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。     

具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器

直流断路器是直流输电系统安全稳定运行的核心装备。提出了一种具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器(current limiting hybrid high voltage DC circuit breaker with reclosing function,RFL-HDCCB)。RFL-HDCCB拓扑利用限流支路的对称性,既实现了双向故障电流分断功能,又能够完成重合闸功能。无论是瞬时性故障还是永久性故障,都能够实现重合闸功能,恢复系统正常供电。分阶段对RFL-HDCCB的工作原理进行研究分析,然后对RFL-HDCCB进行了参数设计,最后利用PSCAD软件搭建起了系统仿真模型进行验证。验证结果表明,所提出的高压直流断路器与传统断路器相比,不仅能有效降低故障电流的上升率,减少对避雷器的耗能要求,而且降低了机楲开关的分断压力,限流能力明显,体现了所提方案的合理性。     

具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器

直流断路器是直流输电系统安全稳定运行的核心装备。提出了一种具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器(current limiting hybrid high voltage DC circuit breaker with reclosing function,RFL-HDCCB)。RFL-HDCCB拓扑利用限流支路的对称性,既实现了双向故障电流分断功能,又能够完成重合闸功能。无论是瞬时性故障还是永久性故障,都能够实现重合闸功能,恢复系统正常供电。分阶段对RFL-HDCCB的工作原理进行研究分析,然后对RFL-HDCCB进行了参数设计,最后利用PSCAD软件搭建起了系统仿真模型进行验证。验证结果表明,所提出的高压直流断路器与传统断路器相比,不仅能有效降低故障电流的上升率,减少对避雷器的耗能要求,而且降低了机楲开关的分断压力,限流能力明显,体现了所提方案的合理性。     

具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器

为解决直流电网故障隔离及重合闸判断问题,提出了一种具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器。该方案利用电容换流支路取代了传统混合型直流断路器的电力电子转移支路,与混合型直流断路器相比,其绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)数量降低了96.1%,大大降低投资成本。通过增加引流支路来降低避雷器耗能容量并有效缩短故障隔离时间,利用故障类型判别支路来判断故障类型是瞬时性故障还是永久性故障,避免重合闸于永久性故障线路,防止电力系统再次遭受故障冲击。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证所提方案的有效性,并与目前已有方案在器件使用量和器件吸收能量等方面进行详细对比分析,体现了所提方案具备较优的综合性能优势。     

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。     

基于广义H桥电路的混合式直流断路器

基于多端直流电网快速发展的现状，针对直流故障清除问题，提出了一种基于广义H桥电路的高压混合式直流断路器。利用H桥结构电流双向流动的特点，将转移开关和主断部分以二极管H桥的形式实现复用，并且取消了常见的反并联二极管，在保证直流故障处理能力不变的前提下，所需IGBT（绝缘栅双极型晶体管）数量大幅减少。为了验证基于广义H桥电路的混合式直流断路器及其故障隔离方法的有效性，在PSCAD/EMTDC平台搭建了四端直流电网测试系统，仿真验证了其可行性。同时将本方案和其他方案进行了拓扑、器件成本方面的对比，结果表明本方案具有良好的经济性。     

混合式高压直流断路器中的快速机械开关研究

针对能够应用于±160 kV南澳多端柔性直流工程的混合式高压直流断路器中的关键部件——快速机械开关进行了仿真试验研究。研究了快速机械开关采用两个80 kV的SF6断口串联方案,利用Ansoft Maxwell有限元软件对断口进行了电场仿真,结果表明断口动、静触头开距为15 mm时能够满足耐受80 kV直流电压的要求;研究了采用电磁斥力机构作为断口的快速操动机构的可行性,设计了电磁斥力操动机构样机,试验论证了快速机械开关可以在3 ms左右分闸到位。     

