具备故障限流功能的新型线间直流潮流控制器

直流电网在发生故障时,电流会迅速增大,危及整个系统安全运行。而用于切断故障电流的直流断路器开断能力有限,需要与故障限流器配合使用。随着直流电网结构的日益复杂,潮流控制问题也日益突出。在直流潮流控制器原有的潮流控制能力上,探索其故障限流能力并提出一种具备故障限流能力的新型线间直流潮流控制器拓扑。潮流控制部分采用线间直流潮流控制器,故障限流部分采用晶闸管控制电感投入实现限流。对所提控制器的工作原理、动作过程及理论分析进行了研究,并在单端等效系统及四端柔性直流电网中进行了仿真验证。仿真结果表明,该控制器可在正常运行时控制2条线路的潮流,在某一线路单极接地故障时进行故障限流并通过与直流断路器配合完成故障电流的切除,该装置及控制策略的可行性与有效性得到验证。     

电流转移型高压直流断路器

混合式高压直流断路器是目前处理直流电网故障较为认可的一种方式,但其存在造价昂贵、使用个数多等问题。为有效解决此类弊端,提出一种电流转移型高压直流断路器,并对其故障隔离控制时序进行了研究。电流转移型高压直流断路器借鉴了混合式高压直流断路器的关键部件和设计理念,将直流母线以及与其相连的混合式直流断路器进行了整合,以整体概念对断路器进行了再设计,优化了设备利用价值。在保证同等直流故障处理能力的前提下,相比混合式高压直流断路器,其投资成本大幅度降低。为验证电流转移型高压直流断路器的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个三端单极直流网络模型。仿真结果验证了电流转移型高压直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。     

适用于直流电网的组合式高压直流断路器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在直流电网中具有较大的应用潜力。当前各类MMC拓扑中,半桥型MMC具有最佳的经济效益,但缺乏直流故障清除能力。目前主要有两种直流故障清除方法:一种是采用具有直流故障清除能力的子模块,但会引入额外的功率损耗,同时,需要通过闭锁MMC来达到清除直流故障的目的;另一种是采用混合式高压直流断路器,它具有快速隔离直流故障的能力,但投资费用较大。为有效解决上述弊端,提出一种组合式高压直流断路器,并对其控制时序进行了研究。组合式直流断路器以混合式直流断路器为设计背景,对其主要设备进行重新配置并加以改进,更加适用于多端柔性直流输电系统及直流电网。在保证同等直流故障处理能力的前提下,相比混合式高压直流断路器,其投资成本大幅度降低。为验证组合式直流断路器的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个三端单极直流网络模型。仿真结果验证了组合式直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。     

基于可控硅串联技术的新型固态高压直流断路器

作为直流线路中的分断装置,高压直流断路器是快速限制并切断故障电流、维持直流电网安全稳定运行的关键技术手段。文中在对比分析现有高压直流断路器典型结构的基础上,提出了一种基于可控硅串联技术的新型高压直流断路器,详细描述了其拓扑结构、工作原理和典型特点,并使用PSCAD软件仿真分析了不同短路电流下所提高压直流断路器的开断特性及其影响因素。最后,通过在实验室内搭建高压直流断路器实物模型,利用d SPACE工作平台进行了断路器的电流开断实验。结果表明,所提出的新型高压直流断路器能够实现快速关断与恢复通流,通态损耗低且通流能力强,具有现实可行性。     

混合式高压直流断路器的控制策略与实验研究

现有的高压直流断路器能够在几十ms内断开电路,但对于高压直流输电系统,远不能达到要求。基于半导体的高压直流断路器能克服动作速度上的问题,但需要大量电力电子开关器件串并联,有很高的技术难度,同时会产生大量损耗。为了克服上述缺点,采用一种混合式高压直流断路器的拓扑结构。首先介绍了断路器开通和关断的原理,接着提出一种故障预处理的控制策略,在故障发生时提前进行换流,从而缩短故障发生后线路开断的时间;最后利用PSCAD进行建模仿真,制作了单元样机进行降压实验。仿真和实验结果证明：在系统发生短路的情况下,混合式直流断路器能够快速开断短路电流,还可以在直流线路分断后为直流线路及负载中储存的能量提供释放回路。     

