高压直流断路器供能变压器的设计与试验北大核心CSCD

混合式高压直流断路器的负载形式多样且复杂,针对其供能问题,文中提出了一种级联结构的隔离供能变压器设计方案,以满足±535 kV/25 kA混合式高压直流断路器分层次多目标的供能需求。其中最为关键的是对地隔离供能变压器,因此首先介绍对地隔离供能变压器的级联结构,并对电场、温升进行了仿真校核;然后进行了对地隔离供能变压器抗震性能的有限元计算分析,结果表明满足9级烈度地震的强度要求;最后进行了对地隔离供能变压器样机长期直流耐压下温升试验,以及单节隔离变压器高低温试验和输出绕组温升的测定,结果表明在长期直流耐压下,隔离变压器温升约18 K,电阻温升约33 K,电容器温升约12 K,而单节隔离变压器在高低温作用以及高温带载情况下,环氧树脂未发生开裂等问题,且满足绝缘要求,同时测试计算得到输出绕组温升约为26 K,与热仿真结果基本一致,另外通过试验验证了对地隔离供能变压器的绝缘性能满足要求。     

200kV直流断路器用隔离供能变压器均压设计

隔离供能变压器是高压直流断路器获取能量的核心设备,用于将地电位电能传输至高压直流极线中直流断路器,以保障直流断路器可靠稳定运行。该文介绍的200 kV直流高压隔离供能变压器由4个50 kV变压器级联而成。由于分布电容的存在,极线额定直流电压及冲击暂态过电压不均匀施加在4个变压器上,增加了单个变压器绝缘失效风险。为解决上述问题,该文对高压直流隔离供能变压器进行了电路分析,提取了分布电容参数,完成了均压方案设计及参数配置。在此基础上,通过仿真分析及试验验证均压方案设计将四级隔离变压器承受电压百分比偏差控制在±5%以内。研究结果表明,采用200 M?电阻与1 nF电容并联的均压方式,满足高压直流隔离变压器工程设计和运行要求。     

535 kV耦合负压式直流断路器供能系统设计方案

在多端柔性直流输电系统中,装设直流断路器是有效抑制故障电流扩散,保证直流电网安全稳定可靠运行最有效的技术手段,而直流断路器供能系统肩负着高电位隔离并对模块化操作和控制部件供能的重要作用。该文对张北工程康保换流站用耦合负压式直流断路器供能系统方案展开研究,首先阐述了耦合负压式直流断路器供能系统总体设计方案;通过不间断供电系统和开关柜实现不间断供电,采用3种电压等级的隔离变压器实现直流断路器主支路和转移支路隔离供能,通过开关柜软启动限制浪涌电流和在供能隔离变压器输出侧并联浪涌保护器和电容器的方法提高供能系统可靠性;最后,供能系统随直流断路器样机进行了绝缘试验和运行试验,全部试验顺利通过且供能系统工作稳定,证明了设计方案的合理性与可靠性。     

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。     

电流母线型多输出高压隔离IGBT驱动电源

针对中高压应用场合大量功率电子器件的驱动供电问题,研究了一种电流母线型多输出高压隔离绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动电源。采用高频电流互感式结构取代传统电压型变压器,通过高压电缆线实现高压隔离,工艺简单;前级全桥串联谐振电路产生高频母线电流,后级稳压模块采用电流输入型Boost变换器,与传统Boost变换器相比,其控制策略简单、易实现自启动;分析了IGBT驱动电路消耗功率估算方法,根据负载功率需求给出后级稳压电路参数设计方法;对后级稳压模块进行损耗分析,提出效率优化方案;最后进行了实验验证。     

限流开断技术用直流快速旁路开关设计与研究

在直流系统中合理配置超导限流器,可有效降低短路电流水平,改善直流系统的稳定性和安全性.超导限流器正常工作对于确保直流断路器可靠动作至关重要,为此,基于某多端柔性直流工程,开展直流超导限流器用快速旁路开关的设计与研究.分析快速旁路开关的应用工况,获取设备的参数要求;攻克了高电位隔离供能、毫秒级驱动及缓冲、绝缘区分等关键技...     

西电：中国输变电装备基地——走进中国西电电气股份有限公司

为中国第一条330kV高压交流输电工程研制电力变压器、断路器和隔离开关等关键设备;为中国第一条500kV超高压交流输电工程（锦辽线）研制电力变压器等关键设备;为中国第一条750kV超高压交流输电工程研制电力变压器、电抗器、隔离开关、避雷器和电容式电压互感器等关键设备;为中国第一条±100kV直流输电工业性试验工程研制成套直流输电装备;为中国第一条±500kV超高压直流输电工程研制换流变压器、平波电抗器及换流阀等关键设备;为中国第一个直流背靠背联网工程（灵宝）提供全国产化换流阀、换流变压器和平波电抗器等关键设备;为中国第一条商业运行的跨海直流输电项目（嵊泗）提供成套设计、换流站成套设备;研制中国第一套（大冶钢厂）,第二套（张家港）静电无功补偿成套装置。     

