直流高速真空断路器灭弧方案的仿真研究

对直流断路器研制的关键问题——直流高速真空断路器灭弧方案,介绍了几种典型的直流断路器灭弧方案的工作原理。在此基础上,结合具体实例,对采用电流转移原理,实现灭弧进行理论与Matlab仿真建模。仿真结果表明,采用电流转移原理灭弧的直流高速真空断路器具有可行性。     

新型直流断路器的设计与仿真

为了能有效减小高压直流断路器分闸时产生的电弧,减小对直流开关触头的损伤,延长其使用寿命,提出了一种新型的直流断路器结构。该直流断路器采用包含电力电子器件的电流产生回路,通过适当控制,可产生大小和波形均可变的电流,与故障电流相叠加,在产生人工过零点的同时减小叠加电流的正向幅值。利用Matlab仿真了该直流断路器开断几种故障电流的情况,仿真结果验证了该直流断路器的有效性与可控性。     

基于可控硅串联技术的新型固态高压直流断路器

作为直流线路中的分断装置,高压直流断路器是快速限制并切断故障电流、维持直流电网安全稳定运行的关键技术手段。文中在对比分析现有高压直流断路器典型结构的基础上,提出了一种基于可控硅串联技术的新型高压直流断路器,详细描述了其拓扑结构、工作原理和典型特点,并使用PSCAD软件仿真分析了不同短路电流下所提高压直流断路器的开断特性及其影响因素。最后,通过在实验室内搭建高压直流断路器实物模型,利用d SPACE工作平台进行了断路器的电流开断实验。结果表明,所提出的新型高压直流断路器能够实现快速关断与恢复通流,通态损耗低且通流能力强,具有现实可行性。     

电容式直流断路器研究综述

电容式直流断路器在直流电网的应用前景广阔,是目前的研究热点。首先,根据电容的初始状态,将电容式直流断路器分为非预充电型和预充电型;开断电流时,这2种类型的直流断路器分别采用增大主通路阻抗的方式和电容主动放电的方式将系统电流由主通路转移到电容支路。然后,评述了几种典型的电容式直流断路器拓扑和工作原理,对不同直流断路器的快速机械开关分闸模式、运行损耗、快速重合闸能力、预充电方式、小电流开断速度和预转移能力等主要运行性能作了对比分析。最后,给出了电容式直流断路器的相关研究建议。     

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     

共转移支路式混合直流断路器拓扑

针对现有混合直流断路器造价高、难以应用于多端电网的缺陷,提出了一种新型混合直流断路器拓扑。该拓扑采用共转移支路和二极管整流桥相结合的结构,以减少绝缘栅极晶闸管(insulated gate thyristors,IGBT)数量,并在转移支路串联附加电阻以减小故障电流峰值。针对此新型拓扑,该文详细分析了其在多端电网中的开断原理,采用换序电路法建立了故障电路数学模型,构建了故障电流与附加电阻之间的关系表达式。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建新型混合直流断路器仿真模型,结果表明采用共转移支路结构可有效减少IGBT使用数量,转移支路附加电阻可显著提高直流断路器开断容量。     

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。     

新型机电混合断路器及其电流转移过程分析

为降低传统机械式断路器动作过程产生的触头烧蚀、暂态恢复电压与介质恢复过程的竞争、关合涌流等暂态过程的影响,该文提出一种用于配电系统的新型机电混合断路器拓扑结构：双断口真空灭弧室负责通载额定电流,动作时电流转移到与其并联的背靠背大功率整流二极管,由二极管完成开关的零区过程。该拓扑结构可以消除上述合分操作可能产生的暂态过程,且能保持机电开关各自的优势。首先分析新型机电混合断路器的动作过程和原理并进行仿真;然后搭建实验样机,进行机电部分的电流转移特性实验。仿真及实验的结果表明：电流转移的时间受二极管的特性参数影响,存在饱和效应;在本实验条件下的转移电流峰值达到二极管额定电流3倍时电流转移率开始减小,达到5倍时电流转移趋向于饱和;该文给出的拓扑结构在典型参数下能够实现10kA短路电流的微弧甚至无弧分断,断路器的机电混合模式对电力开关的发展具有重要意义。     

