直流输电用大功率逆阻型IGCT器件关键技术研究EI北大核心CSCD

受限于大功率可关断器件的发展,高压直流输电用可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)一直未取得实质性进展。该文首先介绍基于换流器级联的CSC拓扑方案,搭建250kV/750kW的直流输电仿真系统,提取逆阻型集成门极换流晶闸管(revere blocking integrated gate commutation thyristor,RB-IGCT)器件应用于直流输电系统所应满足的技术要求;其次,分析低通态压降、损耗优化和高du/dt和di/dt的RB-IGCT器件关键设计方法。最后,对研制的4500V/3000ARB-IGCT关键核心参数进行实验验证。研究结果表明,所研制的RB-IGCT器件可以满足CSC的要求,是构建CSC的可行路线。     

短路故障下直流固态断路器缓冲电路的设计

在低压直流微电网发生短路故障时,直流固态断路器(Solid-state circuit breaker, SSCB)可以快速有效地将故障区域隔离,然而它自身的安全可靠性依赖于缓冲电路。由于SSCB上的缓冲电路的侧重点是过电压抑制能力和故障能量的快速吸收,而不是减少缓冲电路的损耗,所以不能直接使用适用于变换器器件的传统缓冲电路设计方法。因此,提出一种拥有过电压抑制能力的SSCB缓冲电路的设计方法。针对放电阻止型RCD缓冲电路进行保护动作后缓冲机理分析,选定三种性能指标并给出详细的参数设计步骤,然后选定工况计算出合适的缓冲参数。最后通过实验验证了上述分析结果的正确性和放电阻止型缓冲电路的有效性。     

基于IGBT串联技术的10kV固态直流断路器研制

直流断路器作为未来基于电压源换流器的柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统组网的关键设备,可以在出现短路故障时快速切断故障电流并使故障部分退出运行,避免停运整个直流系统。提出了一种适用于柔性直流输电系统的固态直流断路器技术方案,建立了IGBT串联的固态直流断路器仿真模型,研究了IGBT栅极电阻、拖尾电流和门极电荷等差异对IGBT串联均压特性的影响。仿真结果表明,静态和动态均压电路可有效改善IGBT间的均压效果。最后搭建了10个IGBT串联的直流断路器样机及实验回路,并完成了直流母线电压10 kV、峰值电流5.1 k A的关断实验,验证了基于IGBT串联技术固态直流断路器方案的可行性。     

一种配网级联式固态直流断路器的拓扑设计

直流断路器作为直流配电网的保护设备,对直流配电网的安全稳定运行有着重要的意义。本文提出了适用于直流配电网的级联模块式固态直流断路器拓扑设计方案,所提方案的拓扑结构通过引入接地续流二极管组,减轻避雷器吸收能量的压力,加快电流分断的速度;转移支路采用级联模块式的结构,解决了串联大量IGBT的动态均压问题。基于所提的拓扑设计了10 kV直流配电网的直流断路器模型,在PSCAD/EMTDC中进行了验证,并与其他文献的方案进行对比分析,结果表明:基于所提的方案的固态直流断路器最大开断电流为5 kA,最快切除故障电流时间为2.96 ms,避雷器吸收能量的时间为1.24 ms,吸收的能量较其他方案减半,符合直流断路器设计的要求。本文的仿真结果验证了该方案的可行性。     

基于IGBT的新型固态直流断路器设计与分析

直流断路器是柔性直流输电系统组网的关键设备,对直流输配电网的安全性、稳定性有着重要的意义.文中提出了一种基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的新型固态直流断路器拓扑,在提高断路器切断电流能力的同时,提高了避雷器和IGBT的使用寿命.通过引入接地引流二极管...     

