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。     

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。     

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。     

直流断路器

自1954年瑞典首建96公里高压直流线路以来,高压直流输电,对长距离、大容量输电和联网工程已是一个极为重要的、可以供选择的优越方式。美国太平洋联线,长达1360公里,输送能力为1440兆瓦,电压为±400千伏,是当今世界上容量最大、线路最长的直流线路。目前苏联正在架设一条电压为1500千伏,长度为2400公里的超高压直流输电线路。它的输送能力预计为6000兆瓦,年输电量为420亿瓦小时。我国已经引进直流设备并建设葛洲坝至上海±500千伏直流输电工程。     

基于真空断路器与SF6断路器串联的新型混合式高压直流断路器理论分析

提出基于真空断路器与SF_6断路器串联的混合式高压直流断路器新型拓扑结构,在传统强迫过零直流开断的基础上,提出以高压串联晶闸管组件续流支路创造主开关电压零休的思路,进而提高主开关的动态介质恢复强度。分析了新型混合式高压直流断路器的拓扑结构、工作原理、工作过程,得到其电压零休时间的数学描述和动态电压分布协同调控措施。然后基于连续过渡模型和改进Mayr模型搭建了新型混合式高压直流断路器的仿真电路,分析得到续流支路限流电阻、电感、振荡回路参数等对电压零休时间、反向暂态恢复电压的影响规律。     

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。     

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%。     

基于换流站节点类型的直流断路器配置方法

直流电网是应对远距离大容量输电、新能源并网及消纳等问题的有效手段,然而低阻尼特性、故障发展速度快的特点使得故障隔离困难,提升直流电网故障清除能力具有重要意义。文中基于电网中直流断路器的配置要求,提出了一种基于换流站节点类型的直流断路器配置方法,介绍了不同故障情形时该配置方法中直流断路器的动作时序、重合闸策略,并分析了输电线路保护判据及与换流站协调配合的措施。在PSCAD/EMTDC中搭建三端混合仿真模型,对文中所提配置方法与传统的配置方法下的故障进行仿真对比分析,仿真结果表明,所提配置方法能够快速隔离高压直流电网中的故障,减少停电范围,提高供电可靠性,可作为实际系统的一种可行方案。     

模块级联多端口混合式直流断路器研究EI北大核心CSCD

高压直流断路器是解决多端及直流电网故障快速隔离的有效方式,近年来发展迅速,国际上完成了多种技术路线样机开发与工程应用。混合式高压直流断路器是当前主流技术路线,因采用大量全控器件,利用率低、成本较高,制约了其在直流电网中规模化应用。该文针对直流电网中多直流出线应用场景,基于模块级联技术提出一种多端口混合式直流断路器拓扑,阐述其在典型系统故障工况下动作原理,完成核心部件电气应力数值分析与设计,仿真研究所提方案在四端直流电网应用性能,完成与现有技术对比分析,论证所提出多端口组合开断方法可行性与实用性,为高压直流断路器技术经济性能提升提供解决方法,推动高压直流断路器在直流电网中更为广泛应用。     

混合式高压直流断路器暂态分断特性及其参数影响分析

混合式高压直流断路器(DC Circuit Breaker, DCCB)的本质是分断故障电流。分断暂态过程中的电气参数是决定断路器分断性能的核心所在。在分析DCCB拓扑结构的基础上,将断路器分断暂态过程划分为三个阶段。通过建立带DCCB的直流电网故障等效电路和断路器分断各暂态阶段的系统级等效电路,来分析分断过程中断路器自身的暂态特性。将断路器自身参数与直流系统参数联合起来,分别对断路器的两次换流过程进行详细分析。建立了断路器分断电流、暂态电压和开断时间的数学模型,推导断路器分断全过程中的分断电流以及最大暂态电压的计算表达式,并分析了断路器参数对分断性能的影响情况。利用PSCAD/EMTDC软件,搭建系统级混合式DCCB仿真模型,验证了所建立的断路器暂态模型的正确性及参数选取对断路器开断性能的影响。     

