本文是一篇电力论文 ，电力的产生方式主要有：火力发电（煤等可燃烧物）、太阳能发电、大容量风力发电技术、核能发电、氢能发电、水利发电等。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇电力论文 ，供大家参考。
第 1 章 绪 论
1.1 课题背景及意义
随着化石能源日益短缺、环境日渐恶化，可再生能源发电受到广泛关注。如何高效的利用这些相对间歇式的能源成为一个世界性的难题。柔性直流输电具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等诸多优点，目前正受到广泛关注。与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。柔性直流输电是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》的重点领域，也是“十三五”电力规划的重要组成部分。此外，柔性直流输电还是构成能源互联网的基础物理层，其应用包括新型直流输电直流网络、直流断路器等[1]。美国已投运 3 项柔性直流输电工程，2025 年前规划 40 余项。欧洲已投运 7 项柔性直流输电工程，2025 年前规划 50 余项。中国于 2011 年投运了亚洲首条柔性直流输电工程—上海南汇风电柔直工程，2013 投运了南澳岛三端柔直工程（±160kV/200MW），2014 年投运了当时世界电压等级最高、端数最多的浙江舟山五端柔直工程（±200kV/1000MW），2015 年投运了采用双极接线的厦门柔直工程（±320kV/1000MW），2016 年投运了首个大容量柔直与常规直流组合的鲁西背靠背直流异步联网工程（±350kV/1000MW）。“十三五”期间，国家正在大力规划建设更高电压等级（±500kV，±800kV）的柔性直流输电工程[2-4]。无论是柔性直流输电系统还是直流电网系统，换流阀都是其关键部位。目前受到最广泛关注的换流阀拓扑是模块化多电平换流器（Modular MultilevelConverter, MMC）。相对于 2、3 电平换流器 MMC 具有如下优点：能够实现多电平输出、降低谐波和器件开关频率等[5-6]。换流阀作为柔性直流输电系统的核心，其各方面的特性受到广泛研究和关注，包括换流阀阀体结构与绝缘特性配合、换流阀核心元件和损耗特性测试、换流阀散热系统与控制系统等。MMC 子模块是换流阀内部最主要也是最核心的元件，目前实际工程中多用半桥 MMC 子模块，通过多个子模块串联组成阀段，多个阀段级联进而构成换流阀。换流阀整体的仿真计算和损耗测量都离不开对 MMC 子模块的测试与分析。换流阀在整流、逆变、故障等工况下其子模块的瞬态特性均有不同，对于子模块的瞬态特性分析是进行准确系统分析的基础。
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1.2 国内外研究现状
目前柔性直流输电最广泛运用的拓扑是模块化多电平换流器（ModularMultilevel Converter, MMC），其核心元件为 MMC 子模块。尽管 MMC 子模块有着半桥、全桥等多种结构，但实际工程用 MMC 子模块多为半桥子模块，主要由两个高压 IGBT 模块，直流连接电容和旁路部分组成。国内外对于 MMC子模块的测试与建模工作较少，对于 IGBT 模块的测试和建模较多。MMC 子模块的瞬态特性测试可以借鉴 IGBT 模块的测试方法，其宽频模型和参数提取也可参照 IGBT 模块的建模思路和参数提取方法。
1.2.1 测试平台
高压 IGBT 模块作为 MMC 子模块的核心部分，国内外对其动态特性测试作出了许多研究。浙江大学何湘宁团队从 2006 年至 2015 年搭建了高压大功率IGBT 模块的动态特性测试平台，并进行了离线测试、在线测试、损耗测试等工作，目前测试平台电压等级可达 5000V，并且自动化程度较高[7-9]。清华大学赵争鸣团队从 2003 至 2015 年搭建了大功率 IGBT 和 IGCT 的准在线测试平台，对于高压 IGBT 的暂态机理模型进行了分析，同时也研究了模块损耗[10-12]。华北电力大学从 2010 年至 2015 年搭建了功率半导体器件静态特性测试平台和动态特性测试平台，静态测试平台可对 SiC MOSFET，IGBT 等多种功率半导体器件进行测量，动态特性测试平台可对焊接式压接式 IGBT 模块进行测量。此外，北京交通大学、北京工业大学、合肥工业大学等均搭建了 IGBT 模块的离线测试平台或在线测试平台[13-16]。