基于PMOS的自取电直流固态断路器

相比传统机械式断路器,固态断路器(solid-state circuit breaker,SSCB)以其分断速度快、不产生电弧等优点,在直流电网中得以广泛关注。然而,固态断路器基于半导体开关器件,除功率电路外还需要额外的控制和驱动电路,这部分电路工作需要外接供电电源,提高了系统复杂程度,特别是在电网自身故障时,供电电源也可能不稳定,降低了固态断路器的可靠性。为此,提出了一种基于PMOS的自取电直流固态断路器,并分别通过仿真与实物样机证明了本固态断路器的可行性与有效性。实验结果表明,所提固态断路器在正常导通时,PMOS处于完全开通状态,不影响线路正常工作时的电压;在直流系统发生短路故障时,利用短路电流耦合能量在无需额外供电电源的前提下使得PMOS可靠关断,提升了系统的稳定性与可靠性,可以应用于直流微电网或者电池储能等场合,具有较好的应用前景。     

自适应限流型固态断路器的直流电源设计

为消除常规限流电抗对直流系统运行稳定性和直流断路器断流速度的不利影响,桥式限流型固态断路器实现了兼具自适应故障限流与断流的优异性能,但其桥电路中的直流偏置电源存在无过流保护和电源容量与投资成本相对较高的缺陷。针对桥式限流型固态断路器,文中设计了一种基于三相半波整流电路的直流偏置电源,提出了偏置电源参数选取和电压整定方法,有效减少了电力电子器件数量,实现了偏置电源过流保护电路,降低了偏置电源设计容量和制造成本。样机实验和仿真算例证明了所提出的自适应限流型固态断路器的偏置电源的优势。     

基于级联常通型SiC JFET的快速中压直流固态断路器设计及实验验证

固态断路器(solid state circuit breaker, SSCB)是直流配电网中实现快速、无弧隔离直流故障的关键保护装置。首先提出了一种基于级联常通型碳化硅(silicon carbide, SiC)结型场效应晶体管(junction field effect transistor, JFET)的新型中压直流SSCB拓扑,直流故障发生时利用金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistor, MOV)向SSCB主开关级联常通型SiC JFET器件的栅源极提供驱动电压,可快速实现直流故障保护。其次详细分析了SSCB关断和开通过程的运行特性,并提出了SSCB驱动电路关键参数设计方法。最后研制了基于3个级联常通型SiC JFET器件的1.5 kV/63 A中压SSCB样机,通过短路故障、故障恢复实验验证了设计方法的有效性。结果表明该SSCB关断250 A短路电流的响应时间约为20 s,故障恢复导通响应时间约为12 s,为中压直流SSCB的拓扑优化设计和级联常通型SiC JFET器件的动静态电压均衡性能提升提供了支撑。     

基于SiC JFETs并联二极管桥式双向直流断路器

这里提出了一种基于碳化硅(SiC)结型场效应管(JFETs)并联的二极管桥式双向直流固态断路器。首先介绍了断路器的基本拓扑结构,分析了断路器动静态过程中并联均流影响因素,进而提出了具体的并联均流措施;并且分析了二极管桥在关断过程中对故障电流流通路径的影响,针对故障电流缓冲电路加装在二极管桥内外的不同情况进行仿真分析,从而获得缓冲电路的最佳安装位置。最终设计了断路器样机并进行实验验证,实验结果表明,所提断路器具有较好的并联均流效果,而且拥有良好的故障电流缓冲效果。     

基于固态断路器主动注入式直流故障测距方法

随着直流配电网的快速发展与深化应用,准确可靠的故障测距技术对直流故障检修和恢复至关重要。该文提出一种基于固态断路器（SSCB）主动注入式直流故障测距方法。首先,利用SSCB开断主动注入不同脉冲宽度的信号,并检测注入脉冲首末端和反射波首末端的时间差作为注入波形传播时间间隔,能够减小采样频率带来的误差。然后,提取电缆线路电压线模量作为检测量,削弱正负极线路之间的耦合作用,获得稳定波速。最后,基于小波变换原理提出改进自适应模极大值方法来检测脉冲首末端时刻,减小噪声和过渡电阻对测距精度的影响。仿真结果表明,基于SSCB主动注入式测距方法在直流配电网单极接地和极间短路故障情况下均能够实现准确且快速的定位。     

