基于IGBT复合模型的直流断路器瞬态特性研究

李博伟, 郝全睿,尹晓东  

(山东大学电气工程学院,山东省 济南市 250061)

摘要

随着高压直流输电和直流电网技术的发展,研究可靠性高、经济性好的直流断路器变得越来越迫切。然而在目前关于直流断路器拓扑的研究中,采用的大都是IGBT理想开关模型,忽略了开关过程中IGBT的瞬态电气特性,从而无法得到足够精确的结果。首先介绍了基于二极管桥式子模块级联的混合式直流断路器的分断过程,然后对其分断期间的瞬态电气特性进行了理论分析,之后对比IGBT的两种模型并建立了精确的IGBT复合模型,最后在Simulink上搭建直流断路器故障分断仿真平台,并分别采用基于IGBT复合模型与理想模型的直流断路器进行仿真。仿真结果表明,IGBT复合模型能反映出器件微秒级开断特性,与理想模型相比,对直流断路器分断瞬态电气特性的仿真结果更加精确。采用IGBT复合模型有助于深入研究直流断路器瞬态电气特性。

关键词 : 直流断路器;级联桥式拓扑;瞬态电气特性;IGBT复合模型

基金项目: 国家重点研发计划(2017YFB0902400)。

0 引言

随着高压直流输电及直流电网技术的发展,相关的直流设备也得到越来越多的关注。其中,直流断路器作为关系到直流电网安全稳定运行的关键设备,近年来逐渐成为业界的研究热点 [1] 

直流电网故障电流上升较快,然而直流故障电流没有自然过零点,因此如何开断故障电流是直流断路器设计的难点。各国学者提出了一系列不同结构的直流断路器拓扑 [2-11] 

文献[6]详细分析了自然换流型断路器的换流过程与电气特性,其优点是减小正常导通时的功率损耗,缺点是不够快速、灵活。

文献[7]在主支路中加入了负荷换流开关,实现了机械开关快速、可控、无弧开断,其转移支路利用IGBT直接串联方案,在高电压应用场景所需器件数目多、成本高,且对均压技术要求很高。

文献[8]提出了子模块(SM)的概念以代替IGBT直接串联,并分析了全桥子模块级联的情况,有利于实现IGBT间的动态均压,但IGBT数目是文献[7]的两倍,未能较好地解决成本问题。相比之下,SM的第二种结构—二极管桥式结构,将每个子模块中的IGBT数量由4个降为1个,总数量仅为文献[7]的一半。

文献[9]和文献[10]通过改变拓扑结构,将转移支路接地,从而使双向开断共用一套转移支路,在仍采用IGBT直接串联的同时,节省了转移支路中的反向串联IGBT,同样使总成本减少了一半。文献[11]针对换流站多条出线的应用情况,将转移支路并联到换流站旁边并接地,实现了多条出线共用一套转移支路,使成本大大降低。

然而,在现有直流断路器拓扑研究中,往往采用理想的IGBT开关模型,忽略了开关过程中IGBT的瞬态电气特性,从而使得在对直流断路器半导体器件的详细研究中得到的结果不够精确。

本文以一种基于二极管桥式子模块级联的混合式直流断路器拓扑结构为研究对象,首先介绍了其开断原理和动作时序,并对直流断路器开断全过程的瞬态电气特性进行理论分析,然后分析了IGBT的两种模型,分别搭建了基于IGBT复合模型和理想模型的直流断路器仿真电路,通过对比仿真结果,证明了IGBT复合模型有助于更加精确地反映直流断路器分断瞬态电气特性。

1 桥式直流断路器拓扑结构

根据分断原理的不同,现有的直流断路器方案主要分为机械式、固态式、混合式3种方案,其中在高压大容量场合,基于人工过零的混合式方案(又称“零电流型”)与基于支路换流的混合式方案(又称“零电压型”) [12] 最具应用潜力。

为了进行之后的理论与仿真分析,本文以国网联研院提出的桥式子模块级联型混合式直流断路器方案 [8] 作为研究对象,其中桥式子模块选用经济性更好的二极管桥式方案 [2] ,整体结构如图1所示。

