基于电容换流的限流式直流断路器

随着柔性直流输电技术逐渐扩展到架空线输电场合,故障线路的快速识别和隔离显得尤为重要。相比于电缆线路,架空线输电易发生短路、闪络等瞬时故障,必须采取相应措施隔离故障线路,避免系统停运。直流断路器作为隔离故障线路的核心设备受到了国内外的高度重视。简要阐述了现有混合型直流短路器的研究现状,在已有直流断路器技术方案的基础上提出了一种新型混合型直流断路器拓扑。该断路器通过限流电感可有效抑制短路电流幅值,依靠电容缓冲作用,避免了大数量级IGBT串联的同步驱动及均压问题。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了四端对称双极柔性直流电网模型,仿真验证该直流断路器可满足高压直流电网快速切除故障线路的需求。     

VSC-HVDC系统中IGBT的开路故障特性分析

为了分析研究IGBT开路失效故障对于两电平柔性直流输电系统(VSC-HVDC)造成的危害,首先建立了单侧电压源换流器的IGBT开路故障仿真模型,分析研究了三相交流电流的畸变特性。然后搭建了柔性直流输电系统的IGBT开路故障仿真模型,理论证明了IGBT开路故障情况下系统交流电流、直流电压、直流电流的波形变化规律,并在此基础上提出了一种基于三相交流电流的IGBT开路故障诊断方法。最后给出了柔性直流输电系统IGBT开路故障的实验结果。仿真实验结果和理论推导均表明:当系统发生单只IGBT开路故障时,送端换流器和受端换流器交流电流都包含直流分量,但相比其他相,故障相的交流电流直流分量幅值最大,同时系统直流侧电压、电流都包含基频波动分量。     

一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器

当柔性直流电网中的直流线路发生短路故障时,混合式直流断路器可以快速切断故障电流,从而实现故障隔离。然而,传统的混合式直流断路器的主断支路需要串联大量的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT),使得经济成本较高,并且现有的混合式直流断路器多不具备故障性质判别能力。为了解决混合式直流断路器的成本高以及盲目重合闸问题,该文设计了一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器。该断路器通过预充电电容电压与避雷器动作电压配合,降低了避雷器的动作电压,从而减少了避雷器两端并联的IGBT数量。此外,该断路器利用永久性故障和瞬时性故障情况下充放电支路中电流幅值的差异,实现了自适应重合闸。该文首先介绍了所提混合式直流断路器的拓扑结构及工作原理,然后对故障发展过程进行分析计算并给出了断路器元件参数和数量设计的方法,最后在PSCAD/EMTDC中搭建了四端柔性直流输电系统进行仿真验证,并与现有相关方案进行了性能与经济性对比,表明了该文方案具有较好的综合性能。     

IGBT串联均衡控制方法及其高压直流装备应用可行性研究

大功率电力电子技术一般通过器件或模块串联实现高电压耐受,在常规高压直流和早期柔性直流输电换流器中,采用了晶闸管或IGBT直接串联技术。而基于模块级联的换流器技术因具备高扩展能力,成为目前柔性直流输电主流路线,同样也应用于高压直流断路器等设备中。首先,对IGBT器件直接串联的技术进行探讨;然后,分析串联IGBT开关组件在柔性直流输电、高压直流断路器等场合应用的方式,提出对应的设计方案;最后,对设计方案进行分析计算。研究结果表明,在现有的基于级联模块的高压直流断路器设备中,通过采用IGBT直接串联组件,可以有效地降低其体积和成本,但对于柔性直流换流器,该方案没有显著的提升效果。     

柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案

基于柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决中国新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一,而高压直流断路器是构建直流电网的核心设备之一。从多端直流系统发生直流侧短路故障的机理及故障电流的发展趋势入手,以舟山5端柔性直流输电工程为例,分析了发生最严酷短路故障时,直流母线上故障电流的特性,基于分析结果提出了直流电网对直流断路器的需求;结合对现有直流断路器技术路线的对比分析,提出了一种适用于柔性直流输电网的新型快速直流断路器技术方案,并通过仿真分析验证了所提出的新型直流断路器能够满足柔性直流输电网快速切除故障电流的需求。     

