具备故障限流功能的新型线间直流潮流控制器

直流电网在发生故障时,电流会迅速增大,危及整个系统安全运行。而用于切断故障电流的直流断路器开断能力有限,需要与故障限流器配合使用。随着直流电网结构的日益复杂,潮流控制问题也日益突出。在直流潮流控制器原有的潮流控制能力上,探索其故障限流能力并提出一种具备故障限流能力的新型线间直流潮流控制器拓扑。潮流控制部分采用线间直流潮流控制器,故障限流部分采用晶闸管控制电感投入实现限流。对所提控制器的工作原理、动作过程及理论分析进行了研究,并在单端等效系统及四端柔性直流电网中进行了仿真验证。仿真结果表明,该控制器可在正常运行时控制2条线路的潮流,在某一线路单极接地故障时进行故障限流并通过与直流断路器配合完成故障电流的切除,该装置及控制策略的可行性与有效性得到验证。     

具备直流潮流控制与故障限流功能的电感耦合型复合装置

高压柔性直流电网作为解决可再生能源大规模接入和消纳问题的有效手段，已成为未来电力系统的重要发展方向之一，但也使其潮流控制和故障保护的问题更加突出。为了克服以上问题、提高系统稳定性，提出了一种具备直流潮流控制与故障限流双重功能的电感耦合型复合装置。首先，提出了该复合装置的拓扑结构，该拓扑在传统直流潮流控制器基础上增加了可共用耦合电感的限流支路；其次，详细分析了直流潮流功能的工作原理、理论推导及其控制策略；然后，基于故障条件下提出的限流动作时序，进一步解析了稳态、限流、故障切除和泄能4个不同时段下耦合电感的作用效果，并研究了各时段直流故障电流的计算；最后，在MATLAB/SIMULINK仿真软件上搭建四端直流电网模型，仿真结果表明所提拓扑通过共用耦合电感实现了良好的潮流控制和抑制短路电流的功能，在短路故障状态下缩短故障电流的切除时间，在保证经济性的同时提高了系统的稳定性。     

一种新型限流式混合直流断路器拓扑

混合式直流断路器是柔性直流电网的重要组成部分,用于实现直流侧故障隔离,但现有拓扑大多不具备故障限流能力,且成本较高。对此,该文提出一种新型限流式混合直流断路器拓扑,其具备主模态、限流模态及断路模态3种工作模态,能够灵活应对直流电网不同异常状况。该拓扑主要采用晶闸管实现故障电流换路,大大减少IGBT的使用量以降低断路器成本,同时配合电容进行限流电感与避雷器的投切,以实现故障限流并提高分断速度。此外,该文针对所提出拓扑的工作过程进行详细解析和理论推导,基于PSCAD/EMTDC在单端等效和四端直流电网环境下进行仿真验证,并与现有典型拓扑进行对比分析,仿真结果证明了所提直流断路器拓扑的可行性和优越性。     

一种电感耦合型高压直流限流断路器

为保证直流电网发生单极接地故障后,健全线路仍能够正常传输功率,需要在各个直流线路上配置直流断路器,在换流器闭锁前切断故障线路,如何降低断路器的电力电子器件开断应力是目前研究的难点。以张北直流电网为主要研究对象,首先分析直流单极接地短路的等效电路以及传统直流断路器的工作机理;然后,提出一种基于电感耦合型的高压直流限流断路器拓扑结构,以降低各个电力电子器件的开断应力,并详细地论述了该限流断路器的工作机理。限流断路器由故障隔离限流器和引流限流器两部分构成,各部分的电力电子器件可以相互配合,互相借用,有效地提升了该拓扑的经济性。在张北四端柔性直流电网仿真模型上将该方法与其他4种限流方法做对比,进行限流校验、电力电子器件承压校验以及经济性校验,结果表明该文所提出的电感耦合型限流断路器能够在3ms内完成故障引流,6ms内完成故障切除,具有良好的限流、断路能力,并且仅需要632个IGBT器件,经济性较高。     

