基于零电压零电流的混合式直流断路器

基于IGBT的直流断路器存在导通损耗高、开断过程耗能量大的缺点,传统基于人工过零技术的直流真空断路器难以实现短路大电流的可靠开断。提出了一种综合了“零电压”、“零电流”混合开断原理,同时结合机械开关和半导体开关优点的新型混合式直流断路器方案。该直流断路器能够快速可靠地完成“零电压”电流转移过程,并通过晶闸管短时导通短路电流,确保机械开关弧后介质的可靠恢复,实现断路器的成功开断。样机等效短路电流开断试验结果表明,该新型混合式直流断路器能够用于电力系统配网完成预期10 kV/50 kA短路电流的开断。     

中压混合式直流断路器真空短间隙介质恢复特性EI北大核心CSCD

为指导混合式断路器中真空开关与IGBT的智能配合策略,并提升IGBT的短脉冲开断裕量,对中压混合式直流断路器中真空短间隙的介质恢复特性进行了研究。分析了零电压型中压混合式直流断路器的工作原理,得到IGBT承担电流的时间取决于真空短间隙介质恢复特性的结论,采用等效实验方式搭建了真空短间隙介质恢复特性试验电路,利用脉冲电压测试电流转移完成后真空短间隙的介质恢复特性,研究了开距、电流幅值、电流下降率对真空介质恢复特性的影响。试验结果表明:在电流小于4 kA时,真空短间隙平均介质恢复速度主要由开距和电流下降率决定,并通过数据处理得到了真空短间隙的介质恢复特性的数学描述,为1.5~10 kV电压等级的中压混合式直流断路器快速可靠开断提供设计依据。     

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%。     

共转移支路式混合直流断路器拓扑

针对现有混合直流断路器造价高、难以应用于多端电网的缺陷,提出了一种新型混合直流断路器拓扑。该拓扑采用共转移支路和二极管整流桥相结合的结构,以减少绝缘栅极晶闸管(insulated gate thyristors,IGBT)数量,并在转移支路串联附加电阻以减小故障电流峰值。针对此新型拓扑,该文详细分析了其在多端电网中的开断原理,采用换序电路法建立了故障电路数学模型,构建了故障电流与附加电阻之间的关系表达式。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建新型混合直流断路器仿真模型,结果表明采用共转移支路结构可有效减少IGBT使用数量,转移支路附加电阻可显著提高直流断路器开断容量。     

基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器的开断能力,降低半导体器件的使用成本,提出了一种基于串联晶闸管强迫过零关断技术的具备双向开断能力的混合式直流断路器拓扑方案。在分析关断过程的基础上,推导了串联晶闸管阀与二极管阀组件反向恢复过程中均压回路的参数设计方法,然后以10 k V样机为例,开展了主支路和转移支路器件选型与参数设计,并搭建了10 k V直流断路器原理样机及其实验回路。研究结果表明：正常运行时,主支路由机械开关和少量的全控型半导体器件串联构成,其损耗较小;在开断电流时,故障电流首先转移至晶闸管阀支路,再通过放电回路注入反向电流迫使晶闸管阀过零关断,最后通过耗能支路吸收系统感性能量。原理样机实现了直流电压10 k V下短路电流峰值为8.8 k A的过零快速关断、且开断时间小于3 ms;转移支路可通过调整半导体器件的串联数量和选型大幅提升直流断路器的电压等级和故障电流耐受能力;串联二极管阀能在大电流关断暂态过程中抑制晶闸管器件的反向恢复过电压,降低晶闸管器件的损坏风险;在混合式直流断路器的换流和关断阶段,无需针对串联的晶闸管器件调整触发时间与匹配参数。综上所述,所提出的混合式直流断路器具有快速直流短路故障清除能力,可以作为未来柔性高压直流输电系统组网的工程实施方案之一。     

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。     

城市轨道交通1 800 V高速混合式直流断路器研制

为解决城市轨道交通直流牵引系统短路故障电流上升率高、短路峰值大、难以快速开断的问题,设计了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,并提出了其高速开断策略。高速混合式直流断路器整体方案选用零电压型混合式直流断路器拓扑结构,采用快速斥力机构提升断路器响应速度,重点对真空电弧电流转移特性、真空短间隙介质恢复特性与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)短脉冲开断裕量等关键基础特性进行研究,得到上述关键特点的影响规律,基于此提出了混合式直流断路器高速开断策略和算法。研制了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,进行了初步实验验证,研究结果表明,高速开断策略可实现全分断时间小于2 ms,并通过理论推导得到IGBT短脉冲开断裕量可以达到5倍以上。     

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。     

机械式真空直流断路器弧后电流测量研究

机械式直流断路器弧后特性是表征其开断性能的重要参数.为获得直流开断过程中真空开关弧后电流峰值与时间、电流零点附近的di/dt、du/dt等影响规律,该文首先分析基于电流转移的机械式真空直流断路器弧后电流测量原理,设计机械式真空直流断路器弧后电流测量装置参数,搭建基于强迫过零方式的机械式直流开断实验平台,测量开断电流为1.5kA情况下机械式真空直流断路器弧后电流,讨论换向频率和恢复电压对弧后电流的影响.研究表明,基于电流转移的弧后电流测量装置可以有效测量弧后电流,弧后电流随着换向频率和恢复电压的增大而增大,恢复电压在相位上稍滞后弧后电流约100ns,且换向频率对弧后电流的影响大于恢复电压的影响,为断路器开断性能的优化研究提供了参考.     