一种限流式混合直流断路器方案

直流输电与交流输电相比,具有线损低、不存在系统同步运行稳定性问题等一系列优点。近年来,随着电压源型高压变流器等技术的迅速发展,柔性多端高压直流输电系统、直流输配电网以及直流断路器等关键技术与装备的研究受到了国内外的高度重视。文中简要阐述了机械式、全固态与混合式3类直流断路器的拓扑结构、工作原理、优缺点及国内外研究现状,指出高压直流断路器应以混合式为主要发展方向;提出一种限流式混合直流断路器方案并仿真验证了其可行性,该方案采用全/半控器件串联构成固态开关再与机械开关并联的混合开关结构及故障限流技术,可有效抑制直流短路电流上升率,降低故障判断灵敏性与机械开关速动性的要求,减少高压应用场合下固态开关器件的串联数量(特别是绝缘栅双极型晶体管等价格昂贵的全控型器件),从而降低装置工程化实现的技术难度及其体积与成本。     

一种配网级联式固态直流断路器的拓扑设计

直流断路器作为直流配电网的保护设备,对直流配电网的安全稳定运行有着重要的意义。本文提出了适用于直流配电网的级联模块式固态直流断路器拓扑设计方案,所提方案的拓扑结构通过引入接地续流二极管组,减轻避雷器吸收能量的压力,加快电流分断的速度;转移支路采用级联模块式的结构,解决了串联大量IGBT的动态均压问题。基于所提的拓扑设计了10 kV直流配电网的直流断路器模型,在PSCAD/EMTDC中进行了验证,并与其他文献的方案进行对比分析,结果表明:基于所提的方案的固态直流断路器最大开断电流为5 kA,最快切除故障电流时间为2.96 ms,避雷器吸收能量的时间为1.24 ms,吸收的能量较其他方案减半,符合直流断路器设计的要求。本文的仿真结果验证了该方案的可行性。     

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。     

一种含卸能电阻的直流断路器的参数设计及性能分析北大核心CSCD

为了防止柔性直流输电系统在双极短路故障下过大的短路电流损坏输电系统,且考虑到过大的短路电流也会损坏断路器的避雷器,文中提出了一种可开断故障电流且有效减小避雷器吸能的直流断路器。利用PSCAD搭建了含卸能电阻的直流断路器模型和三端±350 kV柔性直流输电系统模型。在双极短路故障下,通过仿真对比分析了此模型与理想直流断路器模型和不含卸能电阻的直流断路器模型的区别。文中发现,含卸能电阻的直流断路器与理想直流断路器相比更容易切断故障电流,与不含卸能电阻的直流断路器相比有效减小了避雷器吸能。并且,通过仿真分析了使用不同参数的直流断路器的系统直流侧电流、电压波形,从而优化含卸能电阻的直流断路器的参数。     

不同结构压接型IGBT器件压力分布对比

柔性直流输电技术的不断发展对应用在柔性直流输电系统中的绝缘栅双极晶体管（IGBT）器件提出了更多的要求。压接型IGBT器件因符合柔性直流输电系统等领域高电压、大电流以及高功率密度的发展需求而得到重视,易于串联的特性使其非常适用于高压应用领域。目前以WESTCODE、TOSHIBA公司为代表的凸台式封装结构和以ABB公司为代表的弹簧式封装结构的2种压接型IGBT器件已成功应用到柔性直流输电工程中。基于有限元法建立了2种压接型IGBT器件的仿真模型,分别针对器件2种不同工况（正常加压未工作和正常工作状态）对比分析了其内部的压力分布。仿真结果表明,2种结构的压接型IGBT器件在正常加压状态下压力分布均比较均匀,由于弹簧结构的存在使得弹簧式压接型IGBT器件在正常工作状态下压力分布更为均匀。最后基于仿真分析,对压接型IGBT器件的结构优化提出了可能的解决方案。     

IGBT模块直接串联电压均衡驱动控制技术

高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块直接串联技术是实现柔性直流输电、高压直流断路器等高压大功率控制设备的一个重要基础,其中最难解决的是串联IGBT模块之间的电压均衡问题。文中分析了电压不平衡的机制,得出了实现电压均衡的关键在于解决断态电压不平衡和关断电压不平衡问题,门极侧均衡控制方法是较好的解决手段。对基于有源电压控制技术的驱动设计和基于延时补偿的控制策略进行了探讨,并分别采用在有源区对关断波形进行跟随控制和补偿IGBT器件间关断延时的方法,有效实现了串联器件的电压均衡。最后,通过6只3 300V/1 200AIGBT模块直接串联的阀段脉冲和基于该阀段的三相换流阀运行测试,对这两种方法进行了验证,所述方法获得了较好的电压均衡效果。     