复合型直流潮流控制器构建与实现

在多端直流输电系统中引入直流潮流控制器可有效增加直流潮流的控制维度,提高主动潮流分配与协调控制能力。该文构建了一种适用于多端直流输电系统的复合型直流潮流控制器框架结构,并给出一种复合型直流潮流控制器的具体拓扑实现方案,可主动控制2条输电线路的潮流。围绕工作原理和控制策略,本文对该拓扑进行详细理论分析,并同时开展仿真与实验验证,仿真和实验结果均证明该潮流控制器可实现多种工况下对2条线路主动潮流控制,具有良好的应用前景。     

适用于直流电网的多端口限流式直流故障保护方案

直流电网保护中利用限流器(fault current limiter,FCL)和断路器(DC circuit breaker,DCCB)协调配合控制具有重要意义。文中提出一种采用晶闸管作为主要控制单元的多端口限流式(multi-portcurrent-limiting,MPCL)直流故障保护方案,具备保护多条线路、抑制故障电流等功能。限流电感储能增加了断路器的耗能容量需求,设计能够快速旁路限流电感的能量转移支路。分阶段对新拓扑的预充电、限流、断路及耗能过程进行理论解析,分析电压电流应力、避雷器耗能与MPCL保护方案关键参数的关系,给出IGBT及能量转移支路参数的设计。在PSCAD/EMTDC中对所提MPCL保护方案的限流、断路和重合闸能力进行仿真验证,证明MPCL保护方案可保护多条直流线路,并抑制故障电流发展,提升分断电流速度,减少对避雷器的耗能要求。     

串并联多功能复合控制器拓扑结构研究

近年来,仿照交流FACTS的思想,提出了直流FACTS的概念,并系统地研究了直流电压补偿器、直流潮流控制器、直流故障限流器等直流FACTS装备及其在电网中的应用特性。为进一步提升直流FACTS装备的性价比,借鉴交流FACTS多功能复用的研究成果,提出了一种串并联接入直流线路的新型多功能复合控制器拓扑结构,使其同时具备电压补偿、潮流控制和故障限流阻断等多种功能。对多功能复合控制器的运行机理和主电路参数设计进行研究,同时仿真和实验验证了该拓扑在直流线路应用的可实现性。     

柔性直流电网直流线路故障主动限流控制

针对架空线柔性直流电网线路故障,提出了基于混合型MMC的主动限流控制方法,从而降低对直流断路器开断速度、开断容量以及吸收能量的要求,减少直流电网建设成本、提高直流电网可利用率。该文首先研究了换流器的交/直流电压解耦可控性,给出了主动限流控制器的控制架构。为了解决直流故障穿越期间,桥臂电容电压可能会短时越限的问题,提出了在内环直流电流控制器附加直流电流指令动态限幅控制器的方案。提出了主动限流控制策略的一种优化手段—电流目标预设控制,分析了不同控制器延时对主动限流控制的影响。计及主动限流控制,研究了单换流器系统和直流电网故障前后直流故障电流演变机理。最后,分别在单换流器系统和直流电网系统中仿真验证了前文理论分析的正确性的有效性。     

一种新型混合式直流故障限流器拓扑

直流故障限流器对柔性直流电网的安全稳定运行具有重要意义。该文提出一种通态损耗低、主限流电路采用晶闸管器件、可在直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)断路时将限流电感快速旁路的混合式直流限流器拓扑。分阶段对新型拓扑的限流过程进行理论解析,分析电压应力、限流时间与限流器参数的关系,给出限流器参数设计方法。提出在断路时限流电感快速旁路方法,并对由此减少的DCCB耗能进行理论计算。分别在单端换流站和直流电网中验证所提出限流器动态特性分段解析方法的正确性,同时仿真结果表明,所提出的限流器能有效限制直流故障电流的上升率,并可以大幅降低断路器切断过程中的能量耗散。     

新型直流电网潮流控制器及其控制方法

直流潮流控制器能够有效提升环网式直流电网的潮流控制自由度,解决直流电网部分线路潮流不可控问题。针对现有直流潮流控制器应用场合的局限性,基于电容线间能量交换的思路,提出一种新型直流潮流控制器拓扑,并对其工作原理和运行特性进行了深入研究。基于新型潮流控制器的多种运行状态,设计了基于脉宽调制(PWM)的控制策略,并以其中一种运行状态为例,研究了各状态变量之间的关系。最后,在电磁暂态仿真软件中搭建等效三端直流环网模型,验证了所提出的直流电网潮流控制器拓扑方案与控制策略的可行性与有效性。     

