中国电力

2019, 52(9): 0-0.

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不同结构压接型IGBT器件压力分布对比

李安琦, 邓二平, 任斌, 赵雨山, 赵志斌, 黄永章

2019, 52(9): 11-19,29. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201906024

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柔性直流输电技术的不断发展对应用在柔性直流输电系统中的绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件提出了更多的要求。压接型IGBT器件因符合柔性直流输电系统等领域高电压、大电流以及高功率密度的发展需求而得到重视，易于串联的特性使其非常适用于高压应用领域。目前以WESTCODE、TOSHIBA公司为代表的凸台式封装结构和以ABB公司为代表的弹簧式封装结构的2种压接型IGBT器件已成功应用到柔性直流输电工程中。基于有限元法建立了2种压接型IGBT器件的仿真模型，分别针对器件2种不同工况（正常加压未工作和正常工作状态）对比分析了其内部的压力分布。仿真结果表明，2种结构的压接型IGBT器件在正常加压状态下压力分布均比较均匀，由于弹簧结构的存在使得弹簧式压接型IGBT器件在正常工作状态下压力分布更为均匀。最后基于仿真分析，对压接型IGBT器件的结构优化提出了可能的解决方案。

压接型IGBT均流设计

刘国友, 窦泽春, 罗海辉, 覃荣震, 王彦刚

2019, 52(9): 20-29. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201907122

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针对压接型绝缘栅双极晶体管（IGBT）内部均流设计，对多芯片压接结构及其压力均衡、压接型IGBT芯片内部均流、子单元间均流等方面进行了研究和优化设计。试验验证了压接型IGBT具有良好的电流关断能力、短路电流能力及反偏安全工作区，器件内部均流状态较好。

计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模与分析

李辉, 王晓, 姚然, 龙海洋, 李金元, 李尧圣

2019, 52(9): 30-37. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201907077

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大功率压接型IGBT器件更适合柔性直流输电装备应用工况，必然对压接型绝缘栅极晶体管（IGBT）器件可靠性评估提出要求。提出计及内部材料疲劳的压接型IGBT器件可靠性建模方法，首先，建立单芯片压接型IGBT器件电-热-机械多物理场仿真模型，通过实验验证IGBT仿真模型的有效性；其次，考虑器件内部各层材料的疲劳寿命，建立单芯片压接型IGBT器件可靠性模型，分析了单芯片器件各层材料薄弱点；最后针对多芯片压接型IGBT器件实际结构，建立多芯片压接型IGBT器件多物理场仿真模型，分析器件应力分布，并对各芯片及多芯片器件故障率进行计算。结果表明，压接型IGBT器件内部的温度、von Mises 应力分布不均，最大值分别位于IGBT芯片和发射极钼层接触的轮廓线边缘；多芯片器件内应力分布不均会导致各芯片可靠性有所差异，边角位置处芯片表面应力最大，可靠性最低。

焊接型电力电子器件失效机理及量化评估方法

罗毅飞, 王磊, 黄永乐, 刘宾礼

2019, 52(9): 38-47. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201907059

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电力电子器件作为现代大功率电能变换装置的核心部件，随着功率等级提升，对其可靠性要求也越来越高，尤其是针对装置的功率体积密度有较高要求的应用场合，仍然缺乏有效的失效量化评估方法，传统的粗犷式设计已经无法满足要求。因此，为了提高装置的功率体积密度和可靠性，需要对器件的工作机理和可靠性边界进行准确表征。针对焊接型电力电子器件，首先从器件的失效机理入手，总结归纳了目前焊接型电力电子器件失效研究现状；然后从器件失效的内部和外部因素两方面分析了电力电子器件的失效机理；最后，从过压失效、过流失效以及疲劳失效三方面，提出了器件的失效量化评估方法，尤其是基于器件物理模型的评估方法，并以二极管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）为例进行了验证。为实现电力电子器件的尽限应用提供了支撑。

高压大功率器件用高温栅偏测试装置研制

邓二平, 孟鹤立, 王延浩, 吴宇轩, 赵志斌, 黄永章

2019, 52(9): 48-53,72. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201907093