混合式高压直流断路器的控制策略与实验研究

现有的高压直流断路器能够在几十ms内断开电路,但对于高压直流输电系统,远不能达到要求。基于半导体的高压直流断路器能克服动作速度上的问题,但需要大量电力电子开关器件串并联,有很高的技术难度,同时会产生大量损耗。为了克服上述缺点,采用一种混合式高压直流断路器的拓扑结构。首先介绍了断路器开通和关断的原理,接着提出一种故障预处理的控制策略,在故障发生时提前进行换流,从而缩短故障发生后线路开断的时间;最后利用PSCAD进行建模仿真,制作了单元样机进行降压实验。仿真和实验结果证明：在系统发生短路的情况下,混合式直流断路器能够快速开断短路电流,还可以在直流线路分断后为直流线路及负载中储存的能量提供释放回路。     

基于混合式直流断路器的柔性直流电网快速重合闸策略

基于混合式直流断路器(hybrid direct current circuit breaker, HDCCB)保护的柔性直流电网在故障清除之后,需要对故障线路进行快速重合闸操作。在直流系统被孤立的换流站重合闸于故障清除状态的故障恢复期间,会有较大的功率波动导致重合闸过程中功率恢复缓慢,不能满足直流电网快速重合闸的要求。该文首先基于HDCCB的拓扑结构提出重合闸操作时间最短的快速重合闸操作流程。然后基于直流电网的控制系统,从直流电网的故障开断过程出发,揭示了在直流电网重合闸过程中功率波动的原因,并且提出了优化之后的快速重合闸策略,以实现直流系统重合闸于故障清除状态时功率的快速恢复。利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建5端柔直系统进行仿真,结果表明所提出的快速重合闸策略能够有效地抑制孤立换流站在重合闸于故障清除状态时故障恢复过程中的功率波动,缩短重合闸恢复时间50%以上,提高直流系统的输电可靠性。     

具备自适应重合闸能力的电容箝位式直流断路器

为了解决直流电网直流故障线路切除及重合闸问题,提出了一种具备自适应重合闸能力的电容箝位式直流断路器.该方案采用耐压、耐流能力强且价格低廉的晶闸管作为主要开关器件,利用电容箝位模块主动升压,起到高电压支撑作用,迫使换流器出口故障电流快速下降至零,然后通流模块自然关断从而隔离故障线路.并且该方案利用自适应重合闸判断模块的电...     

基于转移支路逐组导通的混合式直流断路器软合闸策略

直流断路器是构建直流电网的关键设备,通过合闸实现输电线路和换流站接入直流电网、重合闸实现故障输电线路的快速恢复。本文以混合式直流断路器为研究对象,首先介绍了其合闸/重合闸工作原理,然后提出了利用转移支路电力电子模块逐组导通的软合闸策略,并分析了软合闸策略的2类基本暂态过程。通过不同合闸/重合闸应用场合下的暂态过程分析得出,直流断路器采用软合闸策略不仅可以消除输电线路接入直流电网和重合闸快速恢复故障线路时的操作过电压,而且可以实现换流站从直流侧无预充电回路并网启动。此外,还提出了软合闸过流保护方法和耗能支路能量均衡方法来优化软合闸策略,可有效减小合闸于故障的开断电流以及耗能支路能量的不平衡。最后通过PSCAD/EMTDC仿真验证了软合闸策略、软合闸过流保护方法和耗能支路能量均衡方法的正确性与有效性。     

混合式直流断路器重合闸策略

架空线的使用将造成未来柔性直流电网瞬时性故障发生的概率增大,必须配备有效的重合闸策略进行系统恢复。为了减少混合式直流断路器转移支路同步重合可能带来的保护误动、绝缘破坏甚至电力电子器件损坏等不利影响,提出了一种利用转移支路分级投入的新型重合闸策略。结果表明,转移支路分级重合能够有效降低重合闸过程中产生的电压突变及由此带来的不利影响。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了4端柔性直流电网电磁暂态模型,验证了所提出的新型重合闸策略的有效性和可行性,并对两种重合闸策略进行了适用性分析。     

