低损耗双向Z源固态直流断路器设计

随着直流输配电技术的不断发展,直流故障保护问题日渐凸显,断路器作为故障保护的一种重要装置,逐渐向损耗低、动作快方向发展。Z源固态直流断路器具有结构简单、响应迅速、分断无弧等特点,为直流保护提供了新方案。文中提出了一种新型双向Z源固态直流断路器,在分析其工作原理的基础上,给出了其设计方法,并对比了现有典型Z源直流断路器的保护特性。新型拓扑采用电容取代传统结构中二极管的反向阻断作用,降低断路器通态损耗,并通过反并联晶闸管实现能量双向流动,无须外加检测与控制电路,通过阻抗网络参数设计便可实现短路故障的迅速自动响应。最后,基于仿真和原理样机实验对所设计的固态直流断路器的有效性进行了验证。     

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。     

新型直流固态限流断路器设计与分析

采用功率半导体器件实现的固态断路器(solid state circuit breaker,SSCB)具有无弧、快速、精确的分断性能,应用前景十分广阔。该文在传统固态断路器基础上提出了一种基于集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)和普通晶闸管(silicon controlled rectifier,SCR)的新型直流固态限流断路器(solid state current limiting circuit breaker,SSCLCB)技术方案,能显著减小小电流分断时间,改善主开关IGCT并联工作的可靠性,提高断路器功率等级,并完成了1500V/4000A断路器原理样机的初步设计。在理想直流系统中的限流分断过程仿真结果表明,断路器能在50μs时间内实现13k A、20A/μs短路电流的换流分断,并将短路电流峰值限制在17k A以内。样机试验结果显示,4000A正常工作电流直接分断时间不超过10μs,并在50μs内完成了13k A短路电流的换流分断,验证了新型直流固态限流断路器技术方案的正确性和实际应用的可行性。     

基于电容换流的高压直流断路器研究

柔性直流电网技术面临快速隔离直流侧故障的巨大挑战,直流断路器被认为是直流故障隔离的有效解决方案。针对高压直流断路器普遍存在的直流故障隔离速度慢、换流站侧提供短路电流的水平高等问题,提出了一种新型高压直流断路器拓扑,利用基于电容的换流支路为断路器的可靠、快速分断创造条件,能够快速隔离直流故障,有效限制短路电流水平,降低直流故障对换流阀的冲击。描述了拓扑的结构及工作原理,对故障分断过程进行了理论分析;分析了两种分断策略与拓扑参数的影响关系。通过仿真平台搭建高压直流断路器仿真模型,仿真结果验证了所提直流断路器拓扑隔离直流故障的有效性。     

基于IGBT的直流混合型固态断路器及其换流过程

分析和比较了各种固态断路器的优、缺点,提出了适用于直流电力系统的基于IGBT的混合型固态断路器.通过搭建的固态断路器试验平台,进行了直流短路电流分断试验,并理论分析了影响其换流时间的电路参数.与机械断路器分断短路电流实验结果的对比表明,该断路器能有效分断直流短路电流并且有分断时间快、限流能力强、无电弧等优点.     

基于晶闸管的电压钳位型混合直流断路器

直流断路器是保障直流电网安全稳定运行的关键设备,而当前的直流断路器方案普遍存在故障清除速度慢、限流效果差、重合闸时间长等问题。为解决上述问题,提出一种基于晶闸管的电压钳位型混合直流断路器。所提直流断路器通过可变钳位电压迫使故障电流下降过零,实现故障快速清除;故障清除期间不会加剧短路电流的上升,具备良好的限流能力;具备快速重合闸功能,适用于直流电网瞬时性故障场景。阐述所提断路器的拓扑结构与工作原理;对其开断过程展开理论推导;最后,分别在PSCAD/EMTDC两端直流系统、四端直流电网模型中验证其有效性与适用性。     

新型混合式限流断路器设计及其可靠性分析

混合式限流断路器兼备了机械开关良好的静态特性和固态开关无弧快速分断的动态特性,是国际上断路器研究的新方向。文中提出了一种基于快速晶闸管的新型混合式限流断路器结构,并针对低压场合,开展了2kA/320V混合式限流断路器样机的设计研制工作。深入分析了限流断路器的关断可靠性,证明了关键参数设计的正确性,并对参数设计进行了优化。试验结果表明,自行研制的超高速斥力开关能够在接到分闸指令280μs时间内完成触头分离,将电流转移到由大功率快速晶闸管组成的固态开关电路上,该快速晶闸管开关电路可在最短53μs时间内实现对10kA短路电流的可靠分断。     