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为准确评估硅IGBT和碳化硅MOSFET等高压大功率器件不同电应力及热应力条件下的栅极可靠性，研制了实时测量皮安级栅极漏电流的高温栅偏（high temperature gate bias，HTGB）测试装置。此外，该测试装置具备阈值电压在线监测功能，可以更好地监测被测器件的状态以进行可靠性评估和失效分析。为初步验证测试装置的各项功能和可靠性，运用该测试装置对商用IGBT器件在相同温度应力不同电应力条件下进行分组测试。初步测试结果表明老化初期漏电流逐渐降低，最终漏电流大小与电压应力有良好的正相关性，栅偏电压越大，漏电流越大。该测试装置实现了碳化硅MOSFET器件和硅IGBT器件对高温栅偏的测试需求且适用于各种类型的封装。

汽车级IGBT模块功率循环及温度循环寿命对比与分析

张瑾, 仇志杰, 王磊, 宁圃奇

2019, 52(9): 54-60. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201907058

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随着电动汽车领域越来越多地使用绝缘栅极晶体管（IGBT）模块，在这些关乎乘员安全的场合，通常要求IGBT模块具有更高的可靠性。选取了典型的汽车级和工业级IGBT模块产品，分别进行了功率循环和温度循环试验，对比了2种模块的可靠性差异，结果表明，汽车级模块产品的功率循环寿命较工业级产品差，但是温度循环寿命明显优于工业级产品。

IGBT模块失效机理及状态监测研究综述

王希平, 丁祥宽, 姚芳, 唐圣学, 李志刚

2019, 52(9): 61-72. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201907034

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随着电力电子系统性能要求的不断提高，绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）模块不仅要拥有高功率密度，还要具有良好的热-机械性能，以提高其可靠性。首先介绍了IGBT模块的主要失效模式，对封装中键合线和焊料层失效机理进行了详细阐述，重点介绍了IGBT模块健康状态监测，分别对结温、键合线与焊料层健康状态监测及其量化评估研究进展进行了详细分析。最后，对降低热-机械应力以提高整机可靠性设计和运行工况下在线监测研究的发展前景进行了展望。

高聚物复合绝缘子紫外老化性能研究

申巍, 高华, 张鹏, 左坤, 田毅, 杨文博, 袁正康

2019, 52(9): 73-78,85. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201809100

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传统高温硫化（HTV）硅橡胶复合绝缘子以其优异的憎水性和憎水迁移性，广泛应用于国内外输电线路上。但随着特高压工程的开展，越来越多的输电线路需要跨越强紫外辐射、强风沙以及鸟啄频发地区，而在这类气候恶劣地区极易造成传统HTV硅橡胶绝缘子外绝缘性能的下降以及材料的损伤。针对这一情况，采用耐紫外线、耐气候性能强，机械性能稳定的高聚物复合绝缘子与传统HTV硅橡胶绝缘子在紫外老化性能方面进行对比，旨在研究高聚物复合绝缘子在西北高原强紫外辐射地区的老化特性。研究结果表明：在短波紫外光（UVC）持续照射下，环氧材料的拉伸强度和硬度均远高于硅橡胶，具有更好的韧性，已达到防鸟啄和耐踩踏的目的，但憎水性相比较于硅橡胶材料仍略有不及，但仍满足户外运行要求。

发电机机端电压互感器匝间短路引起的过励磁保护动作分析

汪兴

2019, 52(9): 79-85. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201808041

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针对发电机机端电压互感器（TV）一次绕组匝间短路过程产生的电流引起熔丝缓慢熔化的情况，推导了TV一次绕组匝间短路和熔丝熔断过程TV二次绕组电压计算公式，得出故障后二次绕组电压降低的结论。在此基础上分析了ABB Unitrol F型励磁调节器内TV断线逻辑存在的缺陷，同时研究了熔丝缓慢熔化引起该类型励磁调节器强励和过激磁保护的机理，并结合一起现场事故案例对理论进行验证。最后，通过搭建Matlab/Simulink仿真对理论进行验证，仿真结果证明了理论的正确性。

均压电极垢层电沉积模型分析与应用

程一杰, 贺婷婷, 宋小宁, 冯礼奎, 于志勇, 高兵, 杨帆, 杨旗

2019, 52(9): 86-92. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201805086

