基于二极管钳位的电流转移型高压直流断路器

为有效提高电流转移型直流断路器的运行可靠性,降低结构复杂性和控制复杂度,提出了可用于正极和负极的两种二极管钳位式电流转移型高压直流断路器拓扑结构。该改进式拓扑将原断路器一半的通流支路改用二极管支路,同时添加了与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组件相并联的旁路开关,以提升超快速机械开关分断失灵情况下对直流断路器本体的保护。在保证同等直流故障处理能力的前提下,其投资成本与电流转移型直流断路器具有可比性,不引入过高的投资成本增量。为验证二极管钳位式电流转移型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。仿真结果验证了二极管钳位式电流转移型直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。     

基于广义H桥电路的混合式直流断路器

基于多端直流电网快速发展的现状，针对直流故障清除问题，提出了一种基于广义H桥电路的高压混合式直流断路器。利用H桥结构电流双向流动的特点，将转移开关和主断部分以二极管H桥的形式实现复用，并且取消了常见的反并联二极管，在保证直流故障处理能力不变的前提下，所需IGBT（绝缘栅双极型晶体管）数量大幅减少。为了验证基于广义H桥电路的混合式直流断路器及其故障隔离方法的有效性，在PSCAD/EMTDC平台搭建了四端直流电网测试系统，仿真验证了其可行性。同时将本方案和其他方案进行了拓扑、器件成本方面的对比，结果表明本方案具有良好的经济性。     

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。     

基于电流注入的新型混合式直流断路器EI北大核心CSCD

混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断,最大程度地保障系统健全和可靠持续运行的关键装备。目前,基于全控型电力电子组件级联的混合式直流断路器存在造价昂贵、控制复杂及难以大规模应用等问题。针对这一问题,该文提出一种基于电流注入的新型混合式直流断路器,利用直流系统本身对振荡支路电容进行预充电,通过晶闸管控制振荡支路电容、电感发生谐振而辅助故障电流迅速换流,实现直流线路故障电流快速阻断。首先分析电流注入基本原理,然后,在此基础上提出基于电流注入的新型混合式直流断路器,并详细阐述其工作原理,最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证所提新型混合式直流断路器的有效性和适用性。     

500 kV整流型混合式高压直流断路器

直流断路器作为柔性直流电网故障元件的快速隔离装置,是构建直流电网的关键设备,能够大力支撑大规模新能源的高效并网和消纳。文中提出一种整流型混合式高压直流断路器电路拓扑,采用桥式换向阀组和单向开断阀组构成分断支路,与常规拓扑相比,使用一半数量的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)即可实现电流双向开断,经济性好和可靠性高。文中详细介绍了整流型混合式高压直流断路器的拓扑结构及其开断工作原理,并提出预分闸控制策略和软合闸控制策略,以缩短分闸时间和减小合闸操作冲击。研制了一台额定电压500kV,额定电流3kA,最大开断电流25kA,开断时间小于3ms整流型混合式高压直流断路器样机。实验结果验证了整流型混合式高压直流断路器电路拓扑的可行性和有效性     

直流微网混合式直流断路器电流转移特性研究

混合式直流断路器的电流转移特性对其快速开断及控制策略有着重要意义,文中通过分析混合式直流断路器的工作原理,利用Mayr电弧模型、IGBT、RCD缓冲电路和避雷器模型等建立了混合式直流断路器仿真分析模型,分析了不同外电路参数和转移支路参数下的电流转移特性。搭建了直流微网模拟短路试验平台,进行了混合式直流断路器的开断特性试验,重点研究了电压400 V,不同故障电流(低于200 A)及不同参数下的电流转移特性。试验结果验证了仿真分析模型,为后期快速开断的直流微网混合式断路器提供了可参考的依据。     

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LC电源的混合式高压直流断路器分断试验方法

直流断路器分断试验为运行试验中最为核心的部分,其有效性直接关乎直流断路器电气性能的验证。该文针对柔性直流电网用混合式高压直流断路器分断试验展开研究,目的在于提出具有工程可行性的分断试验方法和试验参数。首先,在对混合式高压直流断路器原理和工况分析的基础上,揭示了混合式高压直流断路器整机应力特性;然后,在应力提取的基础上,提出了LC电源试验电路以及参数;最后,通过200 k V断路器整机短路电流分断试验验证了试验电路和试验方法的准确性。实验结果可为混合式高压直流断路器试验系统设计提供参考。     

