高压直流断路器系统开断条件仿真研究

为分析高压直流断路器在实际高压直流输电系统中的各种故障情况及其开断条件,笔者利用PSCAD/EMTDC仿真软件,根据高压直流输电系统的结构和控制方式,搭建了背靠背高压直流输电系统仿真模型。仿真研究了单端高压直流输电系统不同位置发生单相、异相、三相及直流母线短路等故障情况下的暂态特性。仿真结果表明,该仿真模型有很好的动态响应特性,能够有效模拟单端高压直流输电系统的各种短路情况。同时,结合高压直流系统的控制方式对各种短路情况进行了研究分析,找出了在系统中对高压直流断路器的开断较为苛刻的情况。经过参数分析得到了各种不同故障情况下对直流断路器的开断影响较大的故障电流峰值、最大故障电流上升率等系统参数。从而为多端高压直流输电网络建模分析、高压直流断路器型式试验及其标准的制定、高压直流断路器的发展提供借鉴。     

超导限流式直流开断技术1:超导限流研究

高压直流断路器的成功研制是直流多端输电系统和直流电网发展的关键。目前高压直流断路器的发展方兴未艾,但开断的短路电流值仍然有限,笔者提出了一种基于超导限流技术的高压直流断路器,可以极大提高短路电流的开断能力。该直流断路器由直流超导限流模块和开断模块组成,文中的研究内容为超导限流模块的快速限流特性、电流转移特性、大电流耐受特性。实验结果表明,超导限流模块具有快速的限流特性,在1 ms内即开始限流,能将几十千安培甚至上百千安培的短路电流限制在几千安培,施加磁场后的超导限流模块具有宽电流限制能力。所提出的直流断路器将超导限流技术和直流开断技术有效结合,具有反应迅速,开断电流大,可用于高电压场合的优势,是一种有发展前途的高压直流断路器。     

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。     

柔性直流输电技术：应用、进步与期望

柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径,代表着直流输电的未来发展方向,已成为新一代智能电网的关键技术之一。概述了国内外柔性直流输电工程的现状以及柔性直流输电技术在交流电网的异步互联、风电场并网、海上平台供电和城市负荷中心供电等领域的应用情况;重点介绍了世界第一个多端柔性直流输电工程———南澳多端柔性直流输电示范工程的研发情况,尤其是其技术难点;指出了直流输电混合化,高电压大容量化,直流输电网络化和直流配电网等未来柔性直流输电技术发展的主要方向;提出了柔性直流输电系统亟待解决的关键问题,诸如具有直流短路故障电流清除能力的电压源换流器拓扑结构,高压直流断路器技术和直流电网运行的基础理论及控制保护技术。     

一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路的研究

基于电压源型换流器的高压直流输电系统的故障电流幅值大、上升速度快,现有直流断路器的故障电流开断容量和开断速度受到很大挑战.提出一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路,利用饱和铁心型超导限流器及限流电阻共同作用实现阻感复合限流,并借助吸能电阻达到加速故障电流清除、缓解直流断路器开断压力的目的.根据直流故障暂态特性...     

高压直流断路器开断试验方法综述

作为开断电流并隔离电网故障部分的保护设备,高压直流断路器对于未来的多端高压直流输电电网的发展尤为重要,高压直流断路器的开断可靠性需要通过试验验证。综述介绍了目前主要研制的高压直流断路器的基本拓扑结构,列出高压直流断路器的开断试验方法,分析了交流单频振荡法、电感储能直接试验法和短路发电机直接试验法以及合成试验法的原理及各自特点,提出了短路发电机直接试验法与合成试验法两种高压直流断路器开断试验方法为主要发展方向。     

国家863计划课题“直流断路器关键技术研究”取得重大进展

柔性直流输电是解决风电等可再生能源高效开发利用的重要途径,直流电网技术已经成为当前国际电网技术发展的重要方向。与交流电流相比,直流电流由于没有“自然过零点”而难以开断,特别是在高电压、大电流条件下,这一问题更加严峻。此外,直流短路电流上升速度快,要求在短路发生后几毫秒的时间内将其开断。因此,高电压、大电流条件下直流电流的快速开断技术及相应的高压直流断路器已成为限制直流电网发展的主要瓶颈问题,目前已成为国内外研究热点。     

柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案

基于柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决中国新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一,而高压直流断路器是构建直流电网的核心设备之一。从多端直流系统发生直流侧短路故障的机理及故障电流的发展趋势入手,以舟山5端柔性直流输电工程为例,分析了发生最严酷短路故障时,直流母线上故障电流的特性,基于分析结果提出了直流电网对直流断路器的需求;结合对现有直流断路器技术路线的对比分析,提出了一种适用于柔性直流输电网的新型快速直流断路器技术方案,并通过仿真分析验证了所提出的新型直流断路器能够满足柔性直流输电网快速切除故障电流的需求。     

