多端口直流断路器研究综述

相对于交流电网,柔性直流电网的低阻抗特性对故障电流的抑制和清除提出更高的要求,采用直流断路器能够很好地解决清除直流故障时快速性和稳定性的问题。但是,随着柔性直流电网规模的扩大,直流母线上连接的线路也不断增多。单一直流母线通常连接有多条线路,如果每条线路均配置直流断路器将产生占地面积大、建设成本高昂等问题。对此,一系列的多端口直流断路器被提出,通过同一直流母线上所有进出线共用昂贵的主断开关来实现故障电流的开断,以减少直流电网中直流断路器的数量和投资成本。该文针对当前国内外提出的多端口直流断路器拓扑进行归纳总结分类,论述各个类别多端口直流断路器的工作原理、优点以及面临的主要问题。最后,对多端口直流断路器的发展进行展望。     

适用于柔性直流电网的新型多端口混合式直流断路器

混合式直流断路器(HCB)是柔性直流电网直流侧故障隔离的优选方案,但是HCB高成本限制了其大规模应用的可行性,此外架空线路较高的故障概率要求HCB具备自适应重合闸功能。为此,提出了一种适用于柔性直流电网的新型多端口HCB,分别给出了其在故障隔离和自适应重合闸阶段的控制策略,详细分析了其工作原理和内部动态过程并推导了关键参数的设计方法。不同工况下的电磁暂态仿真和物理实验结果表明,该直流断路器能够通过多条直流线路共用昂贵的主断开关大幅降低制造成本,通过旁路故障线路及其上的限流电抗器降低避雷器的耗能时间和容量需求,并且具备控制简单、易于实现的自适应重合闸功能。     

多端口机械式直流断路器的动作策略与参数优化

常规两端口直流断路器(DCCB)成本高、体积大,不适于在城市直流配电网中应用,而多端口DCCB被认为是一种有效的解决方案.然而,多端口DCCB需要应对更加复杂的电流开断工况,如单条或多条故障线路的同时隔离、负荷线路的灵活切除.考虑到混合式DCCB的通态损耗及常规机械式DCCB的固有缺点,以双电容构建主开断支路,提出一种...     

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。     

考虑母线故障的低通流损耗多端口整流型混合式直流断路器

混合式直流断路器是当前柔性直流电网最为理想的故障隔离方式,但是投资成本高限制了其大范围的应用。为了降低混合式直流断路器的成本,提出了一种多端口整流型混合式直流断路器拓扑,选择开关采用简单可靠的二极管桥式整流结构,负载转移开关和主断开关采用单向开断子模块,并通过电流转移控制策略的优化,使得直流断路器具备电流双向开断、设备成本低和通流损耗低等优点;同时,增加了一条母线保护支路,实现了直流母线故障隔离和公共母线故障保护。文中首先详细介绍了所提拓扑在不同故障工况下的工作原理以及内部组件的动作策略;然后,与现有拓扑进行了经济性和电气性能的对比分析,突出所提拓扑的优越性;最后,设计并搭建了一台三端口整流型混合式直流断路器样机及其试验系统,通过试验验证了所提拓扑的有效性和可行性。     

适用于直流配电网的混合式断路器研究

随着分布式电源的快速发展及直流负荷的迅猛增长,交流配电网不能满足未来电网的发展,直流配电网以其控制灵活、稳定性高、电能质量好等优势成为未来发展趋势。直流断路器作为关键保护设备,对配电网的可靠运行有着重要意义。文中提出一种配电网用的混合式直流断路器方案,直流断路器分3条支路:主通流支路由快速机械开关和IEGT阀组串联组成、转移支路由压接式IEGT阀组组成、能量吸收由每一级IEGT并联的避雷器组成。从仿真设计到样机试制进行阐述,并且样机完成10 kV电压等级下关断15 kA故障电流试验,结果表明,提出的直流断路器方案可满足在直流配电网的应用。     

160kV耦合型机械式直流断路器的设计与应用

南澳多终端柔性直流输电示范工程是世界上第一个多终端柔性直流输电系统,直流系统的故障电流上升快、幅值高且没有过零点,比交流系统故障电流更难中断,因此设计一个可靠的直流断路器是提高直流系统稳定性和可靠性的关键之一.介绍了南澳工程160 kV机械式直流断路器的原理、设计参数及具体的工程应用.     