所选方案属于零电压型混合式直流断路器(HDCCB),其一般包含有主支路、转移支路和耗能支路。其中,主支路由快速机械开关(FMS)和辅助换流子模块(ASM)串联构成,为正常运行时的通流支路。转移支路由大量子模块(SM)级联构成,是实现断路器故障关断能力的核心部分。耗能支路由避雷器(MOV)组成,用于吸收直流系统中感性元件储存的能量和抑制分断过电压。

混合式直流断路器分断故障电流的过程可以用“三条支路两次换流”来概括。为了更清晰地说明此过程,结合具体的时间标志分析断路器的分断过程。其时序图如图2所示。

图1 二极管桥式子模块级联型混合式直流断路器 
Fig.1 Hybrid DC circuit breaker based on cascaded diode-bridged submodule

图2 直流断路器分断故障电流时序图 
Fig.2 The sequence of DCCB in fault current breaking

断路器故障分断的具体动作过程叙述如下:

t=t 时,系统发生接地故障,电流快速上升。

~t 为故障检测时间,其具体包括保护检测时间、保护动作时间、动作指令传达时间。

t=t 时,主支路上的ASM接收到动作信号进行闭锁,同时刻转移支路上的所有SM闭合。

~t 为第一次换流时间,电流从ASM内的IGBT向缓冲电容转移,待电容充电完毕后向SM内的IGBT转移,换流路线为IGBT—电容—IGBT;此过程时间通常在数十到数百微秒级别 [13] 

t=t 时,第一次换流完毕,主支路电流降为0,向主支路的FMS发送闭锁信号。

~t 为FMS绝缘恢复时间,FMS作为动态开关,其触头有一定行程,所以打开需要一定的时间,此时间一般定为2 ms [11] 

t=t 时,FMS彻底断开,向SM内IGBT发送闭锁信号,开始第二次换流。该动作是混合式直流断路器实现电流关断的核心动作。

~t 为第二次换流时间,电流首先从SM内的IGBT向电容转移,待电容充电完毕后向耗能支路的MOV转移,换流路线为IGBT—电容—MOV;此过程时间通常在数十到数百微秒级别 [13] 

t=t 时,第二次换流完毕,转移支路电流降为0,电流全部转移到耗能支路。

~t 为电流泄放时间,泄放时间一般较长,不归入电流关断时间。

t=t 时,MOV上的电流泄放完毕,直流断路器承受系统级电压,整个关断过程进行完毕。

全过程电压、电流波形示意图如图3所示。

2 瞬态电气特性理论分析

断路器分断暂态主要涉及两类时间维度的发展过程:一种是毫秒级的分断全过程,另一种是包含在全过程中微秒级的换流过程 [13] 。为了对比不同IGBT模型对于断路器故障分断时瞬态电气特性的影响,需对断路器毫秒级分断全过程进行深入的理论分析。

将直流换流阀等效为电压为E的理想直流源,直流电网中的平波电抗与杂散电感等效为电感L,将负载侧等效为电阻R ,将单极接地故障等效为接地故障电阻R ,形成包含断路器的故障电流回路,如图4所示,此单端电源回路可以作为模拟故障发生及直流断路器动作的等效研究平台。

直流断路器分断过程分为正常运行阶段、故障发生后、第一次换流后和第二次换流后4个阶段,4个阶段的系统示意图及等效电路图分别如图5和图6所示。

直流断路器的两次换流时间都在数十到数百微秒级别,换流时间的长短主要跟缓冲电容、缓冲电阻、系统电感有关。由于本章理论的分析是为了研究IGBT模型对于电气特性的影响,其结果通过毫秒级特性即可观察,因此忽略缓冲电路带来的微秒级换流过程。

1)正常运行阶段(t<t )。

式中,R 为电力电子器件通态电阻(忽略机械开关电阻),由于电流基本保持恒定,所以R 为固定值。

2)故障发生后(t ≤t<t )。

式中,R Σ1 =R //R +r D1 (t),τ =L/R Σ1 ,r D1 (t)为ASM中电力电子器件的导通电阻,由于此过程通过IGBT及二极管的电流是逐渐上升的,由IGBT伏安特性可知其等效电阻随电流变化而变化,因此r D1 (t)在暂态过程中是时变值。

