新型高压直流断路器开断能力的研究

通过对典型高压直流断路器在开断大大直流时开断能力不足的问题的分析,在其电路拓扑的基础之上,引进了一个电阻元件,将该电阻直接并联于直流回路上,用于分流和减小直流电流的幅值。另外,在与该电阻元件并联的直流回路上设置了一台断路器装置,该装置能开断较小容量的直流回路,它能与主直流回路的断路器共同工作,最终开断大幅值直流电流。在Matlab/Simulink环境下,建立Mayr电弧模型,并在此基础上建立了新型高压直流断路器模型。通过仿真及其分析,表明在高压直流系统中,该新型直流断路器具有很好的直流开断能力。     

基于磁耦合电流转移的阻尼式直流开断技术

直流系统中短路电流上升速度快、峰值高,而未来随着系统电压等级和容量的进一步增加,短路电流开断更为困难。为了降低直流断路器开断要求,在开断过程中考虑故障电流快速抑制是至关重要的,但现有的直流开断方案很难同时兼顾限流和开断过程。文中提出了一种电流转移和阻尼一体的新型直流断路器拓扑结构,该断路器在保证大容量开断和低成本的同时,能实现故障电流的快速限制。首先,对所提出的直流断路器开断原理进行介绍。然后,针对方案中阻尼模块和磁耦合转移模块的关键影响因素展开分析,获得了阻尼模块和磁耦合模块的参数优化设计。最后,基于仿真模型对所提出的开断方案进行了仿真分析,验证了所提出的拓扑结构在不同工况和不同电压等级下的开断适应性,并通过实验验证了所提出的阻尼式直流开断方案的有效性。     

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。     

超导限流式直流开断技术1:超导限流研究

高压直流断路器的成功研制是直流多端输电系统和直流电网发展的关键。目前高压直流断路器的发展方兴未艾,但开断的短路电流值仍然有限,笔者提出了一种基于超导限流技术的高压直流断路器,可以极大提高短路电流的开断能力。该直流断路器由直流超导限流模块和开断模块组成,文中的研究内容为超导限流模块的快速限流特性、电流转移特性、大电流耐受特性。实验结果表明,超导限流模块具有快速的限流特性,在1 ms内即开始限流,能将几十千安培甚至上百千安培的短路电流限制在几千安培,施加磁场后的超导限流模块具有宽电流限制能力。所提出的直流断路器将超导限流技术和直流开断技术有效结合,具有反应迅速,开断电流大,可用于高电压场合的优势,是一种有发展前途的高压直流断路器。     

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     

适用于直流电网的晶闸管型直流断路器

高压直流电网发生直流故障后,直流断路器可以快速隔离故障区域、保证非故障区域的正常运行。晶闸管型直流断路器具有成本低、容量大等特点,但是在电容预充电、二次开断等方面仍存在改进空间。为了进一步改进晶闸管型直流断路器的工作性能,提出一种具有新型拓扑结构的晶闸管型直流断路器,其基本原理是通过合理的拓扑设计和控制策略将故障电流转移到电容支路。介绍了所提直流断路器的预充电、开断电流和二次开断的具体步骤;通过建立电容放电期间的状态方程组,分析了内部电感和电容的参数设计原则,从而在确保开断可靠性的同时提高器件利用效率。最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件里搭建了四端直流电网模型,通过仿真验证了所提直流断路器的工作性能。仿真与分析结果表明,与现有晶闸管型直流断路器相比,所提直流断路器无需外部预充电电源且充分考虑了二次开断能力,同时具有精确的参数设计方法从而实现器件的最大化利用。     

160 kV超快速机械式高压直流断路器的研制

针对±160 kV南澳多端柔性直流工程对高压直流断路器的实际需求,提出了一种新型的机械式高压直流断路器拓扑,以及160 kV机械式高压直流断路器的技术方案,对其中的关键技术如快速操动机构、多断口串联均压等进行了仿真研究。研制出了160 kV超快速机械式高压直流断路器,提出了采用发电机源提供交流电流来模拟直流故障电流的开断试验电路,并进行了正、反向大电流开断试验。试验结果表明,机械式高压直流断路器成功开断了9.2 k A正向电流,暂态恢复电压峰值达到272 kV,开断时间3.9 ms;成功开断了9.2 kA反向电流,暂态恢复电压峰值达到262 kV,开断时间为4.6 ms。     

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。     

中高压直流开断技术

直流电网在高压柔性输电、新能源接入、轨道牵引以及未来城市配网方面有着广泛的应用前景。直流断路器作为重要的控制和保护设备,是直流电网供电安全的重要保证。与交流相比,直流开断的要求更高、其实现也更加困难。根据开断原理的区别,目前的直流断路器主要分为空气断路器、电流注入式断路器和混合式断路器三类。分别对三类直流断路器进行了综述,介绍了相应的开断原理与开断方法,着重分析了中高压直流分断方面的最新技术。空气式直流断路器通过建立足够高的电弧电压实现分断,结构简单、可靠性高,在低电压等级系统中已经得到了广泛的应用。电流注入式直流断路器利用储能元件产生的反向电流注入来实现直流分断,短路分断速度较快,可用于中高压直流系统。混合式直流断路器主要利用全控型电力电子器件来实现电流分断,开断速度极快,对于不同电压等级适用性较强,然而较高的成本限制了其广泛应用。     