基于常通型碳化硅JFET的自供电固态断路器

提出了一种新型的自供电固态断路器,该断路器采用常通型碳化硅(SiC)结型场效应晶体管(JFET)作为主开关,正常工作时无需外加驱动电压,采用无需额外电源供电的自激式反激变换器探测短路故障信号,并在较短的时间内输出与输入电压极性相反的电压驱使常通型SiC JFET关断。分析了自供电固态断路器的工作原理,利用电路仿真软件验证了所提自供电固态断路器的有效性。采用10只SiC JFET并联作为断路器的主开关,在没有电流转移和能量吸收支路的情况下,当直流偏置电压为200 V,实验验证了所组建的自供电固态断路器开断了960 A的短路故障电流。     

考虑直流固态断路器通态压降的低压直流配电网最优潮流

在直流固态断路器的实际应用中发现,其通态压降将对低压直流配电网的系统潮流产生不可忽略的影响。因此,文中对考虑直流固态断路器通态压降的低压直流配电网最优潮流(OPF)问题进行研究,建立了只包含连续变量的直流固态断路器稳态模型,从而可以方便地使用现有方法对该问题进行求解。通过RT-Lab仿真实验和对不同电压等级直流配电网的潮流分析可知,对于低压直流配电网而言,直流固态断路器的通态压降不可忽略,否则将导致较大的电压、功率计算误差,严重时将影响系统运行安全。此外,基于RT-Lab仿真平台,分别在考虑和不考虑断路器通态压降的情况下,对低压直流配电网OPF指令的控制效果给予验证。仿真结果表明,在低压直流配电网OPF中,考虑直流固态断路器的通态压降是必要的,并且所得到的指令可较为可靠地控制系统状态使其维持在可行域范围内。     

基于逆阻IGCT的可控关断电流源型高压直流换流器电气应力和损耗特性分析EI北大核心CSCD

逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate-commutated thyristor,RB-IGCT)的出现,为可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)的研究奠定了基础。为了推动器件在高压直流输电领域的应用,文中首先介绍最新研制的4500V/3000A逆阻IGCT的技术参数;其次,介绍CSC拓扑方案,提出子模块缓冲电路,能够实现器件的动态均压和IGCT取能的要求;接着,以换流阀电压和电阻损耗最低为约束条件,给出子模块串联数、缓冲电路参数设计和损耗分析等综合优化方法;然后,搭建250kV/750MW的LCC-CSC混合输电系统模型,给出缓冲电路和主要杂散参数的范围;最后,基于研制的4500V/3000A的逆阻IGCT子模块,验证所提缓冲电路的有效性,并对比分析在该参数下CSC、传统直流和柔性直流的损耗情况。结果表明,由逆阻IGCT串联构成的CSC,相对于传统直流换流阀具有可控关断的技术优势,相对于柔直换流阀,具有器件少、损耗低等优势。     

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。     

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.     

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.     

直流系统中馈电直流断路器的选用及安装

介绍直流电源在电力系统中的重要作用,详述了直流专用断路器的设计、选择及计算方法,并介绍了直流断路器在安装中的注意事项.     

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。     

环网式三端直流输电系统及直流断路器应用的分析与仿真

分析了多端直流输电系统的基本原理,利用 PSCAD/EMTDC 软件建立了多端直流输电系统仿真模型,并建立了含直流断路器的多环网式多端直流输电系统模型,通过仿真研究了直流断路器开断直流输电线路的过程,分析直流断路器在环网式多端直流输电系统中的作用.对直流断路器切除环网式三端直流输电系统一条输电线路的过程及切除故障换流站分别进行了仿真分析.仿真结果表明,当利用直流断路器切除环网式多端直流输电系统的一条输电线路时,输电线路的电流重新分配,能保证功率输送的连续性.在这种情况下,对各个换流站输出或输入的功率影响不大,对与直流系统连接的交流输电网影响很小.当切除故障换流站后,该系统最大限度地保持功率传输及电流的有效分配,保持稳定运行