本发明专利技术涉及一种基于电荷控制理论的晶闸管宽频电磁暂态过程的计算方法，属于电力系统电磁暂态计算领域。本发明专利技术提出的基于电荷控制理论的晶闸管宽频电磁暂态过程的计算方法，包括构造晶闸管的反馈传递函数、开通过程计算、关断过程计算和温度特性修正四个步骤。本发明专利技术考虑了电压、电流和温度等状态参量对开通和关断特性的影响，可以采用电路元件和控制函数对晶闸管的暂态过程进行计算，方便的在电路分析平台中实现，计算效率高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属于电力系统电磁暂态计算
技术介绍
直流输电系统运行状况直接影响整个电网的安全性和稳定性。直流系统电磁环境恶劣，传播途径复杂，耦合性强，敏感设备众多，电磁干扰问题尤为突出。换流站换流阀工作时的频繁开断过程伴随晶闸管两端电压和晶闸管内电流的快速突变，这类电磁暂态过程将经在换流电路和附近空间产生电磁骚扰。换流站一次系统晶闸管开关过程和暂态过程产生的电磁骚扰，均可能影响二次系统的正常工作，而导致系统直流输电系统故障。 晶闸管是直流系统的关键元件，也是直流系统的主要电磁骚扰源。晶闸管的开通和关断特性是电磁骚扰分析的关键考虑因素，也是分析直流系统电磁骚扰特性和电磁暂态的基础。另一方面，晶闸管是联系交直流系统的关键部分，在电磁骚扰和暂态传播过程中，晶闸管对其特性会产生非常显著的影响。 晶闸管是p-n-p-n结构半导体元件，由两层p型半导体和两层n型半导体材料交替组成，常见的晶闸管为p门极晶闸管，通过p2区进行触发，结构如图1(a)所示。 已有的晶闸管的电磁暂态分析方法中有一种为宏模型方法，该方法用宏观电路的方法对晶闸管特性进行描述的方法，以通用的电路仿真软件所能接受的元器件构成的子电路来模拟器件特性，适用于时域电路仿真。J.Xu和J.Yu1988年在Electronics Letters杂志24卷7期，437～438页发表了题为Equivalent Circuit Models of Switches for SPICESimulation的论文，提出一种基于理想开关的晶闸管分析方法，在此基础上，学者先后对宏模型方法进行了改进，增加了晶闸管的二级效应，考虑了过电压、临界dv/dt、导通关断、关断时间、门极触发维持电压、非线性及开态特性，形成了一种考虑二次效应的非理想晶闸管暂态分析方法。但该方法对反向恢复特性的建模过于简单，不够准确。 为了准确分析晶闸管开通和关断暂态特性，应准确考虑电压、电流、温度等状态参量对开通和关断特性的影响。需要借鉴半导体器件中的理论，将微观过程和宏观特性准确结合，以达到在准确、高效完成电磁暂态计算的目标。 Moll提出的电压控制理论，在晶闸管静态特性分析中精度高，得到了长期广泛应用，后人在此基础上开展了大量工作，使电压控制模型更加精确。之后，电流控制理论的提出在解决暂态过程中体现出了很强的优势。但由于本质上晶闸管的特性决定于载流子的运动特性，基于电荷方程的模型更能准确分析晶闸管暂态过程。R.Beaufoy和J.J.Sparks提出电荷控制理论，作为开关三极管分析的数学-物理分析模型，其理论基础是电流连续性方程。R.Davies进一步提出了用于分析p-n-p-n结构的电荷控制模型，在晶闸管暂态和问题分析中准确度非常高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种，克服现有方法计算准确性差的问题。