具备故障电流限制能力的多端口直流断路器

混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断的重要装备。然而，目前每条直流线路两端均需配备一台价格昂贵的二端口混合式直流断路器，这严重限制了其在未来新型电力系统中的规模化应用。该文提出一种具备故障电流限制能力的多端口直流断路器，在实现故障双向阻断的基础上，与常规方案相比故障电流峰值下降了38.0%、避雷器能量耗散应力下降了61.21%。更为重要的是，所提断路器完成直流母线故障隔离后，与故障母线相连的健全直流线路仍可以进行正常功率传输，最大程度地保障了柔性直流电网的健全和持续可靠运行。首先，分析了直流断路器在故障工况下的故障电流阻断原理，并对各个动作过程进行了理论推导；然后，揭示了电容和电感参数对断路器限流性能的影响机理，确定了限流单元的元件选型方法；最后，基于PSCAD/EMTDC对所提具备故障电流限制能力的多端口直流断路器进行了仿真分析，结果表明，所提多端口直流断路器具有较强的有效性和适应性。     

直流断路器转移直流电流过程的仿真计算研究

介绍了直流断路器的职能和结构 ,分析了直流断路器转移直流电流的工作原理。依据上海 -嵊泗高压直流工程接线及数据 ,应用EMTP程序对直流断路器转移直流电流的过程进行了研究 ,获得了直流断路器所要求的电流转移能力 ,恢复电压耐受能力及能量吸收能力。     

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。     

直流电网中超导限流器与高压直流断路器的协调配合方法

为缓和直流电网中直流断路器(DCCB)的最大切除时间和切断故障电流大小之间的矛盾,研究超导限流器(SFCL)抑制直流故障电流的方法,提出一种SFCL与DCCB的协调配合方案。分析了不同阻值SFCL的限流特性,并针对超导体并联电阻值、限流电抗值等影响因素进行了比较,在此基础上提出了SFCL与DCCB的时序配合条件。在PSCAD/EMTDC中搭建了含SFCL的5端直流电网测试模型,仿真结果验证了SFCL的故障限流特性,通过合理选择SFCL参数与限流电抗器值可以有效抑制故障电流值,减少DCCB中耗能支路耗散的能量,加速故障隔离过程。     

基于耦合电感的直流故障限流器

柔性直流电网存在故障电流上升速度快、幅值高,感性元件储存能量大等问题,这造成故障电流难以分断,并且使得直流断路器的耗能支路承受巨大压力。为了限制故障电流峰值并且降低直流断路器耗能压力,提出一种基于耦合电感的直流故障限流器。当发生短路故障时,该故障限流器利用电感耦合特性等效投入电阻与电容组成的限流支路,以实现无延时的故障限流;当直流断路器分断故障电流时,该故障限流器利用耗能电阻耗散耦合电感储存的能量,从而分担直流断路器耗能压力,以达到降低避雷器容量需求、加快故障电流分断速度的目的。大量电磁暂态仿真结果表明,所提故障限流器具有良好的限流效果,能极大降低直流断路器的耗能压力。且该故障限流器制造成本低,易于实现。     

混合式高压直流断路器暂态分断特性及其参数影响分析

混合式高压直流断路器(DC Circuit Breaker, DCCB)的本质是分断故障电流。分断暂态过程中的电气参数是决定断路器分断性能的核心所在。在分析DCCB拓扑结构的基础上,将断路器分断暂态过程划分为三个阶段。通过建立带DCCB的直流电网故障等效电路和断路器分断各暂态阶段的系统级等效电路,来分析分断过程中断路器自身的暂态特性。将断路器自身参数与直流系统参数联合起来,分别对断路器的两次换流过程进行详细分析。建立了断路器分断电流、暂态电压和开断时间的数学模型,推导断路器分断全过程中的分断电流以及最大暂态电压的计算表达式,并分析了断路器参数对分断性能的影响情况。利用PSCAD/EMTDC软件,搭建系统级混合式DCCB仿真模型,验证了所建立的断路器暂态模型的正确性及参数选取对断路器开断性能的影响。     

