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。     

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...     

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。     

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。     

采用直流断路器的对称单极多端柔性直流故障清除策略

针对直流断路器应用中直流线路故障快速选择性隔离问题,研究了对称单极多端柔性直流线路故障清除策略。根据对多端直流系统的单极和双极接地故障特性的分析结果,得到了单极和双极故障初期相同的故障电流上升率余弦特性衰减特性。提出了基于电流变化率的方向纵联选线策略,同时设计了采用直流断路器策略实现故障隔离和重合闸的直流线路故障清除方案。通过搭建的PSCAD/EMTDC模型,对单极接地故障时的电流上升率特性和设计的直流线路故障清除策略进行了验证,仿真结果证明了电流上升率特性的正确性以及所述故障清除策略的有效性。     

直流微电网故障保护技术研究综述

直流微电网故障保护是交直流混合微电网发展的一大挑战,因此,围绕目前直流微电网故障保护中故障特性分析、故障检测与定位方法、故障隔离方案这3个关键技术的最新进展进行了综述和分析。首先,总结了直流微电网常用的拓扑结构、接线形式以及端口换流器类型。其次,分别分析了基于两电平和模块化多电平换流器的直流微电网特性,归纳了故障直流微电网直流线路和换流器的暂态建模方法。然后,分别整理了故障检测与故障定位中的常用方法,从时域和频域两个方面总结了故障检测方法,并从无源和有源两个方面总结了故障定位方法。接着,分析了交流断路器、直流断路器+直流限流器、具有自清除能力的模块化多电平换流器和多功能一体化拓扑结构共4种故障隔离方案。最后,总结了直流微电网故障保护关键技术的研究进展,并给出了直流微电网故障保护下一步研究的几点建议。     

一种具备限流功能的混合式高压直流断路器

直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)是保证直流电网安全可靠运行的关键装备.针对DCCB普遍存在的限流效果差、故障清除速度慢等问题,提出一种具备限流功能的混合式直流断路器(current-limiting hybrid DCCB CL-HDCCB)拓扑.CL-HDCCB在传统DCCB基础上增加了限...     

新型多端口直流断路器及其在直流电网保护中的应用

直流电网中,采用高压直流断路器切除故障线路能够有效清除直流故障,但现有的直流断路器投资成本高,系统正常运行时电力电子器件冗余。文中提出一种新型多端口直流断路器(multiport DC circuit breaker,MP-DCCB)拓扑,采用单个主断路器保护多条直流线路,利用通流能力大的晶闸管作为主断路器和直流线路间的控制单元,有选择性地切断故障线路。然后,设计了能够吸收限流电感能量的转移支路来降低避雷器需吸收的能量,并对MP-DCCB断路、耗能以及重合闸阶段控制方式及电气过程进行了理论解析,建立了等效数学模型,研究电压电流应力及经济特性与MP-DCCB关键参数的关系。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建四端双极直流电网进行仿真验证,MP-DCCB能够有效降低断路器投资成本,具备应用于柔性直流电网的工程价值。     

多端直流系统分区协调保护策略

针对多端直流系统的故障保护问题,首先分析了直流故障特性及多端直流系统保护难点,总结了现有多端直流系统故障保护方法。然后,基于一种典型的多端直流系统拓扑结构,以使用最少数量直流断路器为目标,提出了多端直流系统区域保护划分原则和分区保护策略。该方法将直流故障区域通过直流断路器与非故障区域进行隔离,从而使非故障区域可以继续维持正常运行,而故障区域则通过换流站交流侧断路器和直流侧开关进行保护和隔离。最后,通过MATLAB/Simulink仿真平台建模及仿真分析,验证了多端直流系统分区保护的有效性和经济性。     