基于自具电源的光控真空断路器模块研制

借助多断口串联构造110 kV及以上电压等级的大容量高压/超高压断路器,并设计实现了一种光控真空断路器模块。模块设计工作在高电位,选用40.5 kV电压等级真空灭弧室作为基本元件,通过控制器和电力电子器件驱动永磁机构来操动断路器,接收从低电位控制器通过光纤发送的操作命令,返回模块实时的状态信息和动作时间。模块由特制的电流互感器线圈从母线上取电,存储在蓄电池中。高、低电位由光纤隔离。通过串、并联该模块可以构建高电压、大容量的真空断路器。模块结合相控开关分合闸技术,可以实现72.5 kV以上高压智能化真空断路器。试验表明模块具有良好的电参数和机械特性。     

对称电容谐振式高压直流装置送能系统

高电位驱动电路的送能系统是保证混合式直流断路器稳定工作的关键设备.与目前"磁隔离"送能原理不同,利用电容器"隔直通交"特性和LC电路串联谐振原理,提出一种对称电容谐振式高压直流装置送能系统,实现了地电位侧电能向高电位直流侧装置的高效传输.分析了该送能系统的工作原理,并针对该拓扑结构提出了电路参数设计原则和设计方法以及若...     

高压直流断路器

正高压直流断路器利用电力电子器件开断直流回路,快速清除直流故障,对柔性直流输电系统的稳定、经济运行具有重要作用。桥式整流型混合式高压直流断路器由主通流支路、分断支路和耗能支路组成,利用IGBT分合控制,配合耗能组件实现大电流切除。2020年6月投运的张北柔性直流电网工程采用了世界上电压等级最高(±535 kV)、     

18kV/125A碳化硅IGBT器件研制及串联应用关键技术研究EI北大核心CSCD

高压碳化硅(silicon carbide,SiC)器件因具有耐高压、耐高温、低损耗等优异特性,已成为支撑未来新型电力系统建设的新型电力电子器件。文中基于自主研制的18kV/12.5A高压SiC绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)芯片,提出18kV SiC IGBT单芯片子模组及10芯片并联封装设计方案,研制18kV/125A SiC IGBT器件,功率等级达到国际最高水平。搭建高压碳化硅功率器件绝缘、静态特性和动态特性测试平台,测试单芯片子模组及10芯片并联器件的绝缘及动态特性,18kV/125A SiC IGBT器件具备18kV静态耐压且可以在13kV直流母线电压条件下关断130A电流,验证了所研制器件的高压绝缘及高压开关能力。此外,采用18kV/125A SiC IGBT器件串联搭建24kV换流阀半桥功率模块,提出器件串联均压方法,完成半桥功率模块的1min静态耐压试验和开关试验验证,结果表明,所研制的18kV/125A SiC IGBT器件运行良好,满足串联应用要求,同时,所提的均压方案可以保证半桥功率模块静态电压不均衡和动态电压不均衡程度分别低于0.4%和15%。该研究可以为基于SiC IGBT器件在柔性直流输电工程中的应用奠定基础。     

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。     

一种适用于混合式高压直流断路器负载换流开关的新型缓冲电路

基于混合式高压直流断路器的工作原理,提出了一种新型的负载换流开关缓冲电路。该电路通过2个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的简单控制,在混合式高压直流断路器分闸时,能阻断缓冲电容经超快速机械开关的放电通路;在混合式高压直流断路器短时间多次动作时,能保证缓冲电容每一次过电压的吸收效果,提高混合式高压直流断路器的速动性和可靠性。     

新型高压直流断路器的自供能控制策略

提出了一种新型混合式高压直流断路器的拓扑结构及其自供能控制策略。该新型断路器包括超快速机械开关、负载转移开关和主断路器等部件。负载转移开关和主断路器都是由增强型半桥子模块构成。通过所设计的控制策略,可以使子模块中的电容在正常工况下带电运行,进而可以为子模块中的IGBT提供驱动所需要的能量。该新型断路器存在启动充能模式、稳态运行模式和故障处理模式3种运行模式。针对上述3种运行模式分别提出了相应的控制策略。增强型半桥子模块是新型直流断路器的核心元件,给出了其关键参数的选取方法。在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了四端直流电网模型,仿真结果验证了所提的新型高压直流断路器及其控制策略的可行性和有效性。     

模块化全固态高压ns脉冲开关技术

为满足脉冲功率技术所需高电压幅值、高重复频率脉冲源的要求,研究了一种新型绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联技术,它用5个IGBT进行串联,并将控制、驱动、均压、缓冲电路和IGBT组成一体化模块结构,模块的体积小、重量轻。驱动信号经高频脉冲变压器耦合,可以同步驱动多个高电位的IGBT,输出脉冲的宽度和频率由单片机控制。经试验表明,100Ω的电阻负载时每个模块可输出前沿<100 ns、脉冲频率160 Hz~10 kHz、脉冲幅值约3.5 kV的可调脉冲电压,而且模块可以进行多个串并联。     