该方法在给定外部电路条件的情况下，设定晶闸管的器件参数和触发条件后，该方法即可完成对开通、关断暂态过程的计算，得到晶闸管中电流和电压的暂态过程。 本专利技术提出的，包括以下各步骤 (1)将晶闸管表达为相互连接的pnp型和npn型晶体管，连接方式为将p1-n1-p2-n2结构晶闸管的n1和p2两个区域等效分解成相互连接的两部分，使得p1-n1-p2和n1-p2-n2分别构成pnp型晶体管T1和npn型晶体管T2，则两个晶体管的传递函数分别为 IC和IB分别是晶体管的集电极电流和基极电流， 分别是晶体管集电极电流和基极电流的s域相函数，τB是晶体管的基极时间常数，β是晶体管的共射极电流增益，上述晶体管传递函数H1和H2组成一个含有反馈环节H(s)的传递环， 该传递环的极点为下述方程(4)的根 晶闸管和晶体管的电流量之间存在如式(5)和(6)所示的关系 其中 为晶闸管的触发电流s域相函数， 为晶闸管阳极电流的s域相函数； (2)根据步骤(1)的表达方式，分析晶闸管的开通暂态过程 设晶闸管的门极电流为阶跃函数为 IG(t)＝IG0u(t)(7) 根据上述晶闸管的表达方法，联立方程(3)-(6)求解，得到阳极电流表达式 其中， 设上式中β2＝RT2，τB2＝CT2β2＝tgt，β1＝RT1，τB1＝CT1β1，CT1＝Cj，其中tgt为触发延迟时间，RT2为晶闸管器件参数，则电容Cj为 其中，C0为晶闸管pn结零偏时的电容值，V为晶闸管阴阳极之间的外加电压，m的取值由晶闸管的pn结结构确定，线性缓变结m＝3，阶跃结m＝2，Vbi为pn结的固有电压，由下式(10)获得 其中，NA和ND分别为pn结两侧区域掺杂浓度，ni为本征半导体载流子浓度，k为波尔兹曼常数，q为电子电量，T为绝对温度； 当pn结正偏且电压大于固有电压1/2时，对上述电容Cj进行修正，修正公式为 其中可变电阻RT1具有如下形式 其中， (3)根据步骤(1)的表达方式，分析晶闸管的关断暂态过程 设t＝0时，晶闸管的阳极电流在反向电压作用下从通态电流I0按下式所示线性下降 I(t)＝I0-ktu(t)(13) 其中，k为晶闸管的阳极电流变化率的绝对值|di/dt|，由反向电压和换相电感决定，即u(t)为阶跃函数； 根据上式(13)得到晶闸管反向恢复电流波形为 其中IRM为最大反向电流； 经过时间tf＝τln(IRM/Ih)后，闸管进入关断状态，其中Ih为维持电流； (4)计算温度对晶闸管暂态过程的影响 晶闸管的半导体区少数载流子寿命τ与载流子所在区域温度的关系为 晶闸管工作温度下公式(8)中的参数CT2用公式(16)进行修正； 其中，CT20为CT2在常温Tnom时的值； 晶闸管工作温度与晶闸管产生的功耗间关系如下 其中，CP为循环水的比热容，M0为与晶闸管直接接触的管道水容量，Pcond为冷却水流动产生的热传导效应，Pcap为水的储热，Q为与晶体管接触的管道水流量，晶闸管的功耗由下式计算 Pth＝VTIT(18) 其中，VT为晶闸管电压降，IT为晶闸管阳极电流。 本专利技术提出的，与原有晶闸管暂态计算方法相比，具有以下优点 1、本方法考虑了电压、电流等状态参量对晶闸管开通和关断特性的影响，计算结果在不同电路和工况下均有很高精确度。 