具备潮流控制功能的多端口混合式直流断路器

针对多端柔性直流电网的故障保护和潮流控制问题,该文提出一种具备潮流控制功能的多端口混合式直流断路器,由通流支路、主断路器支路两部分构成。当系统正常稳态运行时,该断路器具有潮流控制功能,可用于调节支路潮流;系统发生故障后,相当于混合式直流断路器,用于切断故障电流。建立了具备潮流控制功能的多端口混合式直流断路器拓扑,阐述了稳态和暂态运行机理,并进行经济性分析。最后,在PSCAD仿真平台搭建了四端直流输电系统,验证了所提拓扑在潮流控制和故障切除方面具有良好的性能。     

电容型直流断路器拓扑结构研究

高压直流断路器是多端直流输电及直流电网技术中的核心设备之一。文中对现有的各类电容型直流断路器进行了比较分析,指出了各类电容型断路器方案的优缺点及其应用场合;在此基础上,提出了一种基于预充电电容的组合式直流断路器方案;在详细描述了所提方案的拓扑结构、工作原理及控制策略后通过在PLECS中搭建三端环网模型对其可行性和有效性进行了验证;最后指出了电容型直流断路器未来的研究方向和需要解决的问题。     

新型组合式直流断路器拓扑及其性能分析

基于强迫换流原理的混合式直流断路器具有速动性良好、可低损耗经济运行的优点,但应用于大规模的柔性直流电网时造价高、经济性差。组合式直流断路器的拓扑,通过在换流站对应的每条母线上仅采用一个昂贵的主断部分,可以有效降低断路器的一次造价,但现有的组合式断路器在任一线路故障动作时存在主断开关接地过程,同时不具备对快速机械开关的失灵保护功能。为此,提出一种新型的组合式直流断路器拓扑,分别分析了其在正常运行时分闸、合闸,线路故障时分闸、重合闸与快速机械开关失灵时动作过程的工作原理,同时对新型组合式直流断路器拓扑的可靠性、适应性等问题进行了分析并给出相应的应对策略。最后在PSCAD/EMTDC软件上对所提组合式断路器的性能进行了仿真分析与验证。     

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。     

全固态直流断路器在低压直流配电系统中的应用

直流断路器是直流配电网安全运行和保护的关键设备,本文围绕直流断路器在低压直流配电系统中的应用开展研究,研制出一种全固态直流断路器样机。首先以深圳低压直流配电动模平台为例,分析了典型低压直流配电系统对断路器的参数要求,明确直流断路器在动模平台保护系统中的作用和安装位置。同时,结合系统要求选取直流断路器的主要参数,选定断路器为全固态开关拓扑,在此基础上设计了吸收支路和通信模块,制定了直流断路器响应主控系统的软件动作流程。进而研制出具有实用价值的±380 V低压配电直流断路器样机,并进行了相关测试,验证了断路器设计和保护方案的正确性。     

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。     

直流断路器的现状及发展

本文在分析直流输电技术特点的基础上,总结了目前直流输电对于直流断路器的基本要求;介绍了用于直流领域的断路器的种类,分析了其工作原理以及性能特点;简要综述了直流断路器国内外发展现状,并分析了直流断路器存在的主要技术问题,指出混合直流断路器是直流输电领域的直流断路器研究的主要方向。     

基于电压钳位原理的多端口限流式直流断路器

随着直流电网技术的广泛运用,直流断路器作为关键保护设备已成为相关领域研究重点.提出一种基于电压钳位原理的多端口限流式直流断路器,具有通态损耗低、经济性良好、重合闸速度快等优点.首先,提出新型断路器的拓扑结构及动作策略,通过电压钳位原理切除故障,而后利用LC振荡关断支路晶闸管;其次,分别对母线和线路故障进行解析推导,进而针对其关断过程设计参数;最后,利用PSCAD/EMTDC中的三端直流电网模型验证其有效性与适用性,并分别对两种故障仿真加以分析,通过故障电流、系统电压及支路电压对比分析等验证该断路器可代替多个常规断路器,减少了主断路器需求.