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第 2 章 MMC 子模块瞬态特性试验平台
目前柔性直流输电工程中已投入使用的 MMC 子模块结构图如图 2-1(a)所示，主要构成部分为直流连接电容器，两个高压 IGBT 模块，低感母排，高速旁路开关，驱动控制系统及取能系统。其电路示意图如图 2-1(b)所示，可以看到基于焊接式 IGBT 的旁路部分包括了旁路晶闸管和高速旁路开关，常并联于下管 IGBT 模块两侧。柔性直流输电工程中已经投入使用的 IGBT 模块电压等级主要有 1700V 和3300V，在 IGBT 模块开通关断瞬间，由于其内部的杂散电感和回路杂散电感的存在，使得开关过程在 IGBT 模块中存在较高的电压、电流过冲，有时甚至达到正常值的两三倍，因此为保证器件不损坏，通常器件只能工作在电压、电流额定值的一半。为具有工程代表性，本文选择了英飞凌公司的 FZ1500R33HL3型 IGBT 模块，模块的额定电压为 3300V，额定电流为 1500A。在实际测试中，为保证 IGBT 模块能够承受电压过冲，电压最高测试到 1500V 左右。
2.1 试验原理
在国际电工委员会标准 IEC60747-9:2007 中，提供了图 2-2 所示的 IGBT 动态特性测试方案，其通过直流电源 VCC用于 IGBT 导通时的电流回路，在器件关断时负载电感经反并联二极管续流。在器件导通时，门极信号采用正电压源VGG1经 R1触发；关断时，门极信号采用负电压源 VGG2经 R2保持器件的关断。但是，由于 IGBT 开通关断过程非常迅速，通常在微秒级别，快速开关给门极控制信号处的单刀双掷开关提出了很高要求，机械式开关并不能保证门极信号在开通和关断之间迅速而又可靠的切换。开关切换的时延会给器件的开通关断过程带来影响和重叠，使得器件并不能按指令开通关断。本文根据国际电工委员会标准 IEC60747-9:2007 中 IGBT 动态特性测试方案，结合 MMC 子模块的具体结构，搭建的动态特性测试平台如图 2-4 所示。直流电容组作为直流母线，两个 IGBT 模块串联一起，上管 IGBT 采用负压源触发，使其始终处于截止状态，下管 IGBT 采用脉冲信号触发，即为待测 IGBT（DUT， Device Under Testing）。在下管导通时，电容经负载电感 L 形成回路，待测 IGBT 中流过的电流上升；在下管关断时，可获得待测 IGBT 的关断时的电压电流波形，再次导通时，即可获得待测 IGBT 开通时的电压电流波形。本文采用直流电容组作为直流母线而非直接连接直流电源的好处在于，这样可以根据待测器件的电压等级和待测电压，人为设计和选型直流电容组，既保证了测试的精准性，又保证了测试回路的可扩展性。图 2-3 给出了双脉冲测试各阶段的电压电流波形。
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2.2 试验平台构建
2.2.1 测试回路和主设备
MMC 子模块瞬态特性试验平台主要由以下各部分构成，首先是针对直流电容的充电回路，由三相交流电源，三相有载调压器和三相整流桥构成，用于给直流电容 Cdc充电，直流电容两端的电压就是 IGBT 模块双脉冲测试过程中的母线电压。其次，直流电容两端还并有放电回路，当开关闭合，直流电容可以通过放电电阻进行放电。试验平台的主体部分是两个高压 IGBT 模块和续流电抗器。针对测试需要的不同，我们可以选择上管/下管作为被测对象 DUT，剩余管子闭锁，其二极管充当续流作用。图中所示的是经典设置，上管 IGBT并联负载电感并且闭锁，下管 IGBT 给予双脉冲信号，测量下管 IGBT 的 Uce和 Ic。测试完成后，闭合放电回路隔离开关，电容组存储的能量可以通过泄放电阻进行放电。同时需将续流电抗器接地保证电抗器内部残余能量释放。试验平台可以通过调节有载调压器来调节母线电压，可以通过调节驱动波形脉冲时间来调节续流电感中电流，在驱动波形确定情况下，还可以调节多抽头电抗器的引出抽头来调节电感值，从而调节续流电感电流大小。
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第 3 章 MMC 子模块宽频建模及参数提取......17
3.1 高压大功率电力电子器件模型 .....17
3.1.1 高压大功率 IGBT 器件模型 ..............17