基于直流断路器的柔性直流电网架空线路故障隔离策略研究

柔性直流输电技术未来将向大规模柔性直流电网发展,从经济性和通用性来看使用架空线路的柔性直流电网最具发展前景,然而架空线路故障率较高,如何实现直流线路故障的快速隔离和系统恢复成为制约柔性直流电网发展的关键因素。针对该问题,文中基于张北柔性直流电网示范工程,以半桥结构的模块化多电平换流器进行了研究,提出了适用于工程应用的直流架空线路故障隔离措施和线路故障恢复策略,并基于RT-LAB实时仿真平台搭建了张北工程四端直流电网系统,对相应的隔离方法及故障恢复策略进行了仿真验证,结果表明,可降低直流线路故障对交流系统的影响,降低直流限流切除对系统稳定性和安全性的影响,为柔直电网工程的实际应用提供了依据。     

基于电流注入的新型混合式直流断路器EI北大核心CSCD

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,最大程度地保障系统健全和可靠持续运行的关键装备。目前,基于全控型电力电子组件级联的混合式直流断路器存在造价昂贵、控制复杂及难以大规模应用等问题。针对这一问题,该文提出一种基于电流注入的新型混合式直流断路器,利用直流系统本身对振荡支路电容进行预充电,通过晶闸管控制振荡支路电容、电感发生谐振而辅助故障电流迅速换流,实现直流线路故障电流快速阻断。首先分析电流注入基本原理,然后,在此基础上提出基于电流注入的新型混合式直流断路器,并详细阐述其工作原理,最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证所提新型混合式直流断路器的有效性和适用性。     

基于LC电源的混合式高压直流断路器分断试验方法

直流断路器分断试验为运行试验中最为核心的部分,其有效性直接关乎直流断路器电气性能的验证。该文针对柔性直流电网用混合式高压直流断路器分断试验展开研究,目的在于提出具有工程可行性的分断试验方法和试验参数。首先,在对混合式高压直流断路器原理和工况分析的基础上,揭示了混合式高压直流断路器整机应力特性;然后,在应力提取的基础上,提出了LC电源试验电路以及参数;最后,通过200 k V断路器整机短路电流分断试验验证了试验电路和试验方法的准确性。实验结果可为混合式高压直流断路器试验系统设计提供参考。     

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。     

高压直流断路器试验技术研究

文中主要介绍了机械式高压直流断路器的试验技术,它分为有源型和无源型高压直流断路器,并分别介绍了两种高压直流断路器的试验回路原理、试验方法以及两种高压直流断路器在大容量试验室完成容量开断试验的情况,给出了试验相关数据和典型试验示波图,为更高电压等级的高压直流断路器的研发试验提供技术支持。     

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。     

用于VSC-HVDC的混合式高压直流断路器运行试验方法

混合式高压直流断路器是直流成网的核心设备之一,为验证直流断路器设计的合理性和正确性,准确反映直流断路器电、热与机械等性能,需要对高压直流断路器运行试验进行研究。该文以交流断路器、换流阀等同类产品的试验标准作参照,对高压直流断路器的运行试验项目进行了研究。首先介绍了运行试验所用试验回路的工作原理,并对各个时刻相关设备的工作状态进行了分析;然后以83 k V样机为试品成功完成了运行试验,为将来进行更高电压等级的高压直流断路器运行试验提供参考。     

集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器

高压大容量DC/DC变换器是直流电网中电压变换的关键设备.提出一种集成直流断路器功能的高压大容量DC/DC变换器,利用变换器自身控制实现直流侧短路故障阻断功能,具有轻量化、低成本、高效率的优势.首先,分析该变换器的拓扑结构、工作原理,推导子模块、晶闸管、二极管等器件的参数设计依据;然后,提出闭锁子模块和晶闸管阻断故障电...     

500 kV整流型混合式高压直流断路器

直流断路器作为柔性直流电网故障元件的快速隔离装置,是构建直流电网的关键设备,能够大力支撑大规模新能源的高效并网和消纳。文中提出一种整流型混合式高压直流断路器电路拓扑,采用桥式换向阀组和单向开断阀组构成分断支路,与常规拓扑相比,使用一半数量的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)即可实现电流双向开断,经济性好和可靠性高。文中详细介绍了整流型混合式高压直流断路器的拓扑结构及其开断工作原理,并提出预分闸控制策略和软合闸控制策略,以缩短分闸时间和减小合闸操作冲击。研制了一台额定电压500kV,额定电流3kA,最大开断电流25kA,开断时间小于3ms整流型混合式高压直流断路器样机。实验结果验证了整流型混合式高压直流断路器电路拓扑的可行性和有效性