具备故障电流限制能力的多端口直流断路器

混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断的重要装备。然而,目前每条直流线路两端均需配备一台价格昂贵的二端口混合式直流断路器,这严重限制了其在未来新型电力系统中的规模化应用。该文提出一种具备故障电流限制能力的多端口直流断路器,在实现故障双向阻断的基础上,与常规方案相比故障电流峰值下降了38.0%、避雷器能量耗散应力下降了61.21%。更为重要的是,所提断路器完成直流母线故障隔离后,与故障母线相连的健全直流线路仍可以进行正常功率传输,最大程度地保障了柔性直流电网的健全和持续可靠运行。首先,分析了直流断路器在故障工况下的故障电流阻断原理,并对各个动作过程进行了理论推导;然后,揭示了电容和电感参数对断路器限流性能的影响机理,确定了限流单元的元件选型方法;最后,基于PSCAD/EMTDC对所提具备故障电流限制能力的多端口直流断路器进行了仿真分析,结果表明,所提多端口直流断路器具有较强的有效性和适应性。     

基于多端口混合直流断路器的LCC-VSC混合多端直流输电系统故障清除方案

混合多端直流输电系统是解决大规模新能源送出和消纳的有效手段之一,快速有效的故障清除方案是保证其安全稳定运行的关键.然而,已有的基于换流器自清除的故障清除方案会导致健康换流站短时停电,而借助直流断路器的故障清除方案存在实施成本过高的问题.为此,提出一种二极管桥式多端口混合直流断路器拓扑,以一个三端混合直流系统为例设计了基...     

适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器

现有的直流潮流控制器大多为双端且仅能辅助控制一条线路上的潮流。为全面控制直流电网潮流分布,文中提出了一种适用于柔性直流电网的多端口直流潮流控制器,它可以同时控制多条线路上的潮流且易于拓展。首先,在充分研究已有直流潮流控制器的基础上,提出了多端口直流潮流控制器的拓扑结构并详细阐述了工作原理;其次,研究了多端口直流潮流控制器的等效电路,进而设计了能够使其稳定运行的控制策略;最终,在RT-LAB仿真平台中搭建了舟山五端柔性直流输电系统并安装了三端口直流潮流控制器,对所提拓扑结构和控制策略进行了仿真验证。     

适用于海上风电的多端口直流变电站及其主从控制策略

提出多端口直流变电站的拓扑结构,并建立了相应数学模型;该变电站可以实现不同类型、多电压等级的多送端海上风电场和多受端高压直流输电系统的互联,并实现直流潮流的集中调控。将多端口直流变电站应用于多电压等级海上风电并网,并提出多端口直流变电站的主从控制策略,利用直流变电站各端口的协调实现风功率波动时或任一端口故障时变电站的正常工作。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了含多端口直流变电站的多端直流试验系统仿真模型,并针对所提出的主从控制策略进行了稳态仿真分析和故障仿真分析,结果表明该策略能够保证多端口直流变电站的稳定可靠运行。     

多端口直流断路器可靠性评估模型及其应用

多端口直流断路器(MTCB)是未来实现多端换流站联络及故障快速隔离的核心设备,其可靠性直接影响多端直流配电网的可靠性水平.首先分析了MTCB拓扑结构及工作原理.然后以珠海"互联网+"示范工程中应用的三端口混合式直流断路器为例,基于工程可靠性原理并考虑器件冗余建立MTCB可靠性评估模型.然后分析了MTCB对多端直流配电网可靠性的影响.最后基于唐家湾三端直流配电网结构进行算例分析,计算了MTCB在不同设计模式、冗余分析下的可靠性情况,进行了MTCB对多端直流配电网可靠性的影响分析及灵敏度分析,验证了所提模型的正确性和有效性.     

