混合式高压直流断路器开断过程整机应力特性研究北大核心CSCD

混合式高压直流断路器开断短路电流过程复杂,导致开断过程中设备所承受的应力同样较为复杂。为明确其在开断过程中所承受的分断应力,有效指导混合式直流断路器的设计和试验,有必要对断路器整机应力特性进行研究。依据断路器动作时序将其开断过程细分为3个阶段,提出计及交流侧影响的整机分断应力计算方法。通过PSCAD仿真系统构建了混合式高压直流断路器及柔直电网模型,对电流应力、电压应力和耗散能量等进行了仿真分析,结果表明,所提计算方法可较为准确的获得各支路分断应力。研究结果可为混合式直流断路器及直流电网参数设计提供参考。     

柔性直流电网用混合式高压直流断路器特征参数提取及应用

在半桥型模块化多电平换流器联合混合式高压直流断路器构建的柔性直流电网中,直流断路器特征参数与直流系统配置参数之间存在紧密关联。特征参数是系统能力投射到断路器上的外在表现,一方面反映系统的出力水平,另一方面反映断路器承受最苛刻整机应力能力。特征参数提取是实现混合式高压直流断路器在柔性直流电网中工程应用的理论基础。该文在对混合式高压直流断路器应用、原理、工况理论分析的基础上,提取混合式高压直流断路器五种特征参数,并揭示各参数之间的数学联系,论证各特征参数的具体影响。建立的系统级混合式高压直流断路器PSCAD/EMTDC运行数字仿真电路验证了特征参数提取与其影响效果的正确性。实施的200k V断路器整机分断试验结果验证仿真电路和数学分析的准确性。该文结论能够有效指导混合式高压直流断路器的设计与应用。     

混合式直流断路器合成开断试验方法及等效研究

国际上已开发出多种混合式高压直流断路器,并完成工程应用,其在多端和直流电网应用前景广阔。短路电流开断能力是直流断路器的核心性能,而直流开断过程同时存在大电流、高电压和强能量,造成在试验室中等效复现开断应力极为困难。国际上至今尚未形成统一的等效开断试验标准,试验容量与等效性关系也缺少理论研究和定量分析。该文基于混合式直流断路器开断原理,提取开断过程分阶段等效应力,揭示试验容量与等效性数学关系,奠定试验电路参数设计及等效分析的理论基础。进一步提出双频电流源合成开断试验方法,完成关键等效应力数学解析与试验电路参数最优设计,开展试验应力仿真验证及等效性对比分析。研究表明,双频电流源合成等效试验方法可实现混合式直流断路器开断电应力全等效,技术经济性良好,对开断试验装置开发及标准制定具有指导意义。     

IGBT串联阀混合式高压直流断路器分断应力分析

混合式高压直流断路器分断操作是体现断路器本质特征的核心功能。断路器分断故障大电流这一暂态过程中产生的应力是断路器电气特性研究的重点。应力分析是断路器电气、结构和试验系统设计的理论基础,其相关研究尚属空白,需要进行全面详细的解析。该文首先在断路器拓扑结构和分断运行分析的基础上研究混合式高压直流断路器毫秒级分断全过程和微秒级换流过程相关应力特性,并论述两种时间维度暂态过程之间的联系。然后,建立的断路器PSCAD/EMTDC器件级运行数字仿真电路验证毫秒级分断过程和微秒级换流过程相关应力特性及其影响因子。最后,实施的200kV断路器整机,100kV、50kV断路器单元以及单一电力电子模块分断试验结果验证仿真电路和数学分析的准确性。该文结果可指导IGBT串联阀混合式高压直流断路器电气结构和试验系统的设计。     

混合式高压直流断路器型式试验及其等效性评价

混合式高压直流断路器型式试验的目的是检验断路器的功能性是否满足设计要求。混合式高压直流断路器型式试验设计及试验等效性评价原则展开研究。首先基于断路器工作原理和运行工况并通过断路器PSCAD/EMTDC器件级运行数字仿真模型解析了分断过程和换流过程相关应力特性和影响因子,然后在应力分析的基础上提出了断路器型式试验关键项目,最后提取了混合式高压直流断路器型式试验等效性评价方法的核心,即具备工程实践意义的断路器应力等同关键参数。文中建立了基于整机应力和部件应力核心参数以及核心参数之间独立性和相关性联系的等效性评价方法,该方法能够正确评估断路器型式试验的等效性。     

直流断路器分断试验等效评价标准及其考核方案

直流断路器作为新型电力装备,目前国际上尚无相关的试验标准,其等效分断试验方法有待深入研究。相较于交流系统故障电流存在自然过零点,直流断路器实现直流故障电流分断的关键在于通过自身不同支路间的换流过程,建立起大于直流系统电压的暂态开断电压来抑制故障电流。然而,现有分断试验对于暂态开断电压建立阶段关键部件电压相关应力考核尚属空白。首先,详细分析暂态开断电压建立阶段关键部件电气应力,在明确需要重点考核的应力基础上,提出能够覆盖整个分断过程的直流断路器分断试验等效评价标准。然后,提出分断试验等效系数k,并根据系数k对现有分断试验电路参数进行设计,在复现所提等效标准的同时,提高试验的经济性及可行性。最后,按照所提参数设计方法,针对50kV断路器单元进行分断实验验证,实测等效电容电压与仿真预期误差为0.36%,证明试验电路参数设计方法的正确性。所提直流断路器分断试验等效评价标准解决了现有分断试验应力考核不完善的问题;分断试验电路参数设计方法可为“100%”复现所提关键应力提供经济、可行方案。     