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。     

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。     

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。     

具有限流功能的模块化直流潮流控制器及其控制

针对多端直流输电系统线路潮流控制自由度不足的问题,提出一种模块化直流潮流控制器,其采用模块化结构,便于多线间拓展,具备直流故障限流能力。首先,介绍了模块化直流潮流控制器的拓扑结构,建立了其等效电路模型,阐述了潮流控制和故障限流原理。然后,分析了模块化直流潮流控制器在潮流控制模式下的桥臂功率转移特性,研究了基于交流环流的桥臂功率平衡机理。在此基础上,提出了模块化直流潮流控制器的潮流分配控制和功率平衡控制方法,并详细说明了其在故障限流模式下的控制策略。最后,在PLECS仿真软件中搭建三端直流输电系统,验证了模块化直流潮流控制器在潮流分配、潮流反转、功率阶跃、故障限流等工况下的有效性。     

具备故障限流及断路功能的复合型直流潮流控制器

直流电网中,潮流控制和故障保护问题通常由直流潮流控制器和直流断路器分别解决。为了减少设备数量,降低建设成本,提出一种具有故障限流与断路能力的复合型直流潮流控制器。首先,分析该复合型设备的拓扑结构及运行原理,并给出在正常工作状态与线路故障状态下设备的控制策略。其次,分阶段对新拓扑的潮流控制、故障限流及断路过程进行理论解析。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建单端换流站和四端直流电网模型进行仿真,验证了理论解析计算的正确性。同时,仿真结果表明,该设备可在正常工作状态下进行潮流控制,线路故障状态下进行故障电流抑制和故障线路切除。     

新型具有限流功能多端口高压直流断路器拓扑

直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)是提高直流电网安全稳定运行的关键设备。针对现有的DCCB投入的数量多导致成本过高、短路故障时电流过大、避雷器吸收能量过多等问题,提出了一种新型具有限流功能的多端口高压直流断路器拓扑(multi-port DC circuit breaker,MP-DCCB)。通过改进DCCB拓扑结构研究其性能,对新型拓扑的工作原理、故障分断过程进行理论分析,并给出相关参数及选取依据,最后用PSCAD软件搭建相应的仿真模型,并进行验证。与常规DCCB方案相比,故障电流减少了48.6%;避雷器上吸收能量、关断电流和关断时间分别减少了54.8%、52.4%和0.8 ms。该新型MP-DCCB具有良好的可靠性与经济性,仿真结果验证了所提新型具有限流功能的多端口高压直流断路器拓扑可适用于当前直流电网。     

Novel topology of DC circuit breaker and current interruption in HVDC networks

With the emerging growth of high‐voltage direct current (HVDC) transmission in modern power systems, the HVDC grid has become a hot topic in recent academic research and real projects. In the DC grid, DC faults can have very serious consequences, and so the faulty DC parts need to be rapidly isolated from the system. Compared to the full‐bridge converters for the DC grid, DC circuit breakers are preferred to deal with this problem economically. In this paper, the self‐excited resonant DC circuit breaker is reviewed. Then, a novel scheme of hybrid DC circuit breaker is introduced, and the operation principle of the proposed circuit breaker is described in detail. Finally, a four‐terminal HVDC grid based on a modular multilevel converter (MMC) is used as the DC test system in PSCAD/EMTDC to verify the validity of the proposed DC circuit breaker. From the simulation results, it is seen that the proposed DC circuit breaker has advantages on current interruption time, voltage on DC circuit breaker, investment, etc. © 2017 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

多端口电感耦合型直流限流断路器快速重合闸策略

高压直流（high voltage DC,HVDC）电网是连接可再生能源与交流主网的主要载体,直流故障后的恢复速度对整个交直流电网的稳定性有重要影响。基于多端口电感耦合型高压直流限流断路器,提出一种与直流电网换流器控制策略相配合的快速重合闸策略。介绍了多端口限流断路器的拓扑结构,分析了换流器控制策略对故障隔离后直流电压的影响,并对限流断路器的重合闸时序进行了选择,形成了与风电场等弱交流系统连接的换流器-断路器协调配合重合闸的控制策略及逻辑流程。在4端双极直流电网仿真模型中,验证了所提重合闸策略具有冲击电流较低,故障恢复时间较短的优势。     