图3 混合式直流断路器分断过程电压、电流波形示意图 
Fig.3 Waveforms of voltage and current in interruption process of HDCCB

图4 混合式直流断路器分断过程等效研究平台 
Fig.4 Equivalent study platform on interruption process of HDCCB

3)第一次换流后(t ≤t<t )。

式中,R Σ2 =R //R +r D2 (t),τ =L/R Σ2 ,I(t )为式(2)电流在t=t 时刻的值,r D2 (t)为SM中电力电子器件的导通电阻,同r D1 (t)一样,r D2 (t)为时变值。

4)第二次换流后(t ≤t<t )。

式中,R Σ3 =R //R +r MOV (t),τ =L/R Σ3 ,I(t )为式(3)电流在t=t 时刻的值,r MOV (t)为避雷器MOV的电阻值,可根据其伏安特性曲线求得电阻情况。

通过以上4个阶段的分析可知,r D1 (t)、r D2 (t)在直流断路器开断暂态过程中不是恒定的,而且其取值直接影响支路电流,进而影响断路器两端电压。所以不同IGBT模型对于导通电阻的表示将直接影响断路器分断瞬态电气特性。

图5 混合式直流断路器分断过程示意图 
Fig.5 Interruption process of DCCB

3 IGBT复合模型

IGBT作为一种开关器件,最常用的模型是理想开关模型。理想开关模型将IGBT器件分为通态和断态两种情况,分别用导通电阻和关断电阻来代替。导通电阻一般取器件导通情况下的压降与额定运行电流的比值;关断电阻一般取器件关断时的集射电压与集电极漏电流的比值。

基于器件的数据手册,能够轻松地根据参数计算得到导通、关断电阻。因此IGBT理想模型具有简单方便的特点,适用于不考虑器件暂态特性的场合。

相比于理想模型,基于PSpice的IGBT复合模型能够有效反映器件微秒级的通断暂态过程。

图6 混合式直流断路器分断过程等效电路 
Fig.6 Equivalent circuit of interruption process of HDCCB

IGBT复合模型等效电路如图7所示。模型中的C ge 、C cg 、C ce 分别为IGBT栅极—发射极、集电极—栅极、集电极—发射极电容。

模型中,MOSFET模型采用PSpice中标准的NMOS3模型,BJT模型采用PSpice中标准的NPN模型。IGBT的开通特性主要由MOSFET决定,关断特性主要由PNP晶体管决定。

选取ABB公司生产的5SNA 3000K 452300型压接式IGBT作为研究对象。基于器件的数据手册,采用灵敏度分析法 [14] ,根据器件各种特性曲线得到模型参数值,如表1所示。其仿真测试波形如图8所示。仿真值与手册理论值的对比如表2所示。鉴于建模时其他参数直接采取了默认值,所以模型仿真结果与理论值存在一定差异,但误差在可允许范围内,所以建立的IGBT复合模型基本可以模拟IGBT实际器件的暂稳态特性。

图7 IGBT复合模型等效电路 
Fig.7 Equivalent circuit of IGBT composite model

4 仿真验证

在Simulink中分别建立了基于IGBT复合模型与理想模型的仿真电路,拓扑结构如图4所示,其中直流断路器采用图1所示结构,IGBT所选型号与第3章一致,复合模型参数见表1,理想模型参数根据Datasheet数据得到。仿真系统的各项参数如表3所示。

直流断路器三条支路的电流波形、两次换流的具体波形、直流断路器两端电压波形分别如图9、图10、图11所示。

由图可见,两种IGBT模型下的仿真结果比较相似,断路器的电压、电流波形大致相同,仅在数值上存在些许差异。而在换流过程中,复合模型由于能够体现暂态动作过程,因而波形与理想模型下的情况存在较大差异。

IGBT的外界应力在直流开断过程中是不断变化的,因而不同模型对于其导通电阻的表示将直接影响断路器瞬态电气特性的仿真精确度,这从第2章的理论分析结果可以明显看出。IGBT理想模型的固定电阻表达方式显然无法反映IGBT随外界条件改变而变化的外特性,而复合模型采用更接近物理机理的建模方式,不仅可以反映出IGBT的暂态通断过程,而且对IGBT在不同应力条件下的外特性情况描述更加准确。图中的仿真结果差异可以明确说明这一点。