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。     

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。     

多端口电感耦合型直流限流断路器快速重合闸策略

高压直流（high voltage DC,HVDC）电网是连接可再生能源与交流主网的主要载体,直流故障后的恢复速度对整个交直流电网的稳定性有重要影响。基于多端口电感耦合型高压直流限流断路器,提出一种与直流电网换流器控制策略相配合的快速重合闸策略。介绍了多端口限流断路器的拓扑结构,分析了换流器控制策略对故障隔离后直流电压的影响,并对限流断路器的重合闸时序进行了选择,形成了与风电场等弱交流系统连接的换流器-断路器协调配合重合闸的控制策略及逻辑流程。在4端双极直流电网仿真模型中,验证了所提重合闸策略具有冲击电流较低,故障恢复时间较短的优势。     

高压直流断路器研究综述

高压直流(HVDC)电网是解决可再生能源大规模接入的重要途径,而高压直流断路器(HVDC CB)是直流电网发展的瓶颈问题。笔者针对高压直流输电技术的发展趋势,分析了高压直流电网对高压直流断路器的需求;介绍了各种直流开断方法的基本原理,并分析了其在高压直流电网中应用的可行性;着重介绍了混合式高压直流断路器和基于人工过零的高压直流断路器的研究和发展现状,对其开断过程进行了较为详细的分析,并对其进一步的研究中的关键问题给出了建议。     

基于MMC与DCCB协调配合的直流电网快速重合闸策略

柔性直流电网是多类型可再生能源高效外送的重要途径,如何设计高效的重合闸策略使其具备故障后快速恢复能力,是提高整个交直流电网稳定性需要解决的关键性问题。根据直流断路器以及换流器的工作机理,提出一种断路器-换流器协调配合的重合闸控制策略及逻辑流程。为验证所提出的方法,在Matlab平台中搭建了3端500 kV柔性电网模型以及直流断路器模型进行仿真验证,此外还搭建了8开关组的断路器实验样机,与Matlab中的柔性直流电网进行数字物理混合实验验证,证明了所提出的重合闸策略的可行性以及工程适用性。     

考虑快速重合闸的快速泄流型混合式直流断路器

直流断路器是柔性直流输电的关键保护设备,现有的高压直流断路器主要有2条技术路线:基于人工过零的机械式方案与基于电力电子器件的混合式方案。以一种"快速泄流型混合式直流断路器"拓扑方案为基础,首先介绍了该方案的拓扑结构与分断过程,探究了直流断路器对重合闸时间的要求,并对该方案进行了重合闸时间的适应性分析,指出其不适应于快速重合闸的缺点。然后在原方案的不同位置加入阻容元件,形成了3种改进方案,并通过理论分析和仿真分析手段对其进行验证和对比。结果表明:3种改进方案均可大幅加快故障侧电感的放电速度,从而满足快速重合闸的要求;方案2、方案3适用于对故障限流要求比较严格而对成本不敏感的场合,方案1简单易行,可在大幅加快故障侧电感放电的同时仅小幅减缓非故障侧放电,是综合效果最好的方案。     

混合式高压直流断路器研究现状综述

随着柔性直流输电技术在近三十年的巨大进步,高压直流断路器研究成为国际研究热点。文中针对高压直流输电技术的发展趋势,论述了高压直流电网对高压直流断路器的强劲需求;介绍了目前应用较为普遍的混合式直流断路器发展历程、拓扑结构及开断原理;在此基础上,从元器件数量、设备可靠性方面对比分析了目前基于IGBT级联型双向开断的混合式直流断路器、基于H型全桥拓扑结构的混合式直流断路器、二极管带IGBT全桥拓扑结构的混合式直流断路器3种典型技术方案的优劣;总结了现今高压直流断路器研究的技术难题和未来发展方向。     

一种具有限流能力的新型混合式高压直流断路器拓扑

受到高压直流断路器开断容量以及关断时间的限制,直流电网面临故障抑制与清除的难题。提出了一种具有限流能力的混合式高压直流断路器拓扑,通过在电流转移回路中引入限流装置,达到有效抑制故障电流目的。分析了该断路器的拓扑结构、工作原理,并给出了断路器关键参数的计算方法,最后,针对三端柔性直流输电系统应用,在PSCAD/EMTDC平台进行仿真验证。仿真结果表明相较于其他方案,该断路器在系统正常运行情况下的通态损耗小、动态特性好,出现故障时能够快速切除故障电流,满足多端柔性直流输电系统对故障电流的抑制要求。