新型具有限流功能多端口高压直流断路器拓扑

直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)是提高直流电网安全稳定运行的关键设备。针对现有的DCCB投入的数量多导致成本过高、短路故障时电流过大、避雷器吸收能量过多等问题,提出了一种新型具有限流功能的多端口高压直流断路器拓扑(multi-port DC circuit breaker,MP-DCCB)。通过改进DCCB拓扑结构研究其性能,对新型拓扑的工作原理、故障分断过程进行理论分析,并给出相关参数及选取依据,最后用PSCAD软件搭建相应的仿真模型,并进行验证。与常规DCCB方案相比,故障电流减少了48.6%;避雷器上吸收能量、关断电流和关断时间分别减少了54.8%、52.4%和0.8 ms。该新型MP-DCCB具有良好的可靠性与经济性,仿真结果验证了所提新型具有限流功能的多端口高压直流断路器拓扑可适用于当前直流电网。     

多端口混合直流断路器特性分析及其仿真研究

多端口混合直流断路器是一种可同时保护多条线路,且投资成本相对较低的新型断路器拓扑,在多端直流配电系统中具有广阔应用前景.文中针对晶闸管换流式多端口混合直流断路器进行研究,介绍了其用于N条线路保护的拓扑图,详细分析在正常运行、故障运行以及重合闸运行时断路器的保护动作过程及电路换流状态.最后,在PSCAD/EMTDC软件内...     

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。     

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%。     

基于新型柔性故障限流器的多端直流配电网故障隔离策略

针对多端直流系统故障电流峰值高、上升速度快以及无法保证非故障区域供电可靠性的问题,提出一种适用于中高压配电网的级联式新型柔性故障限流器与机械式直流断路器协同作用的故障隔离策略。首先通过微分欠压保护触发柔性故障限流器,实现极间电压箝位效果,抑制故障电流,提高直流系统故障隔离后的动态恢复特性。其次依据直流断路器的分断速度,实现故障限流器动作时间的灵活设置。利用断路器方向纵联保护信号保证故障区域换流站侧故障限流器的持续作用,直至直流断路器动作隔离故障。该策略还可避免换流站闭锁,降低断路器分断速度与开断容量要求,延长断路器使用寿命,提高系统供电可靠性。最后,在MATLAB/Simulink中搭建四端中压配电网模型,并通过仿真验证故障限流器的效果以及所提策略的可行性。     

适用于多端直流输电系统的模块化多端口直流潮流控制器

针对多端直流输电系统潮流控制技术问题,提出了一种模块化多端口直流潮流控制器(MM-DPFC)。与现有DPFC相比,其在保留无需配备外部电源、输电线路功率双向可控以及多端口输出等优势的基础上,保证了DPFC各端口输出电压可基于本地进行独立控制,避免了传统多端口DPFC对输电系统主换流站直流输出电压调节的依赖,增强了其控制方式的灵活性与系统的可靠性。同时,其采用标准模块化设计,易于实现后期的端口拓展与系统冗余。文中首先详细分析了该控制器的拓扑结构与工作原理;然后,设计了相应的控制策略,保证了控制器的有效运行;最后,通过仿真与实验对其进行了多种工况下的验证。     

三端口混合式直流断路器的工程应用

唐家湾三端柔性直流配电网工程成功应用了世界首套±10 kV三端口混合式直流断路器,可实现多端换流站的联络及故障快速隔离,从而保障系统安全可靠运行。文中针对唐家湾三端柔性直流配电网故障隔离需求,提出三端口混合式直流断路器的拓扑结构、工作原理和技术参数。进而进行三端口直流断路器工程样机研制,开展电流开断试验,试验结果表明,三端口混合式直流断路器工程样机可在2.7 ms内开断10 kA故障电流。最后,将三端口直流断路器工程样机安装在唐家湾三端柔性直流配电网工程,并进行三端系统在线投入、三端系统在线退出和三端系统电流开断试验共3个关键试验,试验结果表明,三端口直流断路器运行状况良好,功能和性能满足工程设计和运行要求。