直流换流阀阻尼电阻脉冲功率试验方法研究

阻尼电阻作为直流换流阀的核心部件之一,其电气性能也直接决定了换流阀的可靠性。分析了阻尼电阻在换流阀实际运行中经受的电气应力以及产生的功率损耗。在此基础上,采用等效模拟的思想研究了对阻尼电阻稳态和暂态脉冲功率进行试验的方法。结合试验方法,提出了基于重频充电原理的试验电路拓扑,阐述了试验电路的工作方式,并进行了电路仿真波形的分析,最后用所研制样机验证了设计的合理性。

基于多物理场耦合的高速机械开关可靠性研究

为了研究高速机械开关核心部件在分闸过程中受形变、应力和疲劳的影响,采用数学建模和多物理场耦合仿真分析方法,以Workbench为平台实现基于电磁场、力学场、瞬态结构场以及疲劳寿命的操动机构分闸过程分析。首先,利用建模软件建立高速机械开关分闸模型;其次,通过多物理场仿真核心部件的应力与形变分布;最后,分析高速机械开关在不同材质、结构和放电电流条件下,对斥力盘、驱动杆、连轴器的疲劳寿命和机构稳定性的影响。仿真结果表明:采用材料为航空铝7075-T6并倒角的斥力盘形变较小;适当的斥力盘厚度与驱动杆直径可有效减少应力和形变;采用40Cr的连轴器疲劳寿命最长;减小斥力峰值能有效减小形变应力与延长疲劳寿命,对延长斥力作用时间效果不明显。该文对于高速机械开关在单一电磁场无法有效反映分闸过程中核心部件形变应力、疲劳的问题,提供了更为全面的技术支撑。

一种基于电容可控振荡换流的新型直流断路器

直流输配电网在远距离大容量电能传输、大规模新能源并网和源–网–荷协调控制等领域发挥重要作用。直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)作为直流系统实现故障隔离的核心装备,目前还面临开断能力受限、成本高昂等问题,制约其在直流输配电系统中的广泛应用。该文首先提出一种新型电容可控振荡换流原理与拓扑电路,其通过激发电容振荡升压以实现振荡电流的快速提升,从而实现电流的转移与开断;然后对电容振荡换流机理进行数学分析,阐述所提直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)拓扑构成与基本原理,并给出核心参数理论设计约束边界。最后,仿真分析20k V/3ms/15k A DCCB技术性能,论证所提拓扑的可行性与技术特点。研究结果表明,所提拓扑损耗低,可快速实现双向短路电流开断,与混合式DCCB相比,所提拓扑全控器件使用数量少、应力小,整体技术经济性能优异,具备良好的应用前景。

基于晶闸管的混合型无弧高压直流断路器

伴随着高压直流输电工程日益增长,直流断路器作为直流线路中分断装置,也逐步受到了研究人员的关注,其能够促进多端直流及直流电网实现,推动可再生能源尤其是海上风电的开发。首先简要回顾了高压直流断路器研究状况,对现有方案进行了比较分析。随后提出了一种基于晶闸管的混合型无弧高压直流断路器,通过等效数学模型对工作阶段的电气参数和临界时刻进行了计算。最后以舟山5端直流系统电压200 kV为参照,利用PSCAD/EMTDC开展了断路器仿真研究,验证了理论分析的正确性以及所提断路器的可行性,并从技术和经济角度开展了性能分析。

混合式直流断路器合成开断试验方法及等效研究

国际上已开发出多种混合式高压直流断路器,并完成工程应用,其在多端和直流电网应用前景广阔。短路电流开断能力是直流断路器的核心性能,而直流开断过程同时存在大电流、高电压和强能量,造成在试验室中等效复现开断应力极为困难。国际上至今尚未形成统一的等效开断试验标准,试验容量与等效性关系也缺少理论研究和定量分析。该文基于混合式直流断路器开断原理,提取开断过程分阶段等效应力,揭示试验容量与等效性数学关系,奠定试验电路参数设计及等效分析的理论基础。进一步提出双频电流源合成开断试验方法,完成关键等效应力数学解析与试验电路参数最优设计,开展试验应力仿真验证及等效性对比分析。研究表明,双频电流源合成等效试验方法可实现混合式直流断路器开断电应力全等效,技术经济性良好,对开断试验装置开发及标准制定具有指导意义。

模块级联多端口混合式直流断路器研究

高压直流断路器是解决多端及直流电网故障快速隔离的有效方式,近年来发展迅速,国际上完成了多种技术路线样机开发与工程应用。混合式高压直流断路器是当前主流技术路线,因采用大量全控器件,利用率低、成本较高,制约了其在直流电网中规模化应用。该文针对直流电网中多直流出线应用场景,基于模块级联技术提出一种多端口混合式直流断路器拓扑,阐述其在典型系统故障工况下动作原理,完成核心部件电气应力数值分析与设计,仿真研究所提方案在四端直流电网应用性能,完成与现有技术对比分析,论证所提出多端口组合开断方法可行性与实用性,为高压直流断路器技术经济性能提升提供解决方法,推动高压直流断路器在直流电网中更为广泛应用。

