电流源型机电混合式直流断路器在特高压直流输电系统中的应用

传统机械式直流断路器通过在直流电流上迭加一个振幅逐渐增大的振荡电流来制造一个"人工电流零点",完成电路开断。这将导致该断路器在开断时会承受很大的正向电流,增大对断路器开关触头的损伤。针对传统直流断路器存在的这一缺点提出了一种新型电流源型机电混合式直流断路器,利用电力电子器件构造换流电路,控制产生大小和波形均可控的叠加电流,在产生过零点的同时减小电流的正向幅值,能有效减小高压直流断路器分闸时产生的电弧,减小对直流开关触头的损伤,延长其寿命。通过MATLAB/Simulink仿真验证了该断路器成功开断工况电流和故障电流,并大幅降低了正向电流。进一步以正在筹建的蒙西特高压直流工程为例,通过PSCAD/ETMDC仿真平台,模拟该断路器作为直流金属回路转换开关成功开断直流线路故障电流并保持系统电压稳定的过程。仿真结果验证了所提出的新型直流断路器能够快速有效地开断直流线路故障电流,可以作为单极闭锁的后备动作方案。     

一种含卸能电阻的直流断路器的参数设计及性能分析北大核心CSCD

为了防止柔性直流输电系统在双极短路故障下过大的短路电流损坏输电系统,且考虑到过大的短路电流也会损坏断路器的避雷器,文中提出了一种可开断故障电流且有效减小避雷器吸能的直流断路器。利用PSCAD搭建了含卸能电阻的直流断路器模型和三端±350 kV柔性直流输电系统模型。在双极短路故障下,通过仿真对比分析了此模型与理想直流断路器模型和不含卸能电阻的直流断路器模型的区别。文中发现,含卸能电阻的直流断路器与理想直流断路器相比更容易切断故障电流,与不含卸能电阻的直流断路器相比有效减小了避雷器吸能。并且,通过仿真分析了使用不同参数的直流断路器的系统直流侧电流、电压波形,从而优化含卸能电阻的直流断路器的参数。     

基于主动控制的换流器与直流断路器的协调控制

针对采用直流断路器隔离故障的直流电网,提出了双极短路故障下的直流断路器与换流器协调控制策略。首先经理论推导,建立了双极短路故障时的故障电流表达式,根据表达式中影响故障电流的关键因素,提出了换流器的主动控制策略以减小故障电流。在换流器主动控制策略的基础上,提出了直流断路器与换流器之间的协调控制策略,用以提升直流电网的稳定性。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了四端直流电网仿真模型,仿真结果表明所提出的换流器主动控制策略可以有效减小故障电流,直流断路器与换流器之间的协调控制策略可以在断路器动作后快速提升直流电压,进而提高直流电网的稳定性。     

柔性直流输电故障快速清除系统及其用直流断路器

目前的柔性直流输电系统无法实现直流侧短路故障的清除,导致故障时所有换流站长时间停运。为解决该问题,提高系统可靠性,通过对系统故障电流的产生机理及直流开断原理的研究,以及直流断路器转移回路参数对开断性能影响的仿真分析;提出了一种开断电流500 A的机械式直流断路器及使用该断路器快速清除故障的方法;并搭建低频振荡试验回路验证直流断路器的开断性能。试验结果显示:文中提出的直流断路器稳定开断500 A直流电流,并使用该断路器的故障清除方法能够有效地缩短系统恢复时间,提高了系统稳定性,保证了电能质量。     

适用于直流电网保护的高压直流断路器时序配合方法

世界范围内风电、光伏大规模开发利用,其所占发电比例不断增加。柔性直流电网作为支撑高比例新能源接纳的重要手段,已成为电网发展的重要方向。高压直流断路器作为柔性直流电网隔离直流故障的关键设备也受到了越来越多的关注。提出了一种直流电网保护中高压直流断路器的新型时序配合方法,该方法可以在直流断路器拒动情况下有效减小其余直流断路器的开断直流故障电流水平,同时缩减故障隔离时间和减小直流断路器中耗能支路耗散的能量。同时,提出了一种适用于直流断路器配合,用于检测直流断路器是否存在拒动的故障判断方法。在PSCAD/EMTDC中的仿真结果验证了所提出新型时序配合方法和故障判断方法的正确性和有效性。     

一种具有限流能力的新型混合式高压直流断路器拓扑

受到高压直流断路器开断容量以及关断时间的限制,直流电网面临故障抑制与清除的难题。提出了一种具有限流能力的混合式高压直流断路器拓扑,通过在电流转移回路中引入限流装置,达到有效抑制故障电流目的。分析了该断路器的拓扑结构、工作原理,并给出了断路器关键参数的计算方法,最后,针对三端柔性直流输电系统应用,在PSCAD/EMTDC平台进行仿真验证。仿真结果表明相较于其他方案,该断路器在系统正常运行情况下的通态损耗小、动态特性好,出现故障时能够快速切除故障电流,满足多端柔性直流输电系统对故障电流的抑制要求。     