3.1.2 快速续流二极管模型..............19
3.1.3 晶闸管模型........21
3.2 MMC 子模块器件模型参数提取..............21
3.3 MMC 子模块试验回路杂散电感参数提取.........34
3.4 本章小结........40
第 4 章 MMC 子模块瞬态特性试验及仿真分析.........41
4.1 不含旁路晶闸管的子模块瞬态特性........41
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4.2 含旁路晶闸管的子模块瞬态特性............45
4.3 旁路晶闸管对子模块影响分析.....46
4.3.1 影响机理分析....46
4.3.2 对子模块损耗影响........48
4.4 本章小结........50
第 5 章 结论与展望 ...........53
5.1 结论.....53
5.2 展望.....53
第 4 章 MMC 子模块瞬态特性试验及仿真分析
通过对 MMC 子模块进行宽频建模和参数提取，得到了 MMC 子模块宽频电路等效模型。进而可以通过该模型对子模块的瞬态过程进行分析。本章对MMC 子模块的瞬态特性进行了测试，通过不同子模块多种工况下的仿真验证了宽频模型和参数提取的准确性。同时针对 MMC 子模块特有的旁路部分进行了测试和分析，分析了晶闸管对于子模块瞬态特性的影响。
4.1 不含旁路晶闸管的子模块瞬态特性
首先针对使用英飞凌 FZ1500R33HL3（3300V/1500A）型 IGBT 的子模块进行测试。搭建了如图 3-24 的仿真回路，回路中主要器件的参数设置如节 3.2 所述，回路杂散电感的设置如节 3.3 所述。图 4-1 是直流母线为 700V 时的测试与仿真电压波形对比图。其中测试的驱动波形如图2-10，仿真驱动波形设置为30us开通/30us 关断/20us 开通，上升下降沿均为 10ns。可以看到，UCE的测试与仿真曲线拟合的相当好，通过 UCE电压探头间杂散电感的设置，电压的负过冲也能得到反映。第二次开通相较第一次开通负过冲的幅值大，第二次的关断相较第一次的关断正过冲也偏大，与实测相符。图 4-2 是直流母线为 700V 时的测试与仿真电流波形对比图。IC的测试与仿真曲线拟合较好，续流二极管的反向恢复电流引起了电流尖峰，尤其在第二次的开通时刻尤为明显。拖尾电流处略微偏大，可调节参数以获得更好效果。
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结论
本文主要研究了 MMC 子模块的瞬态特性，为后续分析子模块的损耗特性提供了基础。工程中实际运用的半桥 MMC 子模块的主要器件是两个高压 IGBT模块。IGBT 模块在开关过程中的特性会显著影响功率模块的开关损耗。本章首先搭建了 MMC 子模块的瞬态特性测试平台，针对有无旁路进闸管时的 MMC子模块回路进行了动态特性测试，得到了不同工况下的动态特性曲线。然后针对模块内部的各种元器件，分别搭建了详细的模型。包括高压 IGBT 器件的解析模型，快速续流二极管的行为模型和旁路晶闸管的截止状态模型。同时针对测试回路整体和各部分的杂散电感进行了参数提取。最后，通过对两种不同电压功率等级的 IGBT 模块的试验和仿真验证了参数提取的正确性，并且针对有无旁路晶闸管时的瞬态特性进行了试验仿真，从机理上解释了晶闸管如何影响开关过程，以及晶闸管对于 IGBT 开关损耗的影响。本文主要结论如下：
（1）搭建了 MMC 子模块瞬态特性试验平台，该平台最高可加压至 3500V直流电压，最高可测 2300V 峰值电压和 2000A 瞬态峰值电流。可以独立控制母线电压，电感充电时间和续流电感值，以测量不同电压电流组合的瞬态工况。
（2）搭建了 MMC 子模块宽频等效模型并进行参数提取。该模型功率半导体器件部分采用了高压 FS-IGBT 解析模型，快速续流二极管模型和晶闸管截止状态宽频非线性模型。
（3）提出了利用开关过程中电压正负过冲提取回路各部分杂散电感的方法，并通过独立组和对照组加以验证。通过对回路各部分杂散电感的测量分析，可以对子模块回路进行优化。
（4）搭建了 MMC 子模块整体的仿真回路进行模块瞬态特性的仿真，验证了子模块宽频模型和参数提取的准确性。对子模块瞬态特性进行分析，研究了旁路晶闸管对于开关瞬态和损耗特性的影响。
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参考文献（略）