10kV自然换流型混合式直流断路器中真空电弧电流转移特性研究

围绕应用于?10kV直流配电领域中的自然换流型混合式直流断路器的电弧电流转移特性展开研究。开断过程中,机械开关支路在没有辅助换流装置的情况下,需要在真空电弧电压的作用下实现电流向主关断支路的转移。文中建立了真空电弧电流转移的数学模型,确定了电弧电压、转移回路电感电阻参数、电力电子支路的导通压降是影响真空电弧电流转移的主要因素。实验方面首先对具有不同触头结构及材料的真空灭弧室进行了电弧电压测量,实验表明真空电弧电压可以同电力电子支路进行配合;在此基础上,采用IGBT作为电力电子支路开关,进行真空电弧电流向电力电子支路的转移实验,并研究了回路电感电阻参数对于转移特性的影响;最后,设计实现了10kV自然换流型混合式直流断路器,并对开断进行了实验:真空灭弧室电弧电流在1.5ms内完全转移到电力电子支路,关断电流3.6kA、关断过电压21.4kV,验证了该方案的可行性。     

混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。     

适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC

柔性直流电网对价格高昂的高压大容量直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)的需求限制了其发展与应用。论文提出了适用于直流电网的故障电流主动转移型低成本直流故障隔离方案,对半桥型模块化多电平换流器进行局部改造,使其在具备主动转移故障电流辅助分断故障线路的同时,降低了换流器桥臂子模块内器件的过流程度与过流时间,提高子模块内器件的可靠性。随后阐述了故障电流主动转移方案的工作原理,并对各阶段的故障电流与新增模块内IGBT的电压应力进行理论分析。最后,利用PSCAD/EMTDC进行仿真验证,并将论文方案与混合式DCCB方案的器件使用量进行对比,可知论文方案在换流器出线数目较多的场合具备一定的经济优势。     

一种简单的IGBT驱动和过流保护电路

讨论了IGBT驱动电路对其静态和动态特性的影响以及对驱动电路与过流保护电路的要求。利用IGBT的通态饱和压降与集电极电流呈近似线性关系的特性,设计了一个具有完善的过流保护功能的IGBT驱动电路。经分析和实验表明,该电路具有简单、实用、可靠性高等优点。     

蓄电池放电DC／DC直流变换保护电路的设计

主要介绍了一种新型的单相有源逆变蓄电池回馈放电装置的第一级变换电路——DC／DC直流变换保护电路的设计方法,DC／DC变换电路具有IGBT过流、过热、输入过压、输入欠压、输入过流、直流过压等多种保护类型,对从事蓄电池放电技术研究的工程技术人员具有较高的参考价值。     

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。     

一种馈能式IGBT串联动态均压电路

在分析绝缘栅双极晶体管（IGBT）动态电压分布机理的基础上,针对IGBT集-射极电压斜率不同引起电压不均衡问题,提出一种集-射极电压斜率变化的馈能式动态均压电路.该电路具有快速性好、损耗小、可靠性高等优点.通过建立IGBT串联仿真电路,对该动态均压电路进行仿真验证.结果表明,该动态均压电路在IGBT串联运行时不仅能够很好地抑制因IGBT集-射极电压斜率不同步造成的电压不均衡,而且能够有效防止过电压的发生,确保了IGBT串联的安全运行.     

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。     

新型强迫换流型限流断路器真空介质强度的恢复特性

为了保证新型强迫换流型真空直流限流断路器关断短路电流的可靠性,对该型断路器分断过程的真空介质恢复特性进行研究。设计了与断路器关断过程等效的介质恢复试验方案,通过等效试验结果和理论推演公式的拟合,得到了新型强迫换流型限流断路器真空灭弧室触头打开过程的动态介质强度恢复规律。研究结果表明:减小燃弧能量、提高触头运动速度可提高真空灭弧室介质的临界击穿电压;综合考虑燃弧时间与燃弧能量及触头开距的关系,随着燃弧时间的增加,真空灭弧室临界击穿电压先减小后增大。所得介质恢复规律可以作为新型断路器优化设计的参考依据。