新型高压直流断路器的自供能控制策略

提出了一种新型混合式高压直流断路器的拓扑结构及其自供能控制策略。该新型断路器包括超快速机械开关、负载转移开关和主断路器等部件。负载转移开关和主断路器都是由增强型半桥子模块构成。通过所设计的控制策略,可以使子模块中的电容在正常工况下带电运行,进而可以为子模块中的IGBT提供驱动所需要的能量。该新型断路器存在启动充能模式、稳态运行模式和故障处理模式3种运行模式。针对上述3种运行模式分别提出了相应的控制策略。增强型半桥子模块是新型直流断路器的核心元件,给出了其关键参数的选取方法。在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了四端直流电网模型,仿真结果验证了所提的新型高压直流断路器及其控制策略的可行性和有效性。     

一种混合式高压直流断路器的换流特性研究

高压直流电网发生短路故障时,为了系统安全稳定运行,直流断路器应在很短的时间内切除故障线路,而电流转移过程是断路器成功切断故障电流的关键。文中对级联全桥混合式高压直流断路器换流过程进行分析,着重研究了故障电流分断过程中断路器的3次换流过程,并建立换流过程的等效模型。在PSCAD/EMTDC中仿真分析了3次换流过程的主要影响因素及其影响规律,得到混合式断路器的换流特性结论,为研制开断时间更短、开断容量更高的直流混合式断路器提供参考。     

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。     

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.     

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。     

具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器

针对直流电网目前面临的2个关键性问题:直流潮流控制自由度不够和直流线路故障,文中提出了一种适用于直流电网的具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器。首先,介绍了模块化多电平潮流控制器和混合式高压直流断路器的基本结构和工作原理。然后,提出了一种组合式高压直流断路器,介绍了它的基本结构、配置原则、控制方式和工作原理;基于单换流器直流侧故障分析模型,分析了组合式高压直流断路器处理直流线路故障的可行性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了四端柔性直流输电系统,分别对组合式高压直流断路器的直流潮流控制能力和直流故障处理能力进行了仿真。仿真结果表明:组合式高压直流断路器能够很好地控制直流潮流,并具有处理直流线路故障的能力。     

基于多端口混合直流断路器的LCC-VSC混合多端直流输电系统故障清除方案

混合多端直流输电系统是解决大规模新能源送出和消纳的有效手段之一,快速有效的故障清除方案是保证其安全稳定运行的关键。然而,已有的基于换流器自清除的故障清除方案会导致健康换流站短时停电,而借助直流断路器的故障清除方案存在实施成本过高的问题。为此,提出一种二极管桥式多端口混合直流断路器拓扑,以一个三端混合直流系统为例设计了基于该多端口混合直流断路器的故障清除方案。所提出的故障清除方案在送端采用LCC移相控制实现故障的清除和换流器重启,在受端汇流母线处采用二极管桥式多端口混合直流断路器实现直流故障快速清除和重合闸。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了该方案的有效性,并与已有的技术方案进行了对比。结果显示,所提方案在保证故障快速有效清除的同时,能够减少在混合多端直流系统中使用断路器的经济成本。     

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.     

一种不依赖直流断路器的直流电网架构

提出一种不依赖直流断路器的直流电网架构和相应的控制保护策略。根据电压等级和端口特征,将直流电网划分为若干子系统,通过在子系统间的连接线上串入故障隔离设备,即可不依赖直流断路器,实现直流故障的就地处理,故障子系统的隔离及重启过程不影响健全子系统正常的功率传输。相应的功率调节策略和站间通信分层设计方案,可以有效降低定电压控制换流站的过负荷风险及站间通信系统的复杂度。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果验证了所提出的直流电网和对应控制保护策略的有效性。     

直流断路器的现状及发展

本文在分析直流输电技术特点的基础上,总结了目前直流输电对于直流断路器的基本要求;介绍了用于直流领域的断路器的种类,分析了其工作原理以及性能特点;简要综述了直流断路器国内外发展现状,并分析了直流断路器存在的主要技术问题,指出混合直流断路器是直流输电领域的直流断路器研究的主要方向。     

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。