直流断路器的研发现状及展望

可靠有效的电力供应以及开发利用可再生资源对于改进电力传输模式提出了巨大的挑战。基于低损耗、远距离、大功率输电以及更有效地连接可再生能源入网和便于灵活操作的优点,高压直流输电(HVDC) 得到了新的重视。特别是电压源换流器(VSC)技术的出现使得多端高压直流(MTHVDC)电网的筹建发展成为可能并越来越具吸引力。目前,多端高压直流电网技术上的主要挑战,如网络结构的拓扑设计、大容量电缆、保护和开断短路电流的直流断路器等成为热门话题。对于多端高压直流电网,具有快速开断直流故障电流和隔离故障功能的直流断路器是必不可少和至关重要的。只有应用高压直流断路器,才有可能采用多端高压直流实现多个节点连接的可再生能源入网或退网、及时快速分离故障并可保证系统的安全可靠运行。 虽然目前市场已有高压直流断路器,且有一些已在超高电压系统运行,但它们直接开断短路故障电流的开断能力较低,且都是作为转换开关将故障电流从一个电路转换到另一电路,最后由交流断路器完成开断,其开断时间较长,系统欠稳定。故具有高开断能力的高压直流断路器仍然是MTHVDC的发展的一个瓶颈,限制着MTHVDC的发展。因此,一场研发高压直流断路器的激烈竞争在ABB、西门子和阿尔斯通等国际电力设备制造商之间正在悄然进行。本文着重介绍了高压直流断路器的发展及其研发的必要性和迫切性,介绍了目前高压直流断路器的最新发展状况、现存的挑战和未来展望。     

基于真空断路器与SF6断路器串联的新型混合式高压直流断路器理论分析

提出基于真空断路器与SF_6断路器串联的混合式高压直流断路器新型拓扑结构,在传统强迫过零直流开断的基础上,提出以高压串联晶闸管组件续流支路创造主开关电压零休的思路,进而提高主开关的动态介质恢复强度。分析了新型混合式高压直流断路器的拓扑结构、工作原理、工作过程,得到其电压零休时间的数学描述和动态电压分布协同调控措施。然后基于连续过渡模型和改进Mayr模型搭建了新型混合式高压直流断路器的仿真电路,分析得到续流支路限流电阻、电感、振荡回路参数等对电压零休时间、反向暂态恢复电压的影响规律。     

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.     

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。     

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。     

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。     

多直流馈入系统不同电网分区方式比较

电网分区是提高多直流馈入系统稳定性能的有效途径,为研究不同电网分区方式对实际电网性能的提升效果,以广东电网2030年规划方案为例,将传统直流分区、柔性直流分区和动态分区三种方式应用于实际电网,分别针对单通道和双通道互联方案,从多直流落点有效短路比、交流故障对直流的影响和短路电流控制水平三方面对不同电网分区方式下的电网性能进行了计算和比较。结果表明：不同分区方式对实际电网性能影响不同。柔性直流分区方式在多直流落点有效短路比、交流故障对直流的影响和短路电流控制水平3方面表现更好;动态分区在控制短路电流水平方面具有一定的作用;传统直流分区方案能够有效减小短路电流水平,同时也能够限制交流故障下发生换相失败直流的最大数量。对于广东电网的规划方案,双通道互联方案下的柔性直流分区方式对系统性能提升效果最为明显。     

大规模交直流电网电磁暂态数模混合仿真平台构建及验证：(一)整体构架及大规模交直流电网仿真验证

随着中国特高压交直流电网快速发展,交直流、多直流之间相互影响加剧,电网安全运行面临严峻挑战,对仿真工具的性能提出了更高的要求。对接入实际直流工程的控制保护装置进行数模混合仿真是当前对大规模交直流系统动态特性进行仿真所采用的较为准确的仿真手段。文中在原有数模混合仿真技术基础上,提出了适用于研究大规模交直流混联电网运行特性的新一代数模混合仿真平台构建方案。该方案以大规模电磁暂态实时仿真软件HYPERSIM和超级并行计算机SGI为数字仿真核心,接入全部在运直流工程的控制保护装置及其他类型电力电子控制保护装置,解决了大规模特高压交直流电网高精度仿真试验研究的难题,并且实现了同时接入8回直流工程控制保护装置、电磁暂态仿真规模超过6 000节点的数模混合实时仿真。通过对实际电网故障的反演和结果对比,验证了所构建仿真平台方案的有效性。     

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。     

混合直流系统中直流侧故障暂态电流的解析表达与故障特性的研究

由基于线性换流器高压直流输电系统(LCC-HVDC)和基于电压源换流器高压直流输电系统(VSC-HVDC)共同构成的混合直流输电系统,其故障特性与传统直流输电系统不同。针对此问题,对混合直流输电系统中直流侧故障暂态电流特性进行了研究。首先建立了送端电网采用LCC型换流站、受端电网采用VSC型换流站的两端混合直流输电系统,利用拉普拉斯变换定理推导了直流侧故障时的等效电路,解析了LCC侧和VSC侧直流故障电流简易表达式。其次,在简易表达式的基础上,充分考虑送端LCC侧换流站的触发角动态变化过程和受端VSC侧换流站交流电流的馈入,进一步解析了两侧精确的故障电流表达式。然后,从故障电流幅值、谐波等方面对比分析了三种高压直流系统中直流侧故障电流的变化特征。最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提故障电流解析表达式的正确性。