直流电抗器与电容型限流器多目标优化配置方法

直流电网中直流故障电流抑制是亟须解决的关键问题之一.为了抑制故障电流的上升速率与峰值,针对含有电容型限流器的直流断路器,综合考虑电感和电容的故障电流抑制效果,分析了投入电容型故障限流器前后的故障电流特性,提出了在满足直流断路器开断容量限制和换流器桥臂电力电子器件电流限制的约束条件下直流电抗器和电容型限流器的优化配置方案.在PSCAD/EMTDC中搭建了六端直流电网模型,以直流电抗器电感值、限流电容两端电压和直流断路器分断电流作为多目标函数,对直流电抗器和电容型限流器进行参数优化,并给出针对不同电气应用场景的直流电抗器和电容型限流器优化配置方案.     

考虑多任务剖面及其非工作故障延续性的直流断路器可靠性模型

直流断路器(DCCB)具有分、合闸状态及分、合闸过程多任务剖面,且不同任务剖面工作组件的差异性可能造成某任务剖面的非工作故障延续到下一任务剖面而造成其工作故障。针对现有研究未考虑多任务剖面及其非工作故障延续性对DCCB可靠性建模的影响的问题,提出一种考虑多任务剖面及其非工作故障延续性的DCCB可靠性模型。首先分析DCCB拓扑结构及工作原理,根据保护区状态对DCCB进行任务剖面划分,并对不同任务剖面间的非工作故障延续性进行分析。然后通过可靠性预计法建立各任务剖面可靠性模型。之后基于马尔可夫过程建立考虑多任务剖面及其非工作故障延续性的DCCB可靠性解析模型。最后通过仿真算例,计算了DCCB的不同任务剖面可靠性及其综合可靠性,分析了关键子模块冗余配置对DCCB可靠性的影响,并与传统模型进行对比,验证了所提模型的合理性。     

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。     

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.     

大规模风电接入的柔性直流电网故障电流协同抑制方法

基于模块化多电平换流器(MMC)柔性直流电网是实现大规模可再生能源发电汇集、多能互补和友好型并网的有效手段。针对直流断路器大电流开断成本高和技术难度大的问题,提出了一种适用于大规模风电接入的柔性直流电网故障电流协同抑制方法。通过分析直流故障特性,揭示了故障电流的关键影响因素,在此基础上,提出了MMC主动限流控制方法,并针对网侧和风电场侧换流站分别设计了参数选取原则,其中网侧换流站的限流性能可自适应于直流母线电压,在抑制故障电流的同时兼顾直流电网的快速恢复。针对风电场侧换流站,提出了集成限流功能的耗散电阻配置方法,使其同时具备解决直流电网功率盈余问题和降低桥臂换流阀电流应力的能力,并提出了其与主动限流控制以及直流断路器的协调配合方法,在保证风电场安全运行的同时协同抑制故障电流,从而降低对直流断路器开断速度、容量及其制造成本的需求。最后,基于RTLAB OP5600实时数字仿真平台搭建了四端柔性直流电网仿真模型,验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于级联全桥型直流断路器的直流配电网自适应重合闸方案

柔性直流配电网是配电系统的重要发展方向,可以采用电缆和架空线2种方式组网。鉴于架空线路瞬时性故障多发的特点,基于架空线的柔性直流配电网应配备有效的自适应重合闸方案,以提高供电可靠性。为实现这一目标,从断路器线路端电压与电流的相位差异特征出发,提出一种基于级联全桥型直流断路器控制的自适应重合闸方案。首先,通过断路器转移支路的主动控制产生一定频率的故障检测电压;进而,根据断路器线路端电压电流在对应频率下相位特征的差异,区分瞬时性和永久性故障,并进一步分析了过渡电阻等因素的影响;最后,利用PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了柔性直流配电网模型,验证了所提自适应重合闸方案的可行性和有效性。