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换流阀是高压直流输电系统中的核心设备，阀冷系统用于阀体组件的散热，而阀冷系统散热器腐蚀和均压电极结垢将导致换流阀运行故障，因此研究阀冷系统的腐蚀和结垢特性，对保障换流站安全可靠运行尤其重要。基于散热器腐蚀和垢层的沉积机理，应用有限元方法，建立了考虑电极表面沉积反应、物质传递过程的均压电极垢层沉积模型，所建模型能够模拟垢层生长过程、分析电极表面附近电场以及腐蚀离子浓度分布。基于该模型分析了电极表面垢层的沉积行为特性、电极表面的垢层分布，讨论了不同电压等级对垢层厚度的影响，得到垢层主要分布在高电位电极、电极尖端垢层量远大于电极平行位置以及电压等级升高，垢层厚度明显增大的仿真结果。结合实际换流站阀冷系统的运行数据和电极结垢形貌，验证了垢层沉积模型的有效性。

采用Fisher线性判别法提取GIS内部局部放电信号最优能量特征

田宇, 罗沙, 李宾宾, 孙文

2019, 52(9): 93-101. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201806108

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采用二元树复小波变换（DT-CWT）对特高频局部放电（PD）信号进行多尺度分解，求解了复小波最优分解层数，提取了最优分解尺度下的特高频 PD信号实部和虚部高频层小波能量，并采用Fisher线性判别方法对能量特征进行选择，最后进行PD类型辨识。识别结果表明：优选后的实部和虚部高频层小波能量特征可以有效识别4种典型绝缘缺陷，识别率均达到了92.5%及以上，且最优复小波能量（OCWEF）特征在PD类型辨识中具有更优的敏感性和识别效果。

基于轨迹灵敏度的同步发电机参数辨识

张伟骏, 陈文龙, 黄霆, 苏清梅, 林芳, 林济铿

2019, 52(9): 102-109. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201803161

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为提高同步发电机暂态及次暂态参数辨识精度，提出了一种基于轨迹灵敏度的同步发电机参数辨识方法。首先确定了基于轨迹灵敏度的辨识数据区间选取方法，将量测的发电机参数的轨迹灵敏度作为指标，根据该指标的衰减程度，选取暂态及次暂态参数信息含量较大的量测数据作为辨识数据，以提高相应参数的辨识精度；其次采用抗差优化模型作为机组参数辨识优化模型，以提高参数辨识模型的抗干扰能力。算例验证了所提方法的有效性。

超/特高压架空输电线路短路接地线烧伤分析

秦威南, 方玉群, 潜力群, 梁加凯, 蒋卫东

2019, 52(9): 110-117. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201811090

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通过EMTP仿真计算，分析了淮南—皖南—浙北—上海1 000 kV交流同塔双回线路单回停电时的感应电压和感应电流，结合接地线服役情况，发现停电线路上的感应电压过大，以及接地线挂设过程中存在的反复拉弧放电是造成接地线烧伤的主要原因。利用模拟试验，在计算得到的最大感应电压下，对搭接接地线过程中的电弧进行试验研究，得到电弧能量对导线及工器具影响的临界值，通过引入消弧技术有效地解决了烧伤问题，为输电线路检修人员的作业安全提供了保障。

直驱风电机组与弱电网交互作用稳定分析

万玉良, 朱玲, 项颂, 刘福锁, 陈璐, 王佳佳

2019, 52(9): 118-125. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201805058

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网侧变流器作为新能源发电单元与电网的接口，对电网系统的安全稳定运行有着重要影响。以直驱型风电机组网侧变流器为研究对象，采用小扰动数学建模方法，建立了包含锁相环和电压前馈环节的网侧变流器及其控制的数学模型，推导了其dq轴系下动态阻抗解析表达式，发现其阻抗在次同步频带呈负电阻（负实部）特性，与弱交流电网连接存在次同步频带不稳定现象。基于上述现象分析了影响稳定的关键控制参数及其特性，结果表明，增强网架强度、优化锁相环控制参数、增大电压前馈滤波频率可在一定程度上降低系统次同步振荡的风险，最后采用电磁暂态仿真验证了上述分析。

美国电力市场最新特点及对中国的启示

田伟, 施航, 曹阳, 雍太有

2019, 52(9): 126-133. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201811020

