电容式直流断路器研究综述

电容式直流断路器在直流电网的应用前景广阔,是目前的研究热点。首先,根据电容的初始状态,将电容式直流断路器分为非预充电型和预充电型;开断电流时,这2种类型的直流断路器分别采用增大主通路阻抗的方式和电容主动放电的方式将系统电流由主通路转移到电容支路。然后,评述了几种典型的电容式直流断路器拓扑和工作原理,对不同直流断路器的快速机械开关分闸模式、运行损耗、快速重合闸能力、预充电方式、小电流开断速度和预转移能力等主要运行性能作了对比分析。最后,给出了电容式直流断路器的相关研究建议。     

新型组合式直流断路器拓扑及其性能分析

基于强迫换流原理的混合式直流断路器具有速动性良好、可低损耗经济运行的优点,但应用于大规模的柔性直流电网时造价高、经济性差。组合式直流断路器的拓扑,通过在换流站对应的每条母线上仅采用一个昂贵的主断部分,可以有效降低断路器的一次造价,但现有的组合式断路器在任一线路故障动作时存在主断开关接地过程,同时不具备对快速机械开关的失灵保护功能。为此,提出一种新型的组合式直流断路器拓扑,分别分析了其在正常运行时分闸、合闸,线路故障时分闸、重合闸与快速机械开关失灵时动作过程的工作原理,同时对新型组合式直流断路器拓扑的可靠性、适应性等问题进行了分析并给出相应的应对策略。最后在PSCAD/EMTDC软件上对所提组合式断路器的性能进行了仿真分析与验证。     

一种适用于直流电网的阻容型混合式限流器

针对直流电网采用直流断路器进行故障隔离的优势和挑战,介绍了直流限流方案的研究现状。当模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)直流侧发生双极短路故障时,故障电流在两三个毫秒内上升至额定电流的十几倍甚至几十倍,由于直流断路器有一定的动作延时,因此有必要在直流回路中设置限流器。对发生上述故障时限流器的运行参数进行了分析,利用混合式通流支路通态损耗低、动作速度快,以及阻容型元件能平滑限流器电压上升速率的特性,提出了一种适用于直流电网的阻容型混合式限流器,分析了该限流器的工作原理和内部开关电压应力情况。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了四端直流电网模型及所提的限流器模型,仿真结果表明采用所提限流器能够降低故障电流、缩短保护时间,验证了理论分析的正确性和限流方案的可行性。     

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。