基于强迫过零技术的自换向高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器开断能力、降低直流短路故障对系统的危害,提出了一种基于强迫过零技术的自换向高压直流断路器。该断路器利用晶闸管与二极管代替了关断支路的IGBT元件,并通过单个预充电电容和强制过零技术实现了切除断路器两侧故障,减少系统的安装成本。详细描述所提直流断路器的拓扑结构、工作原理,并通过动作时序和等效电路分析元件的参数取值方法,最后应用PSCAD仿真软件搭建三端环网模型对其进行仿真验证。结果表明,该方案可以实现故障线路的可靠切除,断路器经过一次预充电后无须再次充电即可恢复切除能力,具有较好的经济性。     

电容式直流断路器研究综述

电容式直流断路器在直流电网的应用前景广阔,是目前的研究热点。首先,根据电容的初始状态,将电容式直流断路器分为非预充电型和预充电型;开断电流时,这2种类型的直流断路器分别采用增大主通路阻抗的方式和电容主动放电的方式将系统电流由主通路转移到电容支路。然后,评述了几种典型的电容式直流断路器拓扑和工作原理,对不同直流断路器的快速机械开关分闸模式、运行损耗、快速重合闸能力、预充电方式、小电流开断速度和预转移能力等主要运行性能作了对比分析。最后,给出了电容式直流断路器的相关研究建议。     

适用于直流电网的预限流型直流断路器拓扑

为提高多端直流电网在直流故障下的运行可靠性,同时降低对直流断路器分断能力的要求,提出了一种适用于直流电网的预限流型直流断路器拓扑,当电网出现过电流时预先将限流回路投入,并根据故障检测结果决定切除故障线路或恢复正常运行。该拓扑使用辅助电容和半控型器件晶闸管实现了限流电感的快速投切与故障电流快速切除,能有效抑制故障电流,并具备一定的经济性。为验证所提拓扑在预限流和快速分断方面的可行性,在PSCAD/EMTDC中搭建了四端直流电网仿真模型,并通过仿真结果验证了所提拓扑在抑制故障电流、隔离故障线路方面的有效性。     

一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器

当柔性直流电网中的直流线路发生短路故障时,混合式直流断路器可以快速切断故障电流,从而实现故障隔离。然而,传统的混合式直流断路器的主断支路需要串联大量的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT),使得经济成本较高,并且现有的混合式直流断路器多不具备故障性质判别能力。为了解决混合式直流断路器的成本高以及盲目重合闸问题,该文设计了一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器。该断路器通过预充电电容电压与避雷器动作电压配合,降低了避雷器的动作电压,从而减少了避雷器两端并联的IGBT数量。此外,该断路器利用永久性故障和瞬时性故障情况下充放电支路中电流幅值的差异,实现了自适应重合闸。该文首先介绍了所提混合式直流断路器的拓扑结构及工作原理,然后对故障发展过程进行分析计算并给出了断路器元件参数和数量设计的方法,最后在PSCAD/EMTDC中搭建了四端柔性直流输电系统进行仿真验证,并与现有相关方案进行了性能与经济性对比,表明了该文方案具有较好的综合性能。     

适用于MMC直流电网的源网配合式电容型直流断路器

为充分发挥模块化多电平换流器(modularmultilevel converters,MMC)的控制能力,解决直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)开断电流和开断速度要求高、造价昂贵等问题,文中提出一种适用于MMC直流电网的源网配合式电容型DCCB。预充电电容是该DCCB最主要的部分,安装于每条直流出线上。所提DCCB利用MMC主动调压控制策略,在故障期间自适应调节子模块投入数量,使换流器直流出口电压与预充电电容电压相等,从而为快速机械开关提供低电压、零电流分断条件。文中详细介绍所提DCCB的拓扑结构、MMC主动调压控制原理、所提DCCB工作原理及其控制时序,并给出所提DCCB元件参数的设计方法。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建四端MMC柔性直流电网模型,通过仿真及对比验证该方案的有效性。     

一种基于电容可控振荡换流的新型直流断路器EI北大核心CSCD

直流输配电网在远距离大容量电能传输、大规模新能源并网和源–网–荷协调控制等领域发挥重要作用。直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)作为直流系统实现故障隔离的核心装备,目前还面临开断能力受限、成本高昂等问题,制约其在直流输配电系统中的广泛应用。该文首先提出一种新型电容可控振荡换流原理与拓扑电路,其通过激发电容振荡升压以实现振荡电流的快速提升,从而实现电流的转移与开断;然后对电容振荡换流机理进行数学分析,阐述所提直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)拓扑构成与基本原理,并给出核心参数理论设计约束边界。最后,仿真分析20k V/3ms/15k A DCCB技术性能,论证所提拓扑的可行性与技术特点。研究结果表明,所提拓扑损耗低,可快速实现双向短路电流开断,与混合式DCCB相比,所提拓扑全控器件使用数量少、应力小,整体技术经济性能优异,具备良好的应用前景。     

