配电网用全固态混合式直流断路器研发

直流配电网以其控制灵活、稳定性高、电能质量好等优点,成为了未来配电系统的发展趋势。直流断路器作为直流配电网的保护设备,对于直流配电网的稳定性、安全性有着重要意义。提出了一种在直流配电网中应用的全固态混合式直流断路器方案。该断路器由三条支路构成,其主通流支路由晶闸管串联IGBT构成,转移支路由压接式IGBT构成,能量吸收支路由避雷器构成。对该断路器方案进行了仿真验证,并开发了10kV/1kA试验样机以及相关试验平台。试验样机在10kV和7.5kV电压等级下分别成功开断2kA和5kA短路电流。样机在10kV电压额定通流下效率大于99.94%。     

计及直流变压器控制的多电压等级双极直流配电网线性化潮流计算

多电压等级双极直流配电网供电容量大、运行方式灵活,已成为未来配电网发展方向。但其网络拓扑复杂,正负极相互耦合,且受直流变压器控制影响,使其潮流计算难度增大。为研究计及直流变压器控制的多电压等级双极直流配电网线性化潮流计算方法,该文首先计及双极直流变压器拓扑结构与控制方式,建立其高低压侧电压、电流传递模型;通过分解双极直流配电网络,提出双极直流配电网网络建模方法,同时建立ZIP负荷线性化等效模型,进而形成多电压等级双极直流配电网潮流计算方法。最后,在Matlab/Simulink中搭建含直流变压器的双极直流配电网案例仿真模型,验证所提算法的有效性与正确性。     

基于电压补偿的双端直流配电网电压就地协调控制

双端直流配电网是一种双端电源供电的网络结构,可为直流负荷提供更加稳定和可靠的电源电压。然而,负荷的功率波动和不平衡使线路电压跌落增大,可能导致直流负荷的电压不平衡度和电压偏差指标越限,影响直流负荷的正常运行。文中基于电压源型换流器(VSC)外环电压控制,考虑中线电压补偿,提出基于电压补偿等效模型的直流配电网电压偏差及不平衡度联合抑制策略,实现直流配电网电压就地协调控制。首先,建立双端直流配电网潮流模型,将VSC电压下垂控制引入潮流模型,分析不同控制策略下的电压偏差和不平衡度的特性。其次,在此基础上,以电压最低点为分点获得双端电源供电回路压降的简化等效模型,并利用最小二乘法实现等效阻抗参数辨识,构建双端直流配电网的电压补偿等效模型。以参数辨识结果作为电压外环控制输入,提出考虑中线电压补偿的双端直流配电网电压就地协调控制策略。最后,在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,验证了双端直流配电网潮流模型的正确性和控制策略的有效性。     

含潮流控制器的多端柔性直流配电系统协调优化

当多端柔性直流配电系统发生功率扰动、换流站过载或停运时,直流网络的潮流分布将呈现非线性变化,可能导致线路过载或节点电压越限。为此,提出一种换流站与直流潮流控制器(DCPFC)共同参与调节系统潮流的协调控制策略,以各工况下网损和电压偏移最小,建立多目标优化模型。首先,考虑换流站下垂控制的局限性,通过灵敏度法指出DCPFC可减小电压偏移。然后,提出了含DCPFC的多端柔性直流配电系统最优潮流(OPF)模型,自适应修正下垂系数与DCPFC的控制参数。最后,推导了各工况下网损与电压偏移的解析表达。对四端柔性直流配电系统的仿真结果证实了所提控制策略的有效性。     

全固态直流断路器在低压直流配电系统中的应用

直流断路器是直流配电网安全运行和保护的关键设备,本文围绕直流断路器在低压直流配电系统中的应用开展研究,研制出一种全固态直流断路器样机。首先以深圳低压直流配电动模平台为例,分析了典型低压直流配电系统对断路器的参数要求,明确直流断路器在动模平台保护系统中的作用和安装位置。同时,结合系统要求选取直流断路器的主要参数,选定断路器为全固态开关拓扑,在此基础上设计了吸收支路和通信模块,制定了直流断路器响应主控系统的软件动作流程。进而研制出具有实用价值的±380 V低压配电直流断路器样机,并进行了相关测试,验证了断路器设计和保护方案的正确性。     