具有限流功能的模块化直流潮流控制器及其控制

针对多端直流输电系统线路潮流控制自由度不足的问题,提出一种模块化直流潮流控制器,其采用模块化结构,便于多线间拓展,具备直流故障限流能力。首先,介绍了模块化直流潮流控制器的拓扑结构,建立了其等效电路模型,阐述了潮流控制和故障限流原理。然后,分析了模块化直流潮流控制器在潮流控制模式下的桥臂功率转移特性,研究了基于交流环流的桥臂功率平衡机理。在此基础上,提出了模块化直流潮流控制器的潮流分配控制和功率平衡控制方法,并详细说明了其在故障限流模式下的控制策略。最后,在PLECS仿真软件中搭建三端直流输电系统,验证了模块化直流潮流控制器在潮流分配、潮流反转、功率阶跃、故障限流等工况下的有效性。     

电感共用式线间直流潮流控制器及其控制

在多端柔性直流输电中,存在换流站不能完全控制各线路潮流的问题。为了实现潮流的灵活控制,提出一种电感共用式线间直流潮流控制器。该潮流控制器通过在两条输电线路中各串入一个电容,利用共用电感进行功率交换,实现潮流控制,其拓扑结构和控制都较为简单,可模块化,适用于多端直流电网。首先分析了该潮流控制器的工作原理及控制策略,然后在PLECS仿真软件中搭建三端直流输电系统进行验证。仿真结果表明,电感共用式线间直流潮流控制器在正常供电、换流站功率缺失等多种工况下,对直流输电系统潮流进行了灵活和准确的控制。     

直流电网中潮流控制器电路拓扑比较

构建直流电网能有效解决大规模新能源电力的可靠接入,弥补现有交流电网的不足。如何有效控制直流电网内线路潮流是构建直流电网时不可回避的问题。随着直流电网中节点数的增加和网络结构的复杂化,仅靠换流站控制将无法实现整个直流电网潮流的优化分配及有效控制。在直流电网中引入潮流控制器可有效达到控制潮流的目的。文中对现有直流潮流控制器电路拓扑进行了详细比较分析,指出了各类直流潮流控制器的优缺点及应用场合,在此基础上,提出一种新型线间直流潮流控制器。随后分别从4类直流潮流控制器中选出一种,在一个五端直流电网仿真模型中分别进行仿真研究,验证了各类直流潮流控制器的特性。最后,指出了直流潮流控制器技术未来的研究方向和需要解决的问题。     

一种阻容型限流式直流断路器拓扑及其在直流电网中的应用

架空线直流电网直流故障的快速隔离和清除问题是直流电网快速发展面临的关键技术瓶颈,而目前大多数高压直流断路器都无法兼具限流及断路作用。为此,该文提出一种阻容型限流式直流断路器拓扑,同时通过超快速隔离开关并联的设计提出适用于多种故障情况下的重合闸策略,从原理上实现了稳态低电抗和暂态高限流电抗的灵活切换。该拓扑采用断路阀段和限流阀段两种模块来完成各自功能,同时充分利用全控型功率器件的快速可控性及半控型器件容量大、造价低的特点,在一定程度上降低了投资成本。最后,基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台搭建的四端直流电网模型,验证该拓扑的限流、断路、重合闸性能。     

新型多端口直流断路器及其在直流电网保护中的应用

直流电网中,采用高压直流断路器切除故障线路能够有效清除直流故障,但现有的直流断路器投资成本高,系统正常运行时电力电子器件冗余。文中提出一种新型多端口直流断路器(multiport DC circuit breaker,MP-DCCB)拓扑,采用单个主断路器保护多条直流线路,利用通流能力大的晶闸管作为主断路器和直流线路间的控制单元,有选择性地切断故障线路。然后,设计了能够吸收限流电感能量的转移支路来降低避雷器需吸收的能量,并对MP-DCCB断路、耗能以及重合闸阶段控制方式及电气过程进行了理论解析,建立了等效数学模型,研究电压电流应力及经济特性与MP-DCCB关键参数的关系。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建四端双极直流电网进行仿真验证,MP-DCCB能够有效降低断路器投资成本,具备应用于柔性直流电网的工程价值。     