为了进一步对比两种模型在不同应力条件下的差异,分别选取主支路ASM和转移支路SM中的IGBT关断波形进行观察,其集射电压、集电极电流波形的对比情况如图12所示。

图8 IGBT复合模型的仿真测试波形图 
Fig.8 Test waveforms of IGBT composite model

由图可知,不同的开断电压下,模型间的差异是相同的:IGBT理想模型在开断时集射电压和集电极电流都是直接跃变,这是其采用电阻模型的结果;IGBT复合模型的电压、电流则连续变化,体现了器件的暂态开断过程。

表1 IGBT复合模型的参数 
Table 1 The parameters of IGBT composite model

表2 IGBT复合模型仿真结果与理论数据的对比 
Table 2 The comparison between simulation results of IGBT composite model and theoretical values

表3 仿真系统的参数 
Table 3 The parameters of the simulation system

图9 HDCCB支路电流波形图 
Fig.9 Waveforms of branch current of HDCCB

图10 HDCCB换流波形图 
Fig.10 Waveforms of commutation current of HDCCB

图11 HDCCB两端电压波形图 
Fig.11 Waveforms of voltage of HDCCB

5 结论

本文首先对二极管桥式子模块级联的混合式直流断路器分断过程瞬态电气特性进行了理论分析,然后在Simulink中搭建了分别基于IGBT复合模型和理想模型的故障仿真电路,将二者的瞬态电气特性仿真结果进行对比,得到以下结论:

图12 两种IGBT模型的波形对比 
Fig.12 Comparison of waveforms of two IGBT models

1)在研究直流断路器分断过程瞬态电气特性时,IGBT器件采用不同精度的模型将对直流断路器电压和支路电流的准确程度产生直接影响。

2)IGBT复合模型利用通用性较好的PNP和N-MOS的PSpice模型搭建而成,可以准确反映IGBT微秒级的通断暂态过程。

3)相比于IGBT理想开关模型,采用IGBT复合模型的直流断路器仿真结果更加精确全面,有助于进一步研究直流断路器分断瞬态电气特性。

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Study on Transient Electrical Characteristics of DC Circuit Breaker with IGBT Com posite Model  

LI Bowei, HAO Quanrui, YIN Xiaodong 
(School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong Province, China)

Abstract: with the development of HVDC and DC grid technology, it is becoming more and more urgent to study DC Circuit Breakers (DCCB) with the high reliability and economy.However, the simulation results are not accurate enough in the current studies on DCCB topologies which ignore the transient electrical characteristics of IGBT during the switching process due to the IGBT ideal switching models.This paper introduces the interruption process of hybrid DCCB based on cascaded diode-bridged submodule firstly, and makes a theoretical analysis about the transient electrical characteristics of the interruption process of DCCB.Two kinds of IGBT models are compared and an accurate IGBT composite model is built then.Finally, the fault breaking simulation platform of DCCB is built in Simulink and the simulation of DCCBs based on IGBT composite model and ideal model are carried out, respectively.It can be shown from the simulation results that the IGBT composite model can reflect the breaking characteristics of device in microsecond scale and get more accurate transient electrical characteristics than ideal model.The application of IGBT composite model is helpful to learn the transient electrical characteristics of DCCB deeply.

Keywords: DC circuit breaker; cascaded bridge topology; transient electrical characteristics; IGBT composite model

National Key Research and Development Program of China(2017YFB0902400).


李博伟

作者简介:

李博伟 (1996),男, 硕士研究生,主要研究方向为柔性直流输电、直流断路器,E-mail:lbw2013_yy@163.com。

郝全睿(1984),男,博士,副研究员,主要研究方向为HVDC&FACTS、交直流混合电网,E-mail:haoquanrui@sdu.edu.cn。

尹晓东 (1993),男,硕士研究生,主要研究方向为HVDC、电力电子变换器,E-mail:yxd1302@126.com。

(责任编辑 赵杨)


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