一种新型电感激励换流式高压直流断路器及其仿真研究

高压直流断路器是多端柔性直流电网中直流故障快速切除的关键设备,是柔性直流电网安全可靠运行的重要保障。针对已有电感激励换流式直流断路器存在的问题,研究提出一种新型电感激励换流式高压直流断路器方案,在转移支路上集成换流驱动电路,避免脉冲变压器副边线圈长期通流;并通过判断线路电流方向,在激发电流正半波内完成正反向换流,缩短反向换流时间,避免电力电子器件关断前的大电流冲击。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了新型直流断路器方案的可行性,正反向换流时间均小于50μs,短路电流开断时间小于3ms,具有通态损耗小、自然冷却、全电流开断和重合闸等特点。     

混合式高压直流断路器分断过程电磁瞬态建模和测试

高压直流断路器是柔性直流电网的核心装备,在数毫秒内分断高达25kA的大电流,分断过程会产生强烈的电磁骚扰,可能导致与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)直接相连的驱动和控制电路无法工作.由于缺乏针对直流断路器位于高电位驱动的电磁干扰考核方法,导致驱动设计没有标准可依.该文通过理论分析和试验测试相结合,对分断时电磁瞬态过程进行数学建模,定性分析端口产生的电磁干扰原因,并在实验室首次测试了500kV混合式直流断路器样机在大电流分断时,集电极和发射极(VCE)、门极驱动(VGE)和电源等端口干扰信号,提炼了时、频域干扰特征.通过将测试结果与现有电磁干扰试验标准对比,表明VCE/VGE在开断过程的干扰特征与浪涌和阻尼振荡波接近,而电源干扰特征更接近阻尼振荡波,设计中应重点考虑这两个试验项目.     

压接型IGBT串联自取能关键技术研究

基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联型电压源换流器具有诸多优点,而且IGBT串联应用的主要优势领域为高压柔性直流输电,故IGBT的驱动保护电路供电方式只有高电位自取能是可行的,即在压接型IGBT'源漏极之间获取电能。从而可知,高电位自取能回路是影响电压均衡的重要因素之一。此处首先提出高电位自取能技术方案,其次,建立IGBT'串联应用条件下的高电位自取能回路约束条件,从而确立所涉及的关键技术。最后提出高电位自取能直流变换器的设计方案,并基于此进行实验研究验证其技术的可行性。     

高速机械开关单元多场耦合仿真优化设计

我国正在建设张北±500 kV柔性直流电网示范工程,混合式高压直流断路器是其关键控制和保护设备。快速机械开关单元是混合式直流断路器的关键部件,采用电磁操动机构,机械动作过程涉及电磁场、热场和机械位移场,需要进行多场耦合仿真优化设计。该文开展高速机械开关单元多场耦合仿真优化设计。首先,设计一种基于双线圈推金属盘驱动与双稳态弹簧保持操动机构的高速机械开关单元结构。然后,针对高速机械开关单元动作过程,提出一种能全面反映机构运动、触头碰撞和线圈温升情况的电磁场、热场和运动场多场耦合计算方法。最后,进行高速机械开关单元多场耦合仿真优化设计。初步确定高速机械开关性能提升关键因素,重点分析不同斥力线圈匝数对分闸时间、线圈允许温升及分闸反弹等关键技术指标影响,最终确定高速机械开关各项最优技术参数。仿真结果表明,该文设计高速机械开关单元能在1.8 ms内分闸到达额定绝缘开距,满足技术要求。该文的优化设计为混合式直流断路器快速机械开关优化设计提供理论指导,对于其他快速机械开关设计也有重要参考价值。     

基于Marx电路的纳秒级高压脉冲电源设计

为满足等离子体污水处理对高压脉冲电源的要求,设计了一种基于Marx发生器的紧凑型、高重复频率纳秒级高压直流脉冲电源,该脉冲电源以绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为放电主开关,并使用多输出磁环变压器为IGBT提供驱动信号。Marx发生器由25级电路组成,每级电路由IGBT开关、快恢复二极管以及电容器组成。充电时,通过电感和二极管对电容充电,减小电路功率损耗;放电时,电感对输出脉冲高电压与输入电源之间进行隔离。为了保护IGBT开关在短路等情况不被过电流损坏,使用了过电流保护电路。实验结果表明,输入电压为500 V低压时,串联25级电路即可获得最大幅值为10 k V、最小脉宽为400 ns且脉冲前沿为50 ns的高压脉冲,可实现反应器中气体的电晕放电,达到污水快速净化的目的。