适用于直流电网的预限流型直流断路器拓扑

为提高多端直流电网在直流故障下的运行可靠性,同时降低对直流断路器分断能力的要求,提出了一种适用于直流电网的预限流型直流断路器拓扑,当电网出现过电流时预先将限流回路投入,并根据故障检测结果决定切除故障线路或恢复正常运行。该拓扑使用辅助电容和半控型器件晶闸管实现了限流电感的快速投切与故障电流快速切除,能有效抑制故障电流,并具备一定的经济性。为验证所提拓扑在预限流和快速分断方面的可行性,在PSCAD/EMTDC中搭建了四端直流电网仿真模型,并通过仿真结果验证了所提拓扑在抑制故障电流、隔离故障线路方面的有效性。     

含多类型故障限流设备动作的直流电网保护时序配合

柔性直流电网作为新能源并网的有效手段,要求能够可靠开断直流故障电流。直流电网中配置的多种类型故障限流设备间的故障保护时序配合亟须研究。文中基于直流电网直流线路双极短路故障,研究了故障限流器、直流断路器、半桥全桥混合型模块化多电平换流器以及DC/DC变换器这几类多类型故障限流设备的故障保护时序配合。针对包含环网状以及辐射状结构的复合型多端直流电网系统中的不同区域,配置不同类型的故障限流设备,同时采用检测故障电流变化率的方法判断直流断路器是否可靠动作。根据不同的故障区域,提出了相应的故障限流设备间的保护时序配合方案,并且考虑了部分限流设备如直流断路器拒动后其他限流设备的动作逻辑。在PSCAD/EMTDC仿真中验证了提出的直流电网中多类型限流设备保护时序的可靠性和有效性。     

含电流型潮流控制器的柔性直流电网故障电流抑制特性分析

为有效抑制多端柔性直流电网的短路电流,提出基于限流贡献度的电流型潮流控制器（CFC）故障抑制特性量化方法,以分析CFC参数对故障电流的影响。首先,分析了由全桥开关与电容器并联组成的桥式拓扑结构CFC的工作特性,提出了在故障发生时故障限流控制模式下的控制策略,以及与直流断路器协调配合的动作时序。然后,构建含CFC限流的直流电网等效电路,推导了故障发生各阶段电流的解析表达式。在此基础上,提出CFC限流贡献度的分析方法,研究CFC不同参数和动作时序下对柔性直流故障电流的抑制特性。     

具有线路分断功能的直流潮流控制器研究

提出一种具有线路分断功能的直流潮流控制器拓扑结构,该拓扑结构同时具有潮流控制和故障线路分断功能.此外,在潮流控制器中还加入了直流卸荷电路,用于在故障时保护直流母线电容免于被故障电流击穿.最后,借助Matlab/Simulink仿真和硬件在环实验,分别验证了拓扑结构在稳态下的潮流控制功能和故障下的故障线路分断功能.实验结果表明,在此提出的拓扑结构能够同时实现潮流控制和故障线路分断功能,并能有效防止直流潮流控制器中的直流母线电容被故障电流击穿.     

柔性直流电网串联直流潮流控制器及其控制策略研究

首先给出直流电网的线路直流潮流控制原理,分析直流电压及线路等效电阻对直流潮流的影响。在此基础之上,结合双极柔性直流输电系统,提出一种基于双有源桥(dual active bridge,DAB)拓扑的线路直流潮流控制器。与已有研究相比,所提出的直流潮流控制器无需额外配备外部电源,能够实现直流输电线路功率的双向灵活控制。通过PSCAD/EMTDC软件仿真平台所搭建的包含直流潮流控制器的两端双回路双极柔性直流输电系统,对直流潮流控制的静态、动态响应特性进行仿真分析,并研制实验原理样机,进行相应的动模实验验证。仿真和动模实验结果表明,该直流潮流控制器能够实现直流电网线路直流潮流的有效控制。