城市轨道交通用限流式直流断路器原理研究

为解决城市轨道交通用直流牵引系统故障短路电流峰值大、开断寿命低、维护成本高的问题,提出了一种限流式直流断路方案.研究了电流基于电弧电压自然转移的原理;根据系统参数建立仿真模型,仿真了不同故障电流情况下的限流开断性能,验证限流式直流断路器的功能;将该直流断路器方案与其他四种典型的直流断路器进行了对比分析.研究结果表明:提出的限流式直流断路方案可实现3 ms故障电流截断、快速重合闸功能,并采用先限流后开断的方式,降低故障开断电流,提高了开断寿命.     

共转移支路式混合直流断路器拓扑

针对现有混合直流断路器造价高、难以应用于多端电网的缺陷,提出了一种新型混合直流断路器拓扑。该拓扑采用共转移支路和二极管整流桥相结合的结构,以减少绝缘栅极晶闸管(insulated gate thyristors,IGBT)数量,并在转移支路串联附加电阻以减小故障电流峰值。针对此新型拓扑,该文详细分析了其在多端电网中的开断原理,采用换序电路法建立了故障电路数学模型,构建了故障电流与附加电阻之间的关系表达式。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建新型混合直流断路器仿真模型,结果表明采用共转移支路结构可有效减少IGBT使用数量,转移支路附加电阻可显著提高直流断路器开断容量。     

直流配电网中送端换流器的故障限流控制策略

柔性直流配电网中直流线路故障电流具有上升速率快、峰值高、发展迅速等特征,增大了直流断路器设计的难度.本文利用送端换流器可控性强的特点,提出了一种故障限流的控制策略,无需检测是否发生直流侧故障,等效增大限流电抗器的电阻,并自适应调整虚拟电阻值:并利用Matlab/Simulink仿真平台进行仿真验证.仿真结果表明,当直流线路发生故障时,通过此控制策略能快速将部分电容能量馈入交流电网,有效地降低故障电流峰值和电流变化率,减小直流断路器的开断应力;且在有效限制故障电流的同时,对系统正常运行的稳态特性和暂态特性的影响很小.     

一种新型混合式直流断路器

为了实现直流输电网和配电网中,直流线路故障电流快速分断,提出一种新型混合式强迫换流直流断路器拓扑。该断路器通过在通流支路中设置强迫换流回路,可在几毫秒内完成故障电流的分断,同时可实现机械开关的零电流关断;此外,即使断路器中半导体器件门极电源突然意外失电,断路器依然可以维持电流通路,从而提高了断路器的可靠性。详细分析了所提混合式断路器的工作原理和参数设计原则,并通过仿真验证了断路器能够快速分断直流故障电流。     

双臂架构的混合型直流断路器拓扑结构研究

柔性直流输电(VSC-HVDC)更适合远距离大容量电能传输,能够有效提高大电网对分布式发电的并网消纳能力,直流断路器作为柔性直流输电的核心设备,能够快速切断故障电流、防止故障扩大。直流断路器主要分为机械式、固态、混合式3种类型,其中混合式直流断路器具有机械式直流断路器和固态直流断路器带载能力强、损耗小、电弧易熄灭、故障电流切断速度快等优点,逐渐成为直流断路器的主流发展方向。通过研究一种典型的混合式直流断路器,针对其存在的避雷器容量大、固态开关组不能零电压开通、故障电流切除时间长等缺点,提出了一种双臂架构混合型直流断路器,并通过仿真将2种断路器做了对比,仿真对比结果证明所提出的双臂结构混合型直流断路器更加经济、切除故障电流速度快、固态开关组可以实现零电压开通。     

配电网中压混合直流断路器的研究

随着VSC以及VSC-HVDC的快速发展,直流断路器作为其关键设备与关键技术,受到了国内外的高度重视。首先介绍了现有的各类直流断路器的工作原理,分析其优缺点,针对现有直流断路器缺点,提出了一种可改善其缺点的断路器,该方案采用IGCT作为固态开关与机械开关并联的混合开关结构,以及增加限流电路,可有效抑制直流短路电流在短路初期的上升率,开断短路电流时间短,具有较好的可控性,开断短路电流时机械开关动静触头产生的电弧小甚至没有电弧产生,正常导通状态损耗小。通过仿真验证了断路器能够快速分断直流故障电流。     

基于电容换流的高压直流断路器研究

柔性直流电网技术面临快速隔离直流侧故障的巨大挑战,直流断路器被认为是直流故障隔离的有效解决方案。针对高压直流断路器普遍存在的直流故障隔离速度慢、换流站侧提供短路电流的水平高等问题,提出了一种新型高压直流断路器拓扑,利用基于电容的换流支路为断路器的可靠、快速分断创造条件,能够快速隔离直流故障,有效限制短路电流水平,降低直流故障对换流阀的冲击。描述了拓扑的结构及工作原理,对故障分断过程进行了理论分析;分析了两种分断策略与拓扑参数的影响关系。通过仿真平台搭建高压直流断路器仿真模型,仿真结果验证了所提直流断路器拓扑隔离直流故障的有效性。     