混合式高压直流断路器用IGBT功能模型

混合式高压直流断路器是保障柔性直流电网可靠性的关键装备,其中,绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)是实现断路器分断功能的核心器件,因此其需要具备短时分断超大电流及耐受严苛电压电流应力的能力。为此,建立了一种适用于混合式直流断路器应用工况的IGBT大电流关断功能模型。依据IGBT关断时的外部电压电流特性,研究了关断暂态的电流变化数学规律,以此为基础对PSCAD中的通用IGBT模型进行二次开发,建立了能够反映IGBT关断暂态过程器件电气应力的功能模型。利用所提模型在PSCAD中搭建二极管桥式子模块仿真模型并进行了不同电流等级下的仿真计算,同时搭建了测试试验平台,对提出的功能模型进行试验验证。对比试验结果和仿真结果可以发现:关断暂态电流偏差和尖峰电压偏差均控制在10%以内,证明了所建模型的准确性和有效性。另外,将IGBT功能模型嵌入到混合式高压直流断路器整机仿真电路中,仿真结果较好地反映了断路器ms级的分断过程和μs级的换流过程。研究结果为混合式高压直流断路器的整机精细化建模提供了更为准确的IGBT仿真模型,具有一定的工程实用价值。

直流断路器分断试验等效评价标准及其考核方案

直流断路器作为新型电力装备,目前国际上尚无相关的试验标准,其等效分断试验方法有待深入研究。相较于交流系统故障电流存在自然过零点,直流断路器实现直流故障电流分断的关键在于通过自身不同支路间的换流过程,建立起大于直流系统电压的暂态开断电压来抑制故障电流。然而,现有分断试验对于暂态开断电压建立阶段关键部件电压相关应力考核尚属空白。首先,详细分析暂态开断电压建立阶段关键部件电气应力,在明确需要重点考核的应力基础上,提出能够覆盖整个分断过程的直流断路器分断试验等效评价标准。然后,提出分断试验等效系数k,并根据系数k对现有分断试验电路参数进行设计,在复现所提等效标准的同时,提高试验的经济性及可行性。最后,按照所提参数设计方法,针对50kV断路器单元进行分断实验验证,实测等效电容电压与仿真预期误差为0.36%,证明试验电路参数设计方法的正确性。所提直流断路器分断试验等效评价标准解决了现有分断试验应力考核不完善的问题;分断试验电路参数设计方法可为“100%”复现所提关键应力提供经济、可行方案。

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。

基于电流注入的新型混合式直流断路器

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,最大程度地保障系统健全和可靠持续运行的关键装备。目前,基于全控型电力电子组件级联的混合式直流断路器存在造价昂贵、控制复杂及难以大规模应用等问题。针对这一问题,该文提出一种基于电流注入的新型混合式直流断路器,利用直流系统本身对振荡支路电容进行预充电,通过晶闸管控制振荡支路电容、电感发生谐振而辅助故障电流迅速换流,实现直流线路故障电流快速阻断。首先分析电流注入基本原理,然后,在此基础上提出基于电流注入的新型混合式直流断路器,并详细阐述其工作原理,最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证所提新型混合式直流断路器的有效性和适用性。

基于Hefner模型的SPT+型IGBT改进通态数学模型

新一代增强平面栅软穿通型(Soft Punch Through+,SPT+)IGBT采用了阴极侧载流子浓度增强技术,降低了通态损耗.现有仿真模型大多是基于典型穿通型(Punch Through,PT)IGBT建立的,无法准确描述SPT+型IGBT的通态特性.本文在现有PT模型的基础上,结合SPT+型IGBT的结构特点和工作特性,将基区分为PIN区和PNP区两个部分,对阴极侧载流子分布进行优化,提出一种改进的SPT+型IGBT稳态模型.通过新旧模型的仿真波形与实测波形的对比,验证了改进模型的准确性.