具有转移电容电压调整功能的重合闸机械式直流断路器北大核心CSCD

近年来中高压直流输电系统因其具有输送容量大、距离远的特点被广泛应用于电力传输,其中直流短路故障的制约和清除是影响直流电网安全稳定运行的重要因素。文中提出了一种新型具有转移电容电压调整功能的重合闸机械式直流断路器拓扑结构,利用一次开断后转移电容上的残留电压能够节省断路器重合闸所需的转移支路。研究了电压调整回路关键参数的整定方法,使调整回路能够将一次放电后的转移电容电压调整到合适的数值。最后,验证了文中所提拓扑对不同开断电流的适应性情况,发现拓扑对所有全电流开断工况都具有很好地适应性。     

可控有源振荡直流断路器设计与试验EI北大核心CSCD

直流输配电网为大规模高比例可再生能源并网和大容量远距离电能传输等难题提供了解决方案,是构建以可再生能源为主体的新型电力系统重要发展方向。直流断路器可快速开断故障电流、有效隔离故障,是保证直流输配电网可靠运行的关键设备之一。但是目前直流断路器仍存在开断电流能力受限、价格昂贵等问题。文中针对可控有源振荡新型直流断路器拓扑,阐述其拓扑构成与开断、关合原理,完成参数设计数学解析及影响规律分析。开发出10kV可控有源振荡直流断路器样机,开展额定电流及故障电流双向电流开断试验,验证所提拓扑设计正确性和工程应用可行性。     

三阶段电流转移混合型无弧直流断路器

针对高压直流电路存在开断困难的问题,提出了一种无弧直流断路器的拓扑结构。该拓扑结构采用三阶段的电流转移方案,解决了基于传统强迫关断原理的混合型断路器开断时,高速机械开关在打开瞬间有较大的反向恢复电压,需要给预充电电容另加充电电源的问题。通过等效数学模型对工作阶段的临界时刻进行数学计算以及对其推导的正确性进行仿真分析。分析结果表明,采用所提出的拓扑结构不但可以使机械开关无弧分断,而且分断速度较快。     

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。     

新型组合式直流断路器拓扑及其性能分析

基于强迫换流原理的混合式直流断路器具有速动性良好、可低损耗经济运行的优点,但应用于大规模的柔性直流电网时造价高、经济性差。组合式直流断路器的拓扑,通过在换流站对应的每条母线上仅采用一个昂贵的主断部分,可以有效降低断路器的一次造价,但现有的组合式断路器在任一线路故障动作时存在主断开关接地过程,同时不具备对快速机械开关的失灵保护功能。为此,提出一种新型的组合式直流断路器拓扑,分别分析了其在正常运行时分闸、合闸,线路故障时分闸、重合闸与快速机械开关失灵时动作过程的工作原理,同时对新型组合式直流断路器拓扑的可靠性、适应性等问题进行了分析并给出相应的应对策略。最后在PSCAD/EMTDC软件上对所提组合式断路器的性能进行了仿真分析与验证。     

一种新型电容缓冲式混合高压直流断路器的设计与仿真

研发能够快速开断大电流,可靠性和经济性好的高压直流断路器成为构建多端直流电网的主要技术瓶颈。文中提出了一种新型电容缓冲式混合高压直流断路器的两种不同开断模式,分析了相对高压直流断路器主流拓扑方案所做的改进;通过PSCAD仿真模型,对比了无弧开断模式和燃弧开断模式的优缺点;最后指出了该种高压直流断路器仍需研究的问题。     

电容型直流断路器拓扑结构研究

高压直流断路器是多端直流输电及直流电网技术中的核心设备之一。文中对现有的各类电容型直流断路器进行了比较分析,指出了各类电容型断路器方案的优缺点及其应用场合;在此基础上,提出了一种基于预充电电容的组合式直流断路器方案;在详细描述了所提方案的拓扑结构、工作原理及控制策略后通过在PLECS中搭建三端环网模型对其可行性和有效性进行了验证;最后指出了电容型直流断路器未来的研究方向和需要解决的问题。     

直流断路器分断试验等效评价标准及其考核方案

直流断路器作为新型电力装备,目前国际上尚无相关的试验标准,其等效分断试验方法有待深入研究。相较于交流系统故障电流存在自然过零点,直流断路器实现直流故障电流分断的关键在于通过自身不同支路间的换流过程,建立起大于直流系统电压的暂态开断电压来抑制故障电流。然而,现有分断试验对于暂态开断电压建立阶段关键部件电压相关应力考核尚属空白。首先,详细分析暂态开断电压建立阶段关键部件电气应力,在明确需要重点考核的应力基础上,提出能够覆盖整个分断过程的直流断路器分断试验等效评价标准。然后,提出分断试验等效系数k,并根据系数k对现有分断试验电路参数进行设计,在复现所提等效标准的同时,提高试验的经济性及可行性。最后,按照所提参数设计方法,针对50kV断路器单元进行分断实验验证,实测等效电容电压与仿真预期误差为0.36%,证明试验电路参数设计方法的正确性。所提直流断路器分断试验等效评价标准解决了现有分断试验应力考核不完善的问题;分断试验电路参数设计方法可为“100%”复现所提关键应力提供经济、可行方案。     