模块化混合式高压直流断路器研究与应用

多端柔性直流与直流电网为提升大规模可再生能源并网与消纳提供了灵活高效的解决途径,高压直流断路器可实现直流电网故障区域快速隔离,是构建直流电网的核心设备。混合式直流断路器兼顾传统机械式和固态式优点,低损与快速开断特征满足高压大容量直流系统需求。该文针对模块化混合式直流断路器拓扑,详细阐述了其构成、基本原理与技术特点,完成了设计参数数学解析。结合舟山五端直流和张北直流电网应用需求,开发200kV和500kV等级直流断路器,开展部件功能与整机型式试验。建立PSCAD仿真模型,分析直流断路器应用于舟山工程开断性能,实现了200kV直流断路器工程运行,完成系统故障电流和人工短路试验电流开断。试验和运行结果验证设计正确性及样机性能,为灵活可靠的多端及直流电网建设提供了技术支撑。     

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     

适用于直流电网保护的高压直流断路器时序配合方法

世界范围内风电、光伏大规模开发利用,其所占发电比例不断增加。柔性直流电网作为支撑高比例新能源接纳的重要手段,已成为电网发展的重要方向。高压直流断路器作为柔性直流电网隔离直流故障的关键设备也受到了越来越多的关注。提出了一种直流电网保护中高压直流断路器的新型时序配合方法,该方法可以在直流断路器拒动情况下有效减小其余直流断路器的开断直流故障电流水平,同时缩减故障隔离时间和减小直流断路器中耗能支路耗散的能量。同时,提出了一种适用于直流断路器配合,用于检测直流断路器是否存在拒动的故障判断方法。在PSCAD/EMTDC中的仿真结果验证了所提出新型时序配合方法和故障判断方法的正确性和有效性。     

Circuit breakers in HVDC systems: state-of-the-art review and future trends

High voltage direct current (HVDC) systems are efcient solutions for the integration of large-scale renewable energy sources with the main power grids. The rapid development of the HVDC grid has resulted in a growing interest in DC circuit breakers (DCCBs). A fast and reliable circuit breaker is a necessary requirement in the development of large scale HVDC grids. This paper provides a comprehensive review and survey of the HVDC CBs and discusses potential research directions. Operational principles and the main features of various DCCBs are described and their merits and shortcomings are also highlighted.     

适用于直流电网故障清除的增强型MMC

随着直流输电系统电压和容量的提高,对直流故障快速清除隔离的要求越来越高。作为清除直流故障的有效方案之一,直流断路器(DCCB)技术还不够成熟,限制了其在工程上的应用。文中提出了适用于直流电网故障清除的低成本直流故障清除方案,对半桥型模块化多电平换流器(MMC)进行了局部的改造,以使其具备故障清除操作的能力,使得线路上的故障电流能够被低成本故障隔离单元迅速隔离,随后建立和分析了故障隔离过程中的等效电路,设计了故障隔离动作时序,并对比分析了典型方案的器件使用量,最后建立了仿真和实验模型。仿真和实验结果证明了该方案的有效性。     

具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器

针对直流电网目前面临的2个关键性问题:直流潮流控制自由度不够和直流线路故障,文中提出了一种适用于直流电网的具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器。首先,介绍了模块化多电平潮流控制器和混合式高压直流断路器的基本结构和工作原理。然后,提出了一种组合式高压直流断路器,介绍了它的基本结构、配置原则、控制方式和工作原理;基于单换流器直流侧故障分析模型,分析了组合式高压直流断路器处理直流线路故障的可行性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了四端柔性直流输电系统,分别对组合式高压直流断路器的直流潮流控制能力和直流故障处理能力进行了仿真。仿真结果表明:组合式高压直流断路器能够很好地控制直流潮流,并具有处理直流线路故障的能力。     

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。     

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。     

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。     

DC Fault Clearing Characteristics of a Bulk Power VSC HVDC Transmission System using DC Circuit Breakers

Development of wind power generation resources is considered in Japan. However, long‐distance transmission lines are necessary to utilize the wind power because most of the wind power resources are distant from load centers. A voltage source converter based high voltage dc transmission (VSC HVDC) system is an option to realize their effective use. A VSC HVDC system equipped with dc circuit breakers has been considered to clear the dc line faults promptly. However, the fault clearing characteristics by the dc circuit breakers have not been analyzed very well for the system with the long distance overhead transmission line. This paper focuses on a fault clearing in the VSC HVDC system with long‐distance overhead line by the dc circuit breaker using a new fault detection method. A 2.4‐GW bipolar VSC HVDC system with 600‐km overhead transmission line is modeled and its operation performance is verified by computer simulations. The simulation results demonstrate the detailed fault clearing characteristics with the long transmission line. Moreover, specifications required for the dc circuit breakers are considered in terms of operation delay, peak current, and absorbed energy.     

电流转移型高压直流断路器

混合式高压直流断路器是目前处理直流电网故障较为认可的一种方式,但其存在造价昂贵、使用个数多等问题。为有效解决此类弊端,提出一种电流转移型高压直流断路器,并对其故障隔离控制时序进行了研究。电流转移型高压直流断路器借鉴了混合式高压直流断路器的关键部件和设计理念,将直流母线以及与其相连的混合式直流断路器进行了整合,以整体概念对断路器进行了再设计,优化了设备利用价值。在保证同等直流故障处理能力的前提下,相比混合式高压直流断路器,其投资成本大幅度降低。为验证电流转移型高压直流断路器的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个三端单极直流网络模型。仿真结果验证了电流转移型高压直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。     

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。