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20世纪90年代以来，美国电力市场经过不断完善、发展，逐渐发展成运营稳定、交易活跃的电力市场。总结梳理了美国电力市场化改革在市场结构、市场规则、市场运行、市场监管、电网电源规划等相关方面的最新特点，分析了美国电力市场化改革中在电网运行安全、电网运行技术和电力公司运营3方面面临的挑战，并且针对中国电力市场建设提出了4方面的建议。

基于产业结构优化的城市节能分类

霍沫霖, 曲尧

2019, 52(9): 134-139. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201809103

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省级政府将节能指标分解到各城市，各市因地制宜制定节能政策，以及节能企业开拓节能市场时均需考虑各城市节能的差异化。各城市节能的差异主要受城市产业结构转型升级阶段的影响。基于相关文献和国家规划，提出将全国城市分为核心城市、次中心城市、中小城市、旅游特色型城市及农业特色型城市5类，并提出每类城市具有差异化的产业结构转型升级特征的理论假说。利用281个地级市实际数据进行实证分析，结果表明这五类城市的产业结构变化存在显著差异。建议在将节能指标分解到各城市，在开展节能城市对标以及企业开展节能市场营销工作时，应注意5类城市的产业结构、经济发展阶段的差异性。

中长期交易机制下售电公司购电策略优化

贾晨, 杜欣慧

2019, 52(9): 140-147. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201805069

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随着电力体制改革的不断推进，售电公司作为新的市场主体，准确把握市场机遇，明确市场交易策略尤为重要。为此，立足于中长期电力交易机制，全面考虑多样化市场交易品种，引入合同转让交易和偏差电量考核作为市场化电力电量平衡机制，建立售电公司购电策略优化模型，以售电公司收益最大化为目标，采用混合自适应细菌觅食优化的改进粒子群算法（ABFO-PSO）进行模型求解，最后通过算例分析，验证所建模型和方法的有效性；该研究可为售电公司参与市场竞争提供参考。

基于高光谱图像和卷积神经网络的燃煤热值估计算法

杨明花, 张克涵

2019, 52(9): 148-153. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201905023

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火力发电是中国主要的发电方式，煤质优劣直接决定着发电厂的安全生产、经济效益，而收到基低位发热量是煤质优劣的关键指标之一。针对目前煤炭发热量测量程序复杂、不易实时监测等问题，基于高光谱图像和卷积神经网络，提出一种方便、快速的热值估计算法。通过高光谱数据采集系统对煤样进行光谱成像，经过高斯低通滤波以及主成分分析，消除采集噪声以及光谱通道之间的数据冗余性；然后采用邻域均值化数据采集方法获得平滑的训练数据与测试数据，搭建7层的卷积神经网络；通过实验验证了所提方法的有效性，结果显示该方法具有较高的预测精度。

汽轮机阀门关闭试验中的噪声分析和信号处理

梅益铭, 顾伟飞, 祝相云, 朱宝

2019, 52(9): 154-160. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201903020

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在进行汽轮机汽阀关闭试验时，可能会发生阀位信号受噪声污染的现象，从而无法计算准确的关闭时间，严重影响汽轮机安全评估的可靠性。针对某电厂汽阀关闭试验中被污染的信号，采用快速傅立叶变换（fast Fourie transform，FFT）对信号的构成进行了分析，采用波形比较的方法对单一正弦分量污染下的关闭时间进行了计算；采用无限脉冲响应（infinite impulse response，ⅡR）数字滤波法对多频率正弦噪声分量影响下的信号进行了滤波，比较了不同滤波器的滤波效果并对滤波后的关闭时间进行了计算。结果表明，波形比较法可用于单一分量污染下的关闭时间计算，巴特沃斯（Butterworth）滤波器和切比雪夫（Chebyshev）Ⅰ型滤波器可用于多频率正弦噪声分量影响下的信号滤波，基于巴特沃斯滤波的汽阀关闭时间计算结果略优于切比雪夫Ⅰ型。

无磷阻垢剂WS330海水循环冷却阻垢试验研究

唐伟峰, 张佳琦, 李飞

2019, 52(9): 161-166,178. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201812001

