直流电网中多断路器协调配合方法EI北大核心CSCD

柔性直流电网在可再生能源并网和区域电网互联领域有重要应用前景,但是故障电流峰值随着系统端数和容量提高不断增长,进而直流断路器成本也进一步抬高。传统方法仅使用单一的故障线路上断路器清除故障,文中基于直流电网的空间互联结构,提出多断路器配合清除故障方案。由于多支相邻断路器投入分担故障能量,降低了对故障线路断路器的需求。进一步地,提出辅助限制线路震荡的断路器限流控制方法。基于张北直流电网提出多断路器配合的主保护、后备保护和重合闸方案。仿真结果表明,断路器主保护耗能减少18.8%~25.2%,系统恢复时间减少36%~44.8%。     

新型具有限流功能多端口高压直流断路器拓扑

直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)是提高直流电网安全稳定运行的关键设备。针对现有的DCCB投入的数量多导致成本过高、短路故障时电流过大、避雷器吸收能量过多等问题,提出了一种新型具有限流功能的多端口高压直流断路器拓扑(multi-port DC circuit breaker,MP-DCCB)。通过改进DCCB拓扑结构研究其性能,对新型拓扑的工作原理、故障分断过程进行理论分析,并给出相关参数及选取依据,最后用PSCAD软件搭建相应的仿真模型,并进行验证。与常规DCCB方案相比,故障电流减少了48.6%;避雷器上吸收能量、关断电流和关断时间分别减少了54.8%、52.4%和0.8 ms。该新型MP-DCCB具有良好的可靠性与经济性,仿真结果验证了所提新型具有限流功能的多端口高压直流断路器拓扑可适用于当前直流电网。     

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。     

考虑故障限流器动作的直流电网限流电抗器优化配置

模块化多电平换流器(MMC)型柔性直流电网作为光伏和风电等新能源汇集的有效手段,其直流故障限流是线路保护所面临的重要技术挑战之一。根据直流电网双极短路故障后电容放电机理,考虑故障限流器投入过程与直流断路器的切断过程,并兼顾了金属氧化物避雷器(MOA)的能量耗散特性,在PSCAD/EMTDC电磁仿真平台下,基于相域频变架空线模型,研究了投入故障限流器后的直流故障电流特性。在对称双极四端直流电网拓扑中,以各个直流出口故障点的直流断路器切断电流之和最小、故障限流器和直流断路器中的MOA吸收的能量之和最小作为两个目标函数,采用simplex算法对直流电网中各条直流线路的限流电抗器进行了多目标优化配置,并给出不同权重下的各条直流线路的限流电抗优化配置方案。     

适用于柔性直流电网的新型多端口混合式直流断路器

混合式直流断路器(HCB)是柔性直流电网直流侧故障隔离的优选方案,但是HCB高成本限制了其大规模应用的可行性,此外架空线路较高的故障概率要求HCB具备自适应重合闸功能。为此,提出了一种适用于柔性直流电网的新型多端口HCB,分别给出了其在故障隔离和自适应重合闸阶段的控制策略,详细分析了其工作原理和内部动态过程并推导了关键参数的设计方法。不同工况下的电磁暂态仿真和物理实验结果表明,该直流断路器能够通过多条直流线路共用昂贵的主断开关大幅降低制造成本,通过旁路故障线路及其上的限流电抗器降低避雷器的耗能时间和容量需求,并且具备控制简单、易于实现的自适应重合闸功能。     

基于LCC-MMC的三端混合直流输电系统故障特性与控制保护策略

研究了送端为相控型换流器(line commutated converter,LCC)、受端为2个并联的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)组成的三端混合直流输电系统的交直流故障特性及其控制保护策略。在分析现有故障穿越控制策略的基础上,针对交流侧故障提出整流站LCC最小触发角控制、逆变站MMC最大调制比控制与直流电压偏差控制的协调策略;针对直流线路故障,通过在直流线路两端配置限流电抗器构造边界条件,提取直流线路故障电流暂态突变量以识别故障位置,并采用直流断路器开断故障的方法,可以快速隔离直流线路故障并缩小故障影响范围。最后,在PSCAD/EMTDC中建立混合直流输电系统模型,仿真验证了所提策略的可行性。结果表明,所提控制策略在所联接电网交流故障情况下可相应提高直流系统的输送功率,降低功率输送中断发生的概率;直流线路故障时基于直流断路器的直流电流突变率保护策略能够快速隔离故障,提高供电可靠性。     

具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器

为解决直流电网故障隔离及重合闸判断问题,提出了一种具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器。该方案利用电容换流支路取代了传统混合型直流断路器的电力电子转移支路,与混合型直流断路器相比,其绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)数量降低了96.1%,大大降低投资成本。通过增加引流支路来降低避雷器耗能容量并有效缩短故障隔离时间,利用故障类型判别支路来判断故障类型是瞬时性故障还是永久性故障,避免重合闸于永久性故障线路,防止电力系统再次遭受故障冲击。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证所提方案的有效性,并与目前已有方案在器件使用量和器件吸收能量等方面进行详细对比分析,体现了所提方案具备较优的综合性能优势。     

模块化多电平换流器自适应故障限流控制策略

直流断路器(DCCB)的造价和体积与其开断电流大小密切相关.文中从降低DCCB的开断电流层面出发,设计了适用于半桥模块化多电平换流器(MMC)故障限流的自适应限流控制器.通过在直流故障工况下调整MMC直流电压和子模块电容电压参考值,可自动快速限制故障电流发展速度.采用数学解析的方法对自适应控制器的限流原理进行了分析.在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建四端柔性直流电网进行仿真验证.仿真结果表明:相比于无任何限流措施的控制方案,自适应限流控制可有效降低断路器的开断电流,明显减少避雷器吸收的能量,同时可加快故障后的系统恢复.     