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。

高压直流换流阀例行试验方法研究及工程实践

直流换流阀作为高压直流输电系统的核心装备之一,其结构复杂,制造难度大,全面的例行试验是保障其装配及组件性能符合设计要求的重要手段,也是其工程应用的前提条件。文中研究了阀例行试验方法,通过对阀运行中应力分析,并结合标准IEC 60700,提出了阀例行试验项目和试验要求,建立了试验流程,研究了试验电路和相应的试验方案,并投入锦屏—苏南±800 kV高压直流工程中应用,通过实际试验验证了该试验方法的合理性和有效性。

IGBT串联均衡控制方法及其高压直流装备应用可行性研究

大功率电力电子技术一般通过器件或模块串联实现高电压耐受,在常规高压直流和早期柔性直流输电换流器中,采用了晶闸管或IGBT直接串联技术。而基于模块级联的换流器技术因具备高扩展能力,成为目前柔性直流输电主流路线,同样也应用于高压直流断路器等设备中。首先,对IGBT器件直接串联的技术进行探讨;然后,分析串联IGBT开关组件在柔性直流输电、高压直流断路器等场合应用的方式,提出对应的设计方案;最后,对设计方案进行分析计算。研究结果表明,在现有的基于级联模块的高压直流断路器设备中,通过采用IGBT直接串联组件,可以有效地降低其体积和成本,但对于柔性直流换流器,该方案没有显著的提升效果。

直流断路器半导体组件关断暂态杂散电感研究

母排杂散电感是影响绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)工作可靠性的关键因素之一。为得到杂散电感对直流断路器半导体组件的影响机理,进而提出降低杂散电感的优化设计方法,该文首先分析混合式直流断路器半导体组件关断暂态过程,建立包含杂散电感在内的二极管全桥组件关断暂态等效电路,在此基础上通过理论分析、仿真计算和试验相结合的方法,深入研究二极管全桥组件内部杂散电感对IGBT关断电压过冲的影响。提出以量化分析杂散电感对IGBT关断电压影响的灵敏度系数,并据此提出二极管全桥组件杂散电感的设计原则。以此原则设计搭建二极管全桥组件试验验证平台。仿真与试验结果吻合良好,验证了杂散电感影响分析的准确性,以及杂散电感优化方案的有效性。

直流电网用混合式直流断路器开断参数影响因素研究

直流电网中应用的开断参数是高压直流断路器研究与设计的前提条件,其影响因素的探讨对系统与设备的协同设计有重要意义。基于功能要求提取了混合式高压直流断路器的核心开断参数,从电网运行方式、系统参数、故障特性、保护配合以及断路器参数设计等多个方面对核心开断参数的影响进行了定性和定量分析。搭建了张北四端柔直电网工程和混合式直流断路器电磁暂态仿真模型,对影响因素进行了仿真验证。结果表明系统电抗器参数、接地设计、保护出口时间和断路器重合闸动作逻辑对开断参数均有不同程度的影响,通过多参数优化可有效提升系统和断路器技术经济性能。所提分析方法和分析结果为直流电网用混合式直流断路器开发和设计提供了借鉴。

基于可控有源振荡换流的混合式高压直流断路器

直流断路器是最大程度地保障柔性直流电网系统健全和持续可靠运行的关键装备。为降低预充电系统耐压要求,耦合负压换流型混合式直流断路器需额外配置换流变压器,这严重限制了其在高压直流输电领域的应用。结合耦合负压换流型混合式直流断路器和电容可控振荡换流原理,提出了一种基于可控有源振荡换流的模块级联混合式高压直流断路器。在保障故障电流双向阻断的前提下,所提断路器不但可降低预充电系统的耐压要求,而且可有效减小研制成本和占地面积。首先研究了可控有源振荡电路拓扑结构和工作原理;其次,提出了可控有源振荡换流型混合式直流断路器拓扑,分析了其故障电流分断工作原理;然后,揭示了电容、电感等元件参数对断路器分断性能的影响机理,确定了可控有源振荡电路的元件选型方法;最后,仿真验证与性能对比分析表明:所提可控有源振荡换流型混合式直流断路器原理可行,技术经济性能优越。

混合式直流断路器电流转移开关核心性能研究与参数设计

主支路电流转移开关是混合式高压直流断路器的核心部件,其转移电流的成功将直接影响断路器开断功能,为实现其在断路器中高效可靠工作,该文对电流转移开关核心性能进行研究。采用定性分析结合定量计算的方法,分析电流耐受、电压耐受、转移能量和可用率等性能的影响因素,并依据张北±500kV柔性直流电网技术要求,设计500kV混合式断路器主支路电流转移开关参数,研制全尺寸样机,并对样机进行性能测试,测试结果表明设计方法满足要求,验证所提方法的科学性和合理性。

可控有源振荡直流断路器设计与试验

直流输配电网为大规模高比例可再生能源并网和大容量远距离电能传输等难题提供了解决方案,是构建以可再生能源为主体的新型电力系统重要发展方向。直流断路器可快速开断故障电流、有效隔离故障,是保证直流输配电网可靠运行的关键设备之一。但是目前直流断路器仍存在开断电流能力受限、价格昂贵等问题。文中针对可控有源振荡新型直流断路器拓扑,阐述其拓扑构成与开断、关合原理,完成参数设计数学解析及影响规律分析。开发出10kV可控有源振荡直流断路器样机,开展额定电流及故障电流双向电流开断试验,验证所提拓扑设计正确性和工程应用可行性。