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。     

混合式高压直流断路器暂态分断特性及其参数影响分析

混合式高压直流断路器(DC Circuit Breaker, DCCB)的本质是分断故障电流。分断暂态过程中的电气参数是决定断路器分断性能的核心所在。在分析DCCB拓扑结构的基础上,将断路器分断暂态过程划分为三个阶段。通过建立带DCCB的直流电网故障等效电路和断路器分断各暂态阶段的系统级等效电路,来分析分断过程中断路器自身的暂态特性。将断路器自身参数与直流系统参数联合起来,分别对断路器的两次换流过程进行详细分析。建立了断路器分断电流、暂态电压和开断时间的数学模型,推导断路器分断全过程中的分断电流以及最大暂态电压的计算表达式,并分析了断路器参数对分断性能的影响情况。利用PSCAD/EMTDC软件,搭建系统级混合式DCCB仿真模型,验证了所建立的断路器暂态模型的正确性及参数选取对断路器开断性能的影响。     

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。     

用于VSC-HVDC的混合式高压直流断路器运行试验方法

混合式高压直流断路器是直流成网的核心设备之一,为验证直流断路器设计的合理性和正确性,准确反映直流断路器电、热与机械等性能,需要对高压直流断路器运行试验进行研究。该文以交流断路器、换流阀等同类产品的试验标准作参照,对高压直流断路器的运行试验项目进行了研究。首先介绍了运行试验所用试验回路的工作原理,并对各个时刻相关设备的工作状态进行了分析;然后以83 k V样机为试品成功完成了运行试验,为将来进行更高电压等级的高压直流断路器运行试验提供参考。     

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。     

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。     

适用于高压直流断路器的多断口串联高速机械开关同步性研究

多断口串联的高速机械开关作为混合式高压直流断路器的重要组成部分,其多断口间的同步性对高压直流断路器的开断性能有着重要影响。对多断口高速机械开关的拓扑结构和工作原理进行了研究,分析了操动机构的线圈参数、储能电容、环境温度、充电电压、控制系统等因素对同步性的影响规律,并提出了通过控制线圈内阻、储能电容值偏差和工艺等措施保证断口间的同步性。在此基础上,对张北多端柔性直流工程535 kV混合式高压直流断路器用高速机械开关的同步性进行测试,测试结果表明各断口的分散性在 ±0.2 ms内,为高压直流断路器的可靠开断提供了保证。     

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。     

Key stress extraction and equivalent test method for hybrid DC circuit breaker

Firstly, relevant stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process of hybrid HVDC circuit breaker are studied in detail on the basis of the analysis for the application environment and topological structure and operating principles of hybrid circuit breakers, and key stress parameters in transient state process of two time dimensions are extracted. The established digital simulation circuit for PSCAD/EMTDC device-level operation of the circuit breaker has verified the stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process. Then, equivalent test method, circuits and parameters based on LC power supply are proposed on the basis of stress extraction. Finally, the results of implemented breaking tests for complete 200 kV circuit breaker, 100 kV and 50 kV circuit breaker units, as well as single power electronic module have verified the accuracy of the simulation circuit and mathematical analysis. The result of this paper can be a guide to electrical structure and test system design of hybrid HVDC circuit breaker.     

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。     

双电容混合型直流断路器

在混合型直流断路器的基础上采用电流转移法,针对高压直流系统短路故障问题提出了一种双电容混合型高压直流断路器的拓扑模型。不仅能让高速机械开关在零压零流的条件下安全无弧分断,附带自充电功能,而且可以大幅度降低单电容直流断路器分断时的反向充电电压,从而缩短了拓扑运行时间。对拓扑运行中的各个临界阶段进行数学公式推导,通过仿真验证数学推导结果的正确性。分析结果表明,该拓扑模型可以实现上述各功能,具有一定的可行性。     

基于低能量直流的真空断路器短路开断能力评估

针对目前真空断路器无法在现场进行短路开断能力评估的问题,提出一种利用低能量直流对真空断路器短路开断能力的评估方法。首先分析真空断路器的基本结构和电弧开断原理,得出工程实践中真空断路器开断故障电流失败的原因;其次使用小容量直流高电压、直流大电流模拟真实情况,在断路器触头间注入可控的直流电流和直流电压,通过检测断路器分闸过程电气量变化时间来评估断路器的极限开断能力。对安徽某变电站VS1-12真空断路器进行现场测试,结果表明低能量直流法能有效评估真空断路器短路开断能力,适合现场对断路器短路开断能力的筛查评估。