IGBT的發(fā)射極E和柵極g相連。處于安全區(qū)域的控制保護(hù)主機(jī)14與VBC串聯(lián)，所述VBC與IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中IGBT的柵極g分別串聯(lián)。2、試驗(yàn)方法該試驗(yàn)裝置對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法包括如下步驟:(I)準(zhǔn)備階段:確定IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill和IGBT直接串聯(lián)閥臂1112的試驗(yàn)電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力要求，調(diào)整相應(yīng)的電路參數(shù)并確定驅(qū)動(dòng)控制波形；(2)準(zhǔn)備階段:確認(rèn)三相電動(dòng)調(diào)壓器3歸零，高密度脈沖電容器組9端電壓為零，IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill處于閉鎖關(guān)斷狀態(tài)，相關(guān)檢測(cè)儀器已正確連接；(3)對(duì)高密度脈沖電容器組9充電:閉合交流斷路器2，通過(guò)調(diào)節(jié)處于安全區(qū)域的控制臺(tái)，使三相電動(dòng)調(diào)壓器3輸出電壓緩慢上升，通過(guò)三相隔離變壓器對(duì)不控整流柜5供電，對(duì)高密度脈沖電容器組9充電，觀察高密度脈沖電容器組9端電壓上升至所需試驗(yàn)電壓時(shí)停止調(diào)節(jié)三相電動(dòng)調(diào)壓器3，然后將三相電動(dòng)調(diào)壓器3輸出電壓調(diào)至零，斷開交流斷路器2。(4)開始試驗(yàn):啟動(dòng)控制保護(hù)主機(jī)向VBC (閥基控制設(shè)備，用于控制IGBT)輸出控制信號(hào)，VBC向IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中所有的IGBT輸入步驟I中確定的驅(qū)動(dòng)控制波形；(5)通過(guò)使用相關(guān)檢測(cè)儀器觀察試驗(yàn)過(guò)程中IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中各IGBT及IGBT直接串聯(lián)閥臂1112中反并聯(lián)二極管的暫態(tài)電壓、電流波形，評(píng)估其動(dòng)、靜態(tài)均壓性能，考察IGBT串聯(lián)閥在穩(wěn)態(tài)、過(guò)電流關(guān)斷和短路工況下對(duì)電壓、電流應(yīng)力的耐受性；(6)結(jié)束試驗(yàn):先停止控制保護(hù)主機(jī)向VBC輸出控制信號(hào)，確定IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill處于閉鎖狀態(tài)，然后通過(guò)放電回路8將高密度脈沖電容器組9完全放電。IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)平臺(tái)旨在不考慮熱設(shè)計(jì)的情況下，在試品閥臂上施加電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力。調(diào)節(jié)充電回路得到試驗(yàn)所需的電壓，調(diào)節(jié)電路中負(fù)載的參數(shù)及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制波形得到所需的電流波形。試品閥臂I中IGBT在試驗(yàn)過(guò)程中的電壓、電流波形圖如圖2所示，圖2為本實(shí)用新型IOkV IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)平臺(tái)的試品閥臂I中IGBT的電壓、電流波形圖，圖中有三個(gè)IGBT波形重合。整個(gè)閥臂承受的電壓約為10kV，單個(gè)IGBT靜態(tài)均壓約700V，電流約380A。3、舉例說(shuō)明充電回路將高密度脈沖電容器組9充電至試驗(yàn)所需電壓后，將三相電動(dòng)調(diào)壓器3調(diào)零，高密度脈沖電容器組9為試驗(yàn)電路提供所需電壓、電流水平的激勵(lì)。IGBT直接串聯(lián)閥臂1112中所有IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)恒為-15V，所有IGBT均處于關(guān)斷狀態(tài)；IGBT直接串聯(lián)閥臂1112的反并聯(lián)二極管串聯(lián)作為感性負(fù)載的續(xù)流通道，在試驗(yàn)時(shí)通過(guò)位于安全區(qū)域的控制保護(hù)主機(jī)控制IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中的所有IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill的開通、關(guān)斷；使用不同的電路參數(shù)、驅(qū)動(dòng)控制波形和相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備，考察各IGBT直接串聯(lián)閥的驅(qū)動(dòng)電路工作的正確性，IGBT直接串聯(lián)閥臂Ill中各IGBT及IGBT直接串聯(lián)閥臂1112中反并聯(lián)二極管的暫態(tài)電壓、電流波形及IGBT直接串聯(lián)閥在穩(wěn)態(tài)、過(guò)電流關(guān)斷和短路工況下對(duì)電壓、電流應(yīng)力的耐受性，測(cè)試串聯(lián)閥的開關(guān)損耗并加以評(píng)估改進(jìn)。最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用于說(shuō)明本申請(qǐng)的技術(shù)方案而非對(duì)其保護(hù)范圍的限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀本申請(qǐng)后依然可對(duì)申請(qǐng)的具體實(shí)施方式