混合式直流断路器模型及其操作暂态特性研究

该文围绕±10 kV柔性直流系统中的自然换流型混合式直流断路器操作暂态特性进行分析并建模仿真。首先简要分析直流断路器拓扑结构,提出一种基于绝缘栅双极型晶体管的自然换流混合式断路器。随后设计了断路器的动态模型,并整定了动作时序。接着讨论了断路器参数变化和故障特性对断路器分断性能的影响,利用PSCAD/EMTDC仿真软件分析了极间短路故障时直流断路器的暂态特性。仿真结果表明,电流转移过程能否正常进行对断路器开断有很大的影响,转移回路的杂散电感与电流转移时间接近线性关系,金属氧化物压敏电阻吸收电流持续时间对断路器成功开断故障有很大影响。此外,该文还设计了电流转移实验验证研究结果的正确性。研究结果可用于指导直流配电系统和断路器设计和电磁暂态分析。     

一种基于两阶段电流转移的新型直流断路器

基于高速开关(fast-opening switch,FS)和并联电容电流强制转移原理的混合型直流断路器在直流系统短路电流分断中具有广泛的应用。但是,通过单阶段转移将故障电流从FS转移至并联电容器时,由于转移过程持续时间短,电容器需要在很短的时间内吸收系统电感中存储的能量,因此高速开关触头间过电压上升速率非常高,容易引起FS发生击穿而导致开断失败。针对上述问题,文中提出了一种基于两阶段电流转移的新型直流断路器,通过转移电路的晶闸管控制故障电流分两阶段给电容器充电,不仅可以实现FS无弧打开,而且可以显著降低开断过程中FS两端的过电压上升速率。此外,分断完成后电容器上的电压极性与初始状态一致,不需要重复充电。文中基于MATAB Simulink对该断路器在中压直流系统中不同短路电流上升率情况下的分断过程进行了仿真,并且与传统的单阶段转移过程进行了比较。最后,利用合成回路模拟直流短路故障,完成了故障电流开断实验研究,验证了仿真模型的可行性。     

混合式高压直流断路器电流开断试验装置设计

直流断路器最重要、最基本的功能是能在短路故障的工况下及时分断短路电流。整机开断试验需要模拟实际工程中最严酷的短路电流开断工况以有效检验直流断路器开断能力。基于混合式直流断路器特性提出了一种等效开断试验装置拓扑结构,并对其拓扑结构组成、运行原理、关键组成部分的应力分析、电气参数计算方法、试验仿真开展研究,研究结果可作为试验装置平台开发和直流断路器开断试验相关工作开展的理论基础。     

±10kV直流配网用混合式中压直流断路器拓扑设计与试验

为解决±10 kV柔性直流配电网发生短路时故障电流大,开断短路电流困难的问题,提出一款±10 kV混合式中压直流断路器拓扑方案.利用PSCAD/EMTDC软件对该直流断路器拓扑进行仿真.仿真结果表明:当系统发生短路时,直流断路器能够在2.54 ms(《3 ms)时间内分断2.5 kA短路电流,转移支路中承压绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)两端最大电压约为17.5 kV,同时研究了RC回路中不同R值(1 Ω,5 Ω,10 Ω)对系统电压振荡波形的影响,R取值越大振荡时间越小;同时理论推导了直流断路器分断过程中的电气应力暂态方程.最后基于所提出的拓扑结构研制了±10 kV直流断路器样机,搭建试验平台对直流断路器开展分断试验.试验结果表明:该款±10 kV直流断路器能够在3 ms内双向(正向和反向)开断100A小电流和2.5 kA短路大电流,试验结果与仿真结果保持一致.     

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。     

一种具有限流能力的耦合型直流断路器

针对直流断路器(direct current circuit breaker, DCCB)故障清除时间慢、限流能力弱以及容量设计小等问题,提出了一种具有限流能力的耦合型直流断路器(current-limiting coupled DCCB,CL-CDCCB)拓扑结构,首先介绍了CL-CDCCB拓扑结构与工作原理,对分断过程进行理论推导,然后给出主要器件参数的选择;最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建直流系统接地短路仿真实验模型。仿真结果表明,CL-CDCCB可以有效地缩短故障分断时间,降低吸能元件的电气应力,能够达到直流故障开断的要求。     

城市轨道交通1 800 V高速混合式直流断路器研制

为解决城市轨道交通直流牵引系统短路故障电流上升率高、短路峰值大、难以快速开断的问题,设计了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,并提出了其高速开断策略。高速混合式直流断路器整体方案选用零电压型混合式直流断路器拓扑结构,采用快速斥力机构提升断路器响应速度,重点对真空电弧电流转移特性、真空短间隙介质恢复特性与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)短脉冲开断裕量等关键基础特性进行研究,得到上述关键特点的影响规律,基于此提出了混合式直流断路器高速开断策略和算法。研制了1800 V/10 kA高速混合式直流断路器,进行了初步实验验证,研究结果表明,高速开断策略可实现全分断时间小于2 ms,并通过理论推导得到IGBT短脉冲开断裕量可以达到5倍以上。     

