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。

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。

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。

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。

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。

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。