直流电网潮流控制与短路控制复合装置

随着高压直流输电的发展和直流电网结构的日益复杂,直流系统的潮流调节和短路故障问题日益突出。基于多端柔性直流输电系统的潮流控制和短路故障抑制技术,文中提出了一种用于直流电网的兼具直流潮流控制和短路故障切除的多功能复用装置。该装置不仅能实现潮流在线路之间的灵活控制,而且能够实现对故障电流上升速率的限制和对短路故障的切除。对一个加装了该复合装置的三端直流环网进行研究,分析该复合装置的工作原理、控制策略及运行特性。最后,在PLECS软件中搭建了仿真模型,验证了该装置及其控制策略的可行性和有效性。     

具有故障限流功能的线间直流潮流控制器及其控制方法

针对多端直流输电系统潮流调节和故障电流抑制两大难题,提出一种具有故障限流功能的线间直流潮流控制器(IDCPFC),可以实现线路电流灵活调节和直流故障电流抑制.首先,介绍了IDCPFC的拓扑结构、工作原理和等效电路,该结构具有模块化、可拓展的优势,在此基础上提出了电压、电流分时控制方法.然后,分析了所提IDCPFC在直流短路故障工况下的运行特性,提出了闭锁降压限流方法和过压旁路保护策略,研究了故障电流抑制能力的影响因素及参数选取.最后,在PLECS中建立了三端直流系统的仿真模型,仿真结果证明了所提IDCPFC在潮流控制、功率阶跃和故障限流工况下的有效性,并研制了小型样机验证了IDCPFC的潮流调节和故障限流功能.     

基于电压钳位原理的多端口限流式直流断路器

随着直流电网技术的广泛运用,直流断路器作为关键保护设备已成为相关领域研究重点.提出一种基于电压钳位原理的多端口限流式直流断路器,具有通态损耗低、经济性良好、重合闸速度快等优点.首先,提出新型断路器的拓扑结构及动作策略,通过电压钳位原理切除故障,而后利用LC振荡关断支路晶闸管;其次,分别对母线和线路故障进行解析推导,进而针对其关断过程设计参数;最后,利用PSCAD/EMTDC中的三端直流电网模型验证其有效性与适用性,并分别对两种故障仿真加以分析,通过故障电流、系统电压及支路电压对比分析等验证该断路器可代替多个常规断路器,减少了主断路器需求.     

适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器

现有的直流潮流控制器大多为双端且仅能辅助控制一条线路上的潮流。为全面控制直流电网潮流分布,文中提出了一种适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器,它可以同时控制多条线路上的潮流且易于拓展。首先,在充分研究已有直流潮流控制器的基础上,提出了多端口直流潮流控制器的拓扑结构并详细阐述了工作原理;其次,研究了多端口直流潮流控制器的等效电路,进而设计了能够使其稳定运行的控制策略;最终,在RT-LAB仿真平台中搭建了舟山五端柔性直流输电系统并安装了三端口直流潮流控制器,对所提拓扑结构和控制策略进行了仿真验证。     

适用于直流电网故障清除的增强型MMC

随着直流输电系统电压和容量的提高,对直流故障快速清除隔离的要求越来越高。作为清除直流故障的有效方案之一,直流断路器(DCCB)技术还不够成熟,限制了其在工程上的应用。文中提出了适用于直流电网故障清除的低成本直流故障清除方案,对半桥型模块化多电平换流器(MMC)进行了局部的改造,以使其具备故障清除操作的能力,使得线路上的故障电流能够被低成本故障隔离单元迅速隔离,随后建立和分析了故障隔离过程中的等效电路,设计了故障隔离动作时序,并对比分析了典型方案的器件使用量,最后建立了仿真和实验模型。仿真和实验结果证明了该方案的有效性。