直流配电网中送端换流器的故障限流控制策略

柔性直流配电网中直流线路故障电流具有上升速率快、峰值高、发展迅速等特征,增大了直流断路器设计的难度.本文利用送端换流器可控性强的特点,提出了一种故障限流的控制策略,无需检测是否发生直流侧故障,等效增大限流电抗器的电阻,并自适应调整虚拟电阻值:并利用Matlab/Simulink仿真平台进行仿真验证.仿真结果表明,当直流线路发生故障时,通过此控制策略能快速将部分电容能量馈入交流电网,有效地降低故障电流峰值和电流变化率,减小直流断路器的开断应力;且在有效限制故障电流的同时,对系统正常运行的稳态特性和暂态特性的影响很小.     

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。     

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。     

Novel topology of DC circuit breaker and current interruption in HVDC networks

With the emerging growth of high‐voltage direct current (HVDC) transmission in modern power systems, the HVDC grid has become a hot topic in recent academic research and real projects. In the DC grid, DC faults can have very serious consequences, and so the faulty DC parts need to be rapidly isolated from the system. Compared to the full‐bridge converters for the DC grid, DC circuit breakers are preferred to deal with this problem economically. In this paper, the self‐excited resonant DC circuit breaker is reviewed. Then, a novel scheme of hybrid DC circuit breaker is introduced, and the operation principle of the proposed circuit breaker is described in detail. Finally, a four‐terminal HVDC grid based on a modular multilevel converter (MMC) is used as the DC test system in PSCAD/EMTDC to verify the validity of the proposed DC circuit breaker. From the simulation results, it is seen that the proposed DC circuit breaker has advantages on current interruption time, voltage on DC circuit breaker, investment, etc. © 2017 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

基于二极管钳位的电流转移型高压直流断路器

为有效提高电流转移型直流断路器的运行可靠性,降低结构复杂性和控制复杂度,提出了可用于正极和负极的两种二极管钳位式电流转移型高压直流断路器拓扑结构。该改进式拓扑将原断路器一半的通流支路改用二极管支路,同时添加了与绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组件相并联的旁路开关,以提升超快速机械开关分断失灵情况下对直流断路器本体的保护。在保证同等直流故障处理能力的前提下,其投资成本与电流转移型直流断路器具有可比性,不引入过高的投资成本增量。为验证二极管钳位式电流转移型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。仿真结果验证了二极管钳位式电流转移型直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。     

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.     

一种不依赖直流断路器的直流电网架构

提出一种不依赖直流断路器的直流电网架构和相应的控制保护策略。根据电压等级和端口特征,将直流电网划分为若干子系统,通过在子系统间的连接线上串入故障隔离设备,即可不依赖直流断路器,实现直流故障的就地处理,故障子系统的隔离及重启过程不影响健全子系统正常的功率传输。相应的功率调节策略和站间通信分层设计方案,可以有效降低定电压控制换流站的过负荷风险及站间通信系统的复杂度。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果验证了所提出的直流电网和对应控制保护策略的有效性。     

多端口机械式直流断路器的动作策略与参数优化

常规两端口直流断路器(DCCB)成本高、体积大,不适于在城市直流配电网中应用,而多端口DCCB被认为是一种有效的解决方案.然而,多端口DCCB需要应对更加复杂的电流开断工况,如单条或多条故障线路的同时隔离、负荷线路的灵活切除.考虑到混合式DCCB的通态损耗及常规机械式DCCB的固有缺点,以双电容构建主开断支路,提出一种多端口机械式DCCB拓扑,研究了其应对各种电流开断工况的换流原理和各组件动作策略,并给出了主开断支路的参数优化方法.基于PSCAD/EMTDC仿真平台的算例分析表明,文中的多端口机械式DCCB可以有效降低预充电容及其充电系统的耐压水平要求,亦可仅利用1条主开断支路实现任意进出线的电流开断.     

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。     

基于主动控制的换流器与直流断路器的协调控制

针对采用直流断路器隔离故障的直流电网,提出了双极短路故障下的直流断路器与换流器协调控制策略。首先经理论推导,建立了双极短路故障时的故障电流表达式,根据表达式中影响故障电流的关键因素,提出了换流器的主动控制策略以减小故障电流。在换流器主动控制策略的基础上,提出了直流断路器与换流器之间的协调控制策略,用以提升直流电网的稳定性。最后在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了四端直流电网仿真模型,仿真结果表明所提出的换流器主动控制策略可以有效减小故障电流,直流断路器与换流器之间的协调控制策略可以在断路器动作后快速提升直流电压,进而提高直流电网的稳定性。