基于IGBT串联技术的10kV固态直流断路器研制

直流断路器作为未来基于电压源换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统组网的关键设备,可以在出现短路故障时快速切断故障电流并使故障部分退出运行,避免停运整个直流系统。提出了一种适用于柔性直流输电系统的固态直流断路器技术方案,建立了IGBT串联的固态直流断路器仿真模型,研究了IGBT栅极电阻、拖尾电流和门极电荷等差异对IGBT串联均压特性的影响。仿真结果表明,静态和动态均压电路可有效改善IGBT间的均压效果。最后搭建了10个IGBT串联的直流断路器样机及实验回路,并完成了直流母线电压10 kV、峰值电流5.1 k A的关断实验,验证了基于IGBT串联技术固态直流断路器方案的可行性。     

基于PMOS的自取电直流固态断路器

相比传统机械式断路器，固态断路器(solid-state circuit breaker,SSCB)以其分断速度快、不产生电弧等优点，在直流电网中得以广泛关注。然而，固态断路器基于半导体开关器件，除功率电路外还需要额外的控制和驱动电路，这部分电路工作需要外接供电电源，提高了系统复杂程度，特别是在电网自身故障时，供电电源也可能不稳定，降低了固态断路器的可靠性。为此，提出了一种基于PMOS的自取电直流固态断路器，并分别通过仿真与实物样机证明了本固态断路器的可行性与有效性。实验结果表明，所提固态断路器在正常导通时，PMOS处于完全开通状态，不影响线路正常工作时的电压；在直流系统发生短路故障时，利用短路电流耦合能量在无需额外供电电源的前提下使得PMOS可靠关断，提升了系统的稳定性与可靠性，可以应用于直流微电网或者电池储能等场合，具有较好的应用前景。     

一种含有均压均流电路的限流式高压直流断路器

针对混合式直流断路器电力电子器件依靠燃弧电压导通,极易出现过压过流等问题,提出了一种新型限流式直流断路器拓扑,设计了其固态开关的均压均流电路,并对其进行建模分析。所提出的拓扑在断路器正常运行时无额外损耗,在短路故障发生时可以无延时地导通固态开关,并快速切断短路电流,其均压均流电路在不影响故障切除的同时能有效均衡各电力电子器件的电压电流。最后对所提拓扑在PSCAD/EMTDC软件平台上进行建模仿真,结果表明提出的新型限流式直流断路器能够在短路故障发生时有效限制短路电流上升,快速切断故障,并可靠地保护固态开关。     

多端直流的交直流配电网潮流计算

传统的交直流潮流计算方法主要用于输电网计算,而交直流配电网需要考虑交流网侧三相不平衡和直流网侧分布式电源低压多端直流接入等问题。针对这一问题,提出了一种考虑三相不平衡的含多端直流的交直流配电网交替求解算法。(1)对交流系统和换流站三相不平衡建模;(2)计及换流站不同控制方式,推导了直流潮流方程,在其基础上,推导了含DC/DC变换器的直流潮流计算修正方程式,根据DC/DC变换器和换流站控制方式的不同,在交直流潮流计算中提出不同的等效处理方式;(3)通过改进的IEEE 34节点算例进行了仿真验证。仿真结果表明,在多端直流不同控制模式下,所述交直流配电网潮流计算方法处理三相不平衡、分布式电源直流接入等问题具有较好的收敛性能。     

基于连续潮流模型的直流配电网负荷裕度分析

直流配电网由于能灵活接纳分布式电源和直流负荷,是未来智能配电网的发展趋势。随着直流配电网中负荷需求的不断增加,系统会由于静态电压失稳而崩溃。因此,研究直流配电网的负荷裕度对保障系统安全可靠运行至关重要。该文首先建立直流配电网的潮流模型,并将含双有源桥DC-DC变换器的潮流模型嵌入到直流配电网潮流模型中,提出了基于连续潮流法的直流配电网负荷裕度计算方法。通过两类典型的拓扑结构的直流配电网仿真,结果表明直流配电网在减小网络损耗和提高供电能力方面明显优于交流配电网,而且DC-DC变换器变比增加有助于负荷裕度提升。     

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.     

中低压直流配电系统的分散式统一控制策略

中低压直流配电系统由中压直流母线、低压直流母线、直流变压器等组成,具有多电压等级、多直流母线、多变换器的特点,系统的运行方式与协调控制策略更加复杂。文中以中低压直流配电系统为研究对象,提出了一种基于直流母线电压信号的分散式统一控制策略。直流母线上的光伏发电单元、储能单元、燃料电池单元均采用分散式控制策略,根据直流母线电压调整各自的工作模式。直流变压器采用统一控制策略,集功率控制、中压与低压直流母线电压调节功能于一身,直流变压器根据中压与低压直流母线电压偏差的标幺值,自动调节传输功率的大小与方向,从而实现系统的全局功率均衡。最后,在MATLAB/Simulink中搭建了中低压直流配电系统的仿真模型,并对多种运行状态和场景进行了仿真分析,验证了所提控制策略的有效性。     