2、本方法充分考虑了温度对晶闸管特性的影响，在此基础上建立瞬态过程、消耗功率、温升的关系，因而计算得到的晶闸管阻抗瞬变过程是由器件特性、电压、电流和温度等参量共同决定的，与实际物理过程吻合较好，准确的反映不同运行状态和外电路设置条件下晶闸管的暂态特性的差异。 3、本专利技术方法的理论基础是描述半导体器件载流子运动特性的电荷控制理论，是一种基于器件实际物理过程的等值计算方法，本方法可以采用电路元件和控制函数对晶闸管的暂态过程进行计算，方便的在电路分析平台中实现，计算效率高。 附图说明 图1为晶闸管的结构图和等值电路图。 图2为本专利技术的晶闸管传递函数框图。 图3为晶闸管关断过程示意图。 具体实施例方式 本专利技术的工作原理将晶闸管的宏观瞬态特本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于电荷控制理论的晶闸管宽频电磁暂态过程的计算方法，其特征在于该方法包括以下各步骤： （１）将晶闸管表达为相互连接的ｐｎｐ型和ｎｐｎ型晶体管，连接方式为将ｐ１－ｎ１－ｐ２－ｎ２结构晶闸管的ｎ↓［１］和ｐ↓［２］两个区域等效分解成相 互连接的两部分，使得ｐ↓［１］－ｎ↓［１］－ｐ↓［２］和ｎ↓［１］－ｐ↓［２］－ｎ↓［２］分别构成ｐｎｐ型晶体管Ｔ↓［１］和ｎｐｎ型晶体管Ｔ↓［２］，则两个晶体管的传递函数分别为： ＊＊＊ Ｉ↓［Ｃ］和Ｉ↓［Ｂ］分别是晶体管的集 电极电流和基极电流，＊↓［Ｃ］、＊↓［Ｂ］分别是晶体管集电极电流和基极电流的ｓ域相函数，τ↓［Ｂ］是晶体管的基极时间常数，β是晶体管的共射极电流增益，上述晶体管传递函数Ｈ↓［１］和Ｈ↓［２］组成一个含有反馈环节Ｈ（ｓ）的传递环， Ｈ（ ｓ）＝Ｈ↓［１］（ｓ）Ｈ↓［２］（ｓ）＝β↓［１］β↓［２］／（１＋ｓτ↓［Ｂ１］）（１＋ｓτ↓［Ｂ２］） （３） 该传递环的极点为下述方程（４）的根： Ｈ（ｓ）＝β↓［１］β↓［２］／（１＋ｓτ↓［Ｂ１］）（１＋ｓτ↓［Ｂ２ ］）＝１，＊＊＊ （４） 晶闸管和晶体管的电流量之间存在如式（５）和（６）所示的关系： ＊＊＊ 其中＊↓［Ｇ］为晶闸管的触发电流ｓ域相函数，＊↓［Ａ］为晶闸管阳极电流的ｓ域相函数； （２）根据步骤（１）的表达方式， 分析晶闸管的开通暂态过程： 设晶闸管的门极电流为阶跃函数为： Ｉ↓［Ｇ］（ｔ）＝Ｉ↓［Ｇ０］ｕ（ｔ） （７） 根据上述晶闸管的表达方法，联立方程（３）－（６）求解，得到阳极电流表达式： Ｉ↓［Ａ］＝（Ｋ↓［１］ｅ↑ ［ｓ↓［１］ｔ］＋Ｋ↓［２］ｅ↑［ｓ↓［２］ｔ］＋Ｋ↓［０］）Ｉ↓［Ｇ］ （８） 其中，Ｋ↓［１］＝β↓［２］／τ↓［Ｂ１］τ↓［Ｂ２］（ｓ↓［１］＋ｓ↓［２］）（（β↓［１］＋１）／ｓ↓［１］＋τ↓［Ｂ１］），Ｋ↓［２］＝－β↓［ ２］／τ↓［Ｂ１］τ↓［Ｂ２］（ｓ↓［１］＋ｓ↓［２］）（（β↓［１］＋１）／ｓ↓［２］＋τ↓［Ｂ２］），Ｋ↓［０］＝β↓［２］（１＋β↓［１］）／１－β↓［１］β↓［２］ 设上式中β↓［２］＝Ｒ↓［Ｔ２］，τ↓［Ｂ２］＝Ｃ↓［Ｔ２］ β↓［２］＝ｔ↓［ｇｔ］，β↓［１］＝Ｒ↓［Ｔ１］，τ↓［Ｂ１］＝Ｃ↓［Ｔ１］β↓［１］，Ｃ↓［Ｔ１］＝Ｃ↓［ｊ］，其中ｔ↓［...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：余占清，刘映尚，曾嵘，黎小林，何金良，黄莹，
申请(专利权)人：南方电网技术研究中心，清华大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。