电容换流型直流断路器及其在直流电网的应用

直流断路器技术是直流电网发展的技术瓶颈。现有的混合型高压直流断路器存在成本高的缺陷,现有的机械式直流断路器开断速度慢、可靠性低。为解决上述弊端,提出一种电容换流型高压直流断路器及其改进型拓扑,分析了其工作原理,研究了该直流断路器的内部元器件参数设计要求。通过改进辅助支路和主支路的拓扑接线,该文提出的直流断路器可大大降低硬件成本。在PSCAD/EMTDC仿真平台中分别搭建了单端仿真模型和四端直流电网仿真模型,仿真验证了所设计直流断路器的技术可行性。     

直流电网用混合式直流断路器开断参数影响因素研究

直流电网中应用的开断参数是高压直流断路器研究与设计的前提条件,其影响因素的探讨对系统与设备的协同设计有重要意义。基于功能要求提取了混合式高压直流断路器的核心开断参数,从电网运行方式、系统参数、故障特性、保护配合以及断路器参数设计等多个方面对核心开断参数的影响进行了定性和定量分析。搭建了张北四端柔直电网工程和混合式直流断路器电磁暂态仿真模型,对影响因素进行了仿真验证。结果表明系统电抗器参数、接地设计、保护出口时间和断路器重合闸动作逻辑对开断参数均有不同程度的影响,通过多参数优化可有效提升系统和断路器技术经济性能。所提分析方法和分析结果为直流电网用混合式直流断路器开发和设计提供了借鉴。     

直流断路器技术发展综述

柔性直流输电和多端直流电网对能够快速开断大电流、可靠性和经济性好的高压直流断路器有日益迫切的需求。综述了直流断路器的拓扑形式,分析了机械、全固态及混合式等直流开断方式的特点及适用场合,指出混合式强制换流方案、机械式预充电人工过零方案更易满足高压大容量直流系统的高速开断要求。提出混合式直流断路器的研制重点在于提高机械开关的操动速度,减少元件数,提高可靠性与经济性;机械式直流断路器应重点关注详细拓扑、机械开关灭弧单元在人工零点下的极限开断能力、振荡回路参数优化和快速机构的研制。     

一种新型限流式混合直流断路器拓扑

混合式直流断路器是柔性直流电网的重要组成部分,用于实现直流侧故障隔离,但现有拓扑大多不具备故障限流能力,且成本较高。对此,该文提出一种新型限流式混合直流断路器拓扑,其具备主模态、限流模态及断路模态3种工作模态,能够灵活应对直流电网不同异常状况。该拓扑主要采用晶闸管实现故障电流换路,大大减少IGBT的使用量以降低断路器成本,同时配合电容进行限流电感与避雷器的投切,以实现故障限流并提高分断速度。此外,该文针对所提出拓扑的工作过程进行详细解析和理论推导,基于PSCAD/EMTDC在单端等效和四端直流电网环境下进行仿真验证,并与现有典型拓扑进行对比分析,仿真结果证明了所提直流断路器拓扑的可行性和优越性。     

考虑母线故障的低通流损耗多端口整流型混合式直流断路器

混合式直流断路器是当前柔性直流电网最为理想的故障隔离方式,但是投资成本高限制了其大范围的应用。为了降低混合式直流断路器的成本,提出了一种多端口整流型混合式直流断路器拓扑,选择开关采用简单可靠的二极管桥式整流结构,负载转移开关和主断开关采用单向开断子模块,并通过电流转移控制策略的优化,使得直流断路器具备电流双向开断、设备成本低和通流损耗低等优点;同时,增加了一条母线保护支路,实现了直流母线故障隔离和公共母线故障保护。文中首先详细介绍了所提拓扑在不同故障工况下的工作原理以及内部组件的动作策略;然后,与现有拓扑进行了经济性和电气性能的对比分析,突出所提拓扑的优越性;最后,设计并搭建了一台三端口整流型混合式直流断路器样机及其试验系统,通过试验验证了所提拓扑的有效性和可行性。     

基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构研究

直流断路器是中压直流配电系统的重要设备。为满足大容量高速分断的迫切需求,该文提出一种基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构并分析了其工作过程,将耦合电抗器一、二次绕组分别串联于主支路和真空开关支路实现加速电弧电流转移,阻容元件串联于固态开关支路以便限制故障电流。通过Matlab/Simulink构建了基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器仿真模型,仿真分析了耦合电抗器和阻容元件参数对电流转移时间、限流效果、整机开断时间的影响规律,并进行了小电流开断的初步实验验证。研究表明：耦合电抗器一、二次绕组分别为300μH、50μH,阻容元件参数为0.1?、50μF,电流转移时间由1.5ms缩短至0.5ms,截断电流峰值降低了47.1%,整机关断时间缩短了1.9ms,初步验证了新拓扑结构在限流和快速开断方面的可行性,为研制高性能混合直流断路器提供参考依据。