進(jìn)行種種變更、修改或者等同替換，這些變更、修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述裝置的電路包括試驗(yàn)回路和由交流斷路器、調(diào)壓器、隔離變壓器、不控整流柜、充電電阻和快速直流熔斷器I組成的充電回路； 所述交流斷路器、調(diào)壓器、隔離變壓器和不控整流柜依次串聯(lián)，所述交流斷路器接入電源；所述充電回路的不控整流柜高壓輸出端和試驗(yàn)回路的脈沖電容器組高壓端連接；不控整流柜低壓輸出端依次串聯(lián)充電電阻和快速直流熔斷器I后接入所述脈沖電容器組的低壓端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述試驗(yàn)回路包括放電回路、脈沖電容器組、IGBT直接串聯(lián)閥臂1、IGBT直接串聯(lián)閥臂I1、阻感負(fù)載和快速直流熔斷器II ;所述脈沖電容器組的高壓端與IGBT直接串聯(lián)閥臂I的陽(yáng)極端相串聯(lián)，所述脈沖電容器組的低壓端與快速直流熔斷器II串聯(lián)后與IGBT直接串聯(lián)閥臂II的陰極端和阻感負(fù)載的電阻端相串接，所述脈沖電容器組兩端并聯(lián)放電回路，所述阻感負(fù)載的電感端與IGBT直接串聯(lián)閥臂I的陰極端和IGBT直接串聯(lián)閥臂II的陽(yáng)極端相串接。
3.如權(quán)利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其特征在于:控制保護(hù)主機(jī)與VBC串聯(lián)，所述VBC與IGBT直接串聯(lián)閥臂I中各IGBT的柵極分別串聯(lián)。
4.如權(quán)利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述IGBT直接串聯(lián)閥臂I和IGBT直接串聯(lián)閥臂II均為試品閥。
5.如權(quán)利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述IGBT直接串聯(lián)閥臂I包括若干個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊I，所述IGBT模塊I包括IGBT和反并聯(lián)二極管。
6.如權(quán)利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述IGBT直接串聯(lián)閥臂II包括若干個(gè)串聯(lián)的IGBT模塊II，所述IGBT模塊II包括IGBT、反并聯(lián)二極管和15V電源，所述15V電源的正負(fù)極分別與IGBT的發(fā)射極和柵極相連。
7.如權(quán)利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述阻感負(fù)載包括一個(gè)電阻和一個(gè)與之串聯(lián)的電感。
8.如權(quán)利要求2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述放電回路包括放電限流電阻和單相開關(guān)。
9.如權(quán)利要求1或2所述的一種IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述調(diào)壓器為三相電動(dòng)調(diào)壓器，所述隔離變壓器為三相380V/10kV隔離變壓器，所述充電電阻為限流充電電阻，所述脈沖電容器為高密度脈沖電容器。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種試驗(yàn)裝置，所述電路為IGBT直接串聯(lián)閥脈沖試驗(yàn)裝置，該裝置包括試驗(yàn)回路和由交流斷路器、調(diào)壓器、隔離變壓器、不控整流柜、充電電阻和快速直流熔斷器組成的充電回路；試驗(yàn)回路包括放電回路、脈沖電容器組、IGBT直接串聯(lián)閥臂I、IGBT直接串聯(lián)閥臂II、阻感負(fù)載和快速直流熔斷器。和現(xiàn)有技術(shù)比，該裝置滿足換流閥研發(fā)初期的需要，在不考慮熱設(shè)計(jì)的情況下在閥臂上產(chǎn)生電壓、電流應(yīng)力，對(duì)閥臂的電氣性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)時(shí)僅需兩個(gè)閥臂，閥臂的制作和參數(shù)調(diào)整均較為方便。
文檔編號(hào)G01R31/327GK203164375SQ20132007799
公開日2013年8月28日 申請(qǐng)日期2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月20日
發(fā)明者陳永華, 侯凱, 李偉邦, 范鎮(zhèn)淇, 盧文兵, 董長(zhǎng)城, 武迪 申請(qǐng)人:國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國(guó)家電網(wǎng)公司