直流断路器半导体组件内母排电感对并联IGBT关断特性的影响及其结构优化

大功率绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)混合式高压直流断路器是适应多端柔性直流输电工程发展的关键装备,优化断路器半导体组件内IGBT故障大电流的关断特性进而确保器件安全可靠运行是断路器工程的重要部分。文章围绕组件内杂散电感对IGBT关断瞬态电压峰值、关断损耗和并联IGBT间关断动态均压、均流特性的影响,对组件的母排结构进行了优化设计。通过实验和仿真对比研究可得:采用将2组缓冲RCD分散、对称布置于并联IGBT两侧的方式设计的母排结构可更大程度优化并联IGBT的关断瞬态特性,但采用将单组缓冲RCD布置于并联IGBT中间的方式可在满足器件安全可靠运行条件的同时提高经济性,更适合工程应用。该研究结论可为基于并联IGBT的直流断路器组件中母排结构设计及优化提供技术指导。     

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。     

电压源换流器中IGBT串联动态均压新方法

由动态电压不均衡引起的器件击穿致使串联失败是串联的关键问题。传统无源缓冲电路是以牺牲绝缘栅双极晶体管(IGBT)快速性换取电压均衡,IGBT损耗大。建立功率端与驱动端反馈的新型剩余电流动作保护器(RCD)动态均压电路替代传统无源缓冲电路,对电路的均压效果和串联IGBT开关损耗进行仿真分析。试验验证了该动态均压电路在IGBT串联运行时能很好地抑制其驱动信号不同步造成的动态电压不均衡,确保了电压源换流器的安全运行。     

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%。     

Fault Ride-Through Capability Enhancement of VSC HVDC connected Offshore Wind Power Plants

To achieve active control of the AC voltage magnitude of wind power plant(WPP) collector network and improve the fault ride-through (FRT) capability,an FRT scheme based on feed forward DC voltage contr...     

一种新型限流式高压直流断路器拓扑

首先简要回顾了直流断路器的国内外研究现状及优缺点,在此基础上提出了一种带有限流功能的高压直流断路器拓扑。该拓扑采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为主开关器件,具有断路、限流等功能,并具有通态损耗小、关断电流大、电压等级高的优点;可灵活配置支路数量以调节每个支路的工作电流及故障下的限流效果,进而避免或减少大容量场合下IGBT的直接并联。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果表明该断路器具有良好的限流、断路性能,故障电流上升率及峰值相比于现有方案得以明显降低,验证了理论分析的正确性和方案的可行性。     

固态断路器多IGBT串联混合均压电路设计

固态断路器需多IGBT串联切断短路故障电流,针对多IGBT存在电压分配不均、局部电压过高、损耗大等问题,提出一种混合式均压控制电路拓扑结构。分析固态断路器多IGBT均压影响因素,研究均压拓扑性能。优化缓冲电路结构,改进充放电型缓冲电路,减小损耗;引入双阈值钳位控制电路,改善IGBT过电压;提出被动均压与辅助反馈主动均压结合的混合均压控制策略,加快响应速度,实现均压动态自适应调节。制作样机,进行固态断路器设计拓扑和控制的仿真及实验验证,结果表明：混合式均压控制电路可减小IGBT电路超调量,具备更强的抑制过电压能力,提升响应速度。     

A Low‐Loss Medium‐Voltage Inverter Applying Series Connected General Purpose 1.2 kV Insulated Gate Bipolar Transistors with Accurate Voltage Balancing Techniques

This paper presents a medium‐voltage inverter applying series connected general‐purpose 1.2 kV insulated gate bipolar transistors (IGBTs) as a switching device to achieve low switching losses compared to inverters applying high‐voltage IGBTs with over 3 kV rating. Gate signal synchronization, which is essential to keep the balance of collector‐emitter voltages across the IGBTs, is achieved by magnetically coupling all gate lines using a simple two‐windings transformer. In order to obtain better voltage balancing, influence of stray capacitance distribution associated with an insulating substrate in a two‐in‐one IGBT module on the voltage sharing is investigated, and an optimized layout of heat sinks for the IGBT modules is proposed. To validate some performances concerning the device losses and the voltage sharing, a 170 kVA inverter based on three 1.2 kV IGBTs connected in series is built and evaluated. The experimental results are shown. Copyright © 2007 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.