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某沿海燃煤电厂采用“烟塔合一”技术，循环冷却水为海水。为确保循环水系统安全、可靠、经济运行，开展了循环水阻垢剂的静态试验与动态模拟试验。选用无磷阻垢剂WS330作为循环水处理阻垢剂，通过静态试验确定阻垢剂剂量，之后在动态模拟装置上进行了多项指标的模拟试验。结果表明：WS330阻垢剂质量浓度维持在8 mg/L、浓缩倍率≤2.5 时，系统运行良好；钛金属换热器的腐蚀速率为2.5×10^–5 mm/年，平均黏附速率为0.33 mg/（cm²·月），污垢热阻值为1.4×10^-5 m²·K/W，均远低于各项指标的上限要求。考虑到现场实际应用中的水质及工况波动，运行时的循环水浓缩倍率建议控制在1.5~2.0。分析认为，“烟塔合一”工程对海水作为循环水浓缩倍率的试验结果影响较小。

江苏省火电超低排放对环境空气中PM_2.5质量浓度影响模拟研究

赵秀勇, 朱法华, 王圣, 孙雪丽, 徐静馨

2019, 52(9): 167-172. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201904062

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为研究火电行业的超低排放对环境空气中PM_2.5下降的贡献，以江苏省火电行业实施超低排放为研究对象，通过建立中尺度气象模型MM5与环境空气质量模型CALPUFF的耦合模型系统，分别模拟计算了超低排放实施前后2013年和2017年火电大气污染物排放对全省环境空气中PM_2.5质量浓度的影响及其下降情况。结果表明，全省火电厂对13个地级市贡献的PM_2.5年均质量浓度从2013年的8.0 μg/m³下降至2017年的4.6 μg/m³，平均下降幅度为42.5%。环境空气质量现状监测结果表明，2017年江苏省13个地级市PM_2.5年均质量浓度较2013年下降了24.1 μg/m³，下降幅度为32.9%，明显低于火电行业贡献的PM_2.5年均浓度下降幅度，相差9.6%，表明这5年间江苏省火电行业通过实施超低排放实现的污染物减排力度总体上超过其他行业的污染物减排力度。最后，提出江苏省未来污染物的治理思路。

基于超声波衰减谱的石膏浆液粒度测量方法

薛明华, 夏多兵, 胡子健, 田昌, 苏明旭

2019, 52(9): 173-178. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201903033

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为控制脱硫副产品石膏生成粒度，提高脱硫石膏的品质，有必要对石膏浆液的密度、浓度及粒度进行快速准确测量，为此设计了一种基于超声波衰减谱的非浸入式脱硫石膏浆液粒度测量方法（简称超声波法），并用该法对不同电厂6种石膏浆液进行对比测量。在ECAH理论模型的基础上，通过对超声脉冲时域信号进行快速傅立叶变换（FFT）获得超声波衰减谱，基于MATLAB语言编写不同的反演程序，分别用最优正则化算法（ORT）和投影算法（Projection）以及非独立的遗传算法（GA）计算得到石膏浆液粒度分布，并与常规测试方法进行比对分析，其中正则化算法所得偏差值在20%以内，证明了该算法的可靠性。所设计的脱硫石膏浆液粒度测试超声波法，可为后续开展脱硫石膏浆液粒度分布在线测量仪的研制提供借鉴。

SCR脱硝低负荷投运烟气调温旁路改造设计

雷嗣远, 李海浩, 李乐田, 倪贵东, 孔凡海, 吴国勋, 卞子君

2019, 52(9): 179-184. DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201903067

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燃煤电厂低负荷运行时SCR脱硝装置入口烟温常达不到要求，某些电厂采用旁路提温方法予以解决，却出现调温旁路提温效果欠佳和烟温偏差较大的问题。以A电厂某 330 MW 机组为例，在现场勘察基础上采用数值模拟方法，找出问题所在：（1）旁路烟道结构不合理，未考虑原烟道结构缺陷；（2）旁路烟道未设置导流元件；（3）旁路接入位置不合理；（4）旁路接入烟道深度不足。在总结脱硝调温旁路烟道设计和运行要点基础上，采用数值模拟手段对B电厂某 330 MW 机组类似改造进行了优化设计，并开展现场试验，对烟气提温效果进行评估。结果表明：B电厂烟气旁路提温改造效果显著且烟温偏差较小。

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