自适应限流型固态断路器的直流电源设计

为消除常规限流电抗对直流系统运行稳定性和直流断路器断流速度的不利影响,桥式限流型固态断路器实现了兼具自适应故障限流与断流的优异性能,但其桥电路中的直流偏置电源存在无过流保护和电源容量与投资成本相对较高的缺陷。针对桥式限流型固态断路器,文中设计了一种基于三相半波整流电路的直流偏置电源,提出了偏置电源参数选取和电压整定方法,有效减少了电力电子器件数量,实现了偏置电源过流保护电路,降低了偏置电源设计容量和制造成本。样机实验和仿真算例证明了所提出的自适应限流型固态断路器的偏置电源的优势。     

基于电流差动的直流配电网保护方案

针对直流配电网在发生短路故障时,短路电流上升迅速,直流断路器无法快速动作从而切除故障的问题,首先基于三相两电平电压源换流器构建直流配网的电源模块。分析了单端电源向无源网络供电时发生极间短路故障和单极接地短路故障的故障特征,提出了一种低电压保护和电流差动保护联合的保护方案,并且通过投切后备电源提高了供电的可靠性。最后在PSCAD/EMTDC平台中进行了仿真验证,结果表明在直流配网发生短路故障时,该保护能够快速可靠动作,并具有良好的选择性和灵敏性。     

低压直流配电系统结构分析

结合国内外直流配电网的研究现状,对配电系统构架所包含的高压配电母线的供电方式,低压直流配电母线的构成形式,高压配电母线到低压配电母线的连接方式,分布式电源的组织形式及分布式电源和负荷到低压配电母线的连接方式等方面进行了详细分析,并探讨了适合城市低压直流配电网发展的合理电压等级。最后,结合我国现有电网条件,针对城市直流配网的发展方向提出了建议。     

低压直流供电技术研究综述

随着电力电子技术的发展,直流供电技术呈现出技术和经济优势,在能源变革背景下具有很好的发展前景。本文首先对低压直流供电的发展情况和电压等级序列等进行了论述,随后总结分析了直流配电网协调控制、配网保护和电能质量控制等关键技术以及关键设备的研制情况,最后整理了国内外直流供电技术研究与工程应用情况,其中苏州工业园区主动配电网应用示范区是城市能源变革的重要探索。     

换流阀用与直流断路器用压接型IGBT器件差异分析

压接型IGBT器件以其耐受电压高、电流密度大、控制功率低、开关速度快以及双面散热等优势成为柔性直流输电系统中换流阀和直流断路器选用的理想器件。由于应用装备的差异,换流阀和直流断路器对于压接型IGBT器件分别提出了低通态压降和高短路关断能力的要求。分析了换流阀用压接型IGBT器件和直流断路器用压接型IGBT器件外部和内部电流、电压、温度和压力的差异,总结了两种器件应用过程中可能存在的主要失效原因,提出了封装设计中需要重点考虑的技术问题。     

直流配电网的综合调压控制策略

对直流配电网的电压控制策略进行了分析和研究,提出了一种以直流电压偏移最小为目标的新型综合调压控制策略。一次调压采用直流电压下垂控制,实时快速的响应系统内的功率波动,二次调压通过潮流优化算法周期性的计算并更新总直流电压偏移最小时参与二次调压的下垂控制器的电压参考值和功率参考值,消除和减少一次调压引起的电压偏差,防止直流配电网发生较大功率波动时过电压的发生。最后,在Matlab/Simulink上搭建了环状四端直流配电网仿真模型,对所提控制策略进行了仿真分析,验证了所提控制策略的有效性。     

基于级联全桥型直流断路器的直流配电网自适应重合闸方案

柔性直流配电网是配电系统的重要发展方向,可以采用电缆和架空线2种方式组网。鉴于架空线路瞬时性故障多发的特点,基于架空线的柔性直流配电网应配备有效的自适应重合闸方案,以提高供电可靠性。为实现这一目标,从断路器线路端电压与电流的相位差异特征出发,提出一种基于级联全桥型直流断路器控制的自适应重合闸方案。首先,通过断路器转移支路的主动控制产生一定频率的故障检测电压;进而,根据断路器线路端电压电流在对应频率下相位特征的差异,区分瞬时性和永久性故障,并进一步分析了过渡电阻等因素的影响;最后,利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了柔性直流配电网模型,验证了所提自适应重合闸方案的可行性和有效性。