基于耦合电感的直流故障限流器

柔性直流电网存在故障电流上升速度快、幅值高,感性元件储存能量大等问题,这造成故障电流难以分断,并且使得直流断路器的耗能支路承受巨大压力。为了限制故障电流峰值并且降低直流断路器耗能压力,提出一种基于耦合电感的直流故障限流器。当发生短路故障时,该故障限流器利用电感耦合特性等效投入电阻与电容组成的限流支路,以实现无延时的故障限流;当直流断路器分断故障电流时,该故障限流器利用耗能电阻耗散耦合电感储存的能量,从而分担直流断路器耗能压力,以达到降低避雷器容量需求、加快故障电流分断速度的目的。大量电磁暂态仿真结果表明,所提故障限流器具有良好的限流效果,能极大降低直流断路器的耗能压力。且该故障限流器制造成本低,易于实现。     

柔性直流电网直流侧故障下500kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

柔性直流电网直流侧故障下500kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

一种快速响应直流限流器拓扑结构与参数设计

配合限流器使用的限流式直流断路器将成为直流断路器往高遮断容量发展的新趋势,然而原先提出的永磁饱和型故障限流器存在延长故障电流下降时间的问题.对此该文在原先提出的永磁饱和型故障限流器的基础上进行拓扑优化,提出一种新型快速响应直流限流器.其在原有限流器的拓扑结构中通过磁耦合引入一条辅助支路,消除原有限流器在直流断路器故障开断时延长故障电流下降时间的负面影响,加速开断进程,同时能够极大程度地减小断路器的吸能应力,一定程度上降低过电压应力.该新型限流器能全程自适应动作,无需触发控制装置,响应直接迅速,且二极管处于低压侧,降低了对地绝缘成本.通过理论分析,介绍该新型快速响应直流限流器的工作原理,通过数学推导,分析其主要电磁参数设计要求;通过磁路有限元仿真与电路仿真计算相结合,验证该新型限流器的可行性;设计一台小容量实验样机,通过现场实验与小容量仿真对比验证了该新型快速响应限流器能有效提升电流下降速度.     

基于MMC主动限流的柔性直流配电网优化配合保护策略

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流配电网发生直流短路故障后,激增的故障电流将严重威胁电网安全稳定运行。为抑制故障电流,针对半桥MMC型直流配电网提出一种基于主动限流控制的优化配合保护策略,通过减小直流故障电流上升率与故障隔离时间来抑制故障电流。首先根据故障电流特性提出了基于虚拟电抗的主动限流方式来限制故障电流上升率;进而根据单端量电流变化率特性设计了快速故障区域识别方法;并综合上述内容形成了快速故障区域识别与直流断路器动作的优化配合保护方案,通过优化断路器时序配合来加快故障隔离速度,进一步抑制了故障电流。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了柔性直流配电网仿真模型,通过多个算例验证了所提方案的有效性。     

多端VSC-HVDC直流线路故障限流及限流特性分析

基于电压源型换流器(voltage source converters,VSC)的多端柔性直流系统中直流线路的故障电流上升速度快、电流峰值大。然而具有大容量、快切断能力的高压直流断路器正在研制中。结合目前直流断路器开断容量水平,该文提出通过在直流线路两端串入限流电路的方法来限制故障电流的峰值和电流的上升速度率,并给出相关参数的理论计算方法。对该电路的限流特性进行分析与对比,结果表明,该限流电路能有效抑制故障电流,降低了对直流断路器开断容量和开断速度的要求。在该限流电路的基础上,提出一种多端VSC-HVDC直流线路故障处理方案。仿真分析表明,该故障处理方案能够有效抑制直流线路故障电流以及IGBT并联二极管电流,故障切除后非故障系统能保持正常运行,可以有效地增强多端VSC-HVDC系统对直流线路故障的处理能力。     

一种适于快速高压直流断路器的过零振荡电路

为满足高电压等级直流断路器可靠地快速开断故障电流的要求,提出了一种基于多级串联间隙和电容分压自取电的预充电型直流断路器过零振荡电路。描述了带分压网络的多级串联间隙的工作原理,仿真分析了触发频率、横向均压电阻和纵向分压电容对多级串联间隙分压特性的影响,并对多级串联间隙在导通动作过程进行了实验验证。分析了基于电容分压自取电的触发装置原理以及参数配置要求。对此种断路器的短路故障电流开断过程进行了仿真分析,并建立电流模拟开断实验系统进行了振荡回路验证研究。仿真与初步的实验结果表明,该过零振荡电路可在主断口支路快速产生有效的反向振荡电流波形,实现故障电流的开断。