航空270V混合式断路器分断瞬态特性及实验研究

270V高压直流供电系统成为航空航天领域新的发展趋势,而直流短路电流的可靠分断是制约航空高压直流应用的关键因素。文中对比分析目前航空系统中采用的直流开断技术,设计了一种新型混合断路器。首先,基于混合断路器的控制时序理论分析分断瞬态过程及特性,给出缓冲支路电容选取方法及压敏电阻选取原则。其次,对所设计的新型拓扑结构进行仿真分析,深入研究缓冲和吸收瞬态过程。仿真结果表明,分断过程中设计的新型拓扑结构,具有有效抑制电源侧过电压的能力。随后研制额定100A,可靠分断2200A短路电流的小型化新型混合断路器样机。最后,实验研究混合断路器的分断特性,实验结果验证了换流、缓冲吸收瞬态过程,并得出IGBT过流失效是影响该混合断路器分断性能的主要因素。     

一种结合直流断路器的直流故障限流器拓扑

直流系统短路电流的限制与开断技术是直流输电技术发展的瓶颈。针对这一技术问题,文中在分析已有直流限流器和直流断路器拓扑的基础上,提出一种适用于直流系统的改进型故障电流限制器的拓扑结构,该设备利用直流断路器使用的电流转移原理分断电路,可在系统发生短路故障时快速限制短路电流的上升率及短路电流水平,有效保障内部的电力电子器件避免过电压而造成的损坏。通过在MATLAB/Simulink平台搭建仿真模型并进行故障限流的仿真,验证了限流器的功能和限流指标,仿真分析结果表明所提出的限流器具有良好的限流效果。     

中压船舶直流供电系统限流开断技术

中压直流供电系统是未来船舶供电的一个典型应用场景,中压直流断路器则是保障该供电系统安全可靠运行的关键设备之一.船舶供电系统的阻抗小,故障电流及其上升率大,故要求直流断路器兼具故障限流与大容量开断功能.该文首先简述船舶供电系统的特点及直流故障的电流特性,然后重点介绍了基于固态开关分断技术的全固态直流断路器和混合型直流断路器的研究进展,分析了它们的优缺点,并对它们在中压船舶直流供电系统中的应用进行了工程和技术的可行性分析.最后对单向分断新型强迫换流原理的混合型断路器方案在10kV/5kA系统的应用进行了可行性分析,并对其工程应用需要攻克的难点及关键技术进行了展望.     

集成直流断路器功能的模块化多电平换流器

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的直流短路故障电流清除能力是柔性直流输电系统在架空线应用场合必须解决的问题。提出了一种集成直流断路器功能的MMC拓扑结构(MMC integrated with DC circuit breaker,IDCB-MMC)。IDCB-MMC在换流器部分采用了带有双向旁路晶闸管的子模块,在直流断路器部分采用快速机械开关和辅助电子开关串联作为主支路。在发生直流短路故障时,通过换流器部分与直流断路器部分控制方式的配合,可以将故障电流的能量转移到并联于直流母线间的能量吸收支路中,从而可以避免使用成本高且占地大的电力电子开关转移支路来分断故障电流。通过对一个1000MW/±320k V的双端柔性直流输电系统中的一极进行仿真研究,验证了IDCB-MMC可以有效清除直流短路故障电流。IDCB-MMC仅需在常规半桥MMC的基础上增加少量电容和开关器件,以及一个快速机械开关,在成本和占地上相对常规混合直流断路器方案有很大优势。IDCB-MMC在损耗方面也远小于各类具有直流故障阻断能力的改进型MMC拓扑结构。     

基于电弧电压的混合型直流断路器

混合型直流断路器同时具有传统机械开关良好的静态特性和固态开关无弧快速关断的动态特性,多端直流输电网络很大程度上依赖于直流断路器技术的发展。文中提出了一种基于电弧电压的混合型直流断路器,推导了电流换流物理过程的数学关系。通过有限元分析软件,进行了关键部件——电磁斥力机构高速开关的仿真计算。在以上基础上进行了1kA/15kV直流断路器样机的设计研制,试验结果表明,该样机的电弧最大换流能力为3kA,电流从高速开关向固态开关转移的过程呈指数关系,与理论推导相符。该样机能够在5ms内分断10kA短路电流,分断时间主要取决于高速开关开断速度以及电弧电压大小。     

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。