Key stress extraction and equivalent test method for hybrid DC circuit breaker

Firstly, relevant stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process of hybrid HVDC circuit breaker are studied in detail on the basis of the analysis for the application environment and topological structure and operating principles of hybrid circuit breakers, and key stress parameters in transient state process of two time dimensions are extracted. The established digital simulation circuit for PSCAD/EMTDC device-level operation of the circuit breaker has verified the stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process. Then, equivalent test method, circuits and parameters based on LC power supply are proposed on the basis of stress extraction. Finally, the results of implemented breaking tests for complete 200 kV circuit breaker, 100 kV and 50 kV circuit breaker units, as well as single power electronic module have verified the accuracy of the simulation circuit and mathematical analysis. The result of this paper can be a guide to electrical structure and test system design of hybrid HVDC circuit breaker.

考虑直流断路器的MMC-HVDC系统直流电压保护误动分析

随着柔性直流输电技术的不断发展以及直流断路器研究的不断突破,直流断路器的逐渐应用将对MMC-HVDC系统的继电保护产生重要的影响.在含直流断路器的MMC-HVDC交直流混合系统中,一些原本由交流断路器跳闸的直流侧故障将修改为动作于直流断路器跳闸.在此背景下,交流故障和直流故障时反映在直流侧的暂态响应具有相似性,可能造成直流保护发生误动.通过研究各种交、直流系统故障时直流系统的暂态响应,分析MMC-HVDC直流侧在交流系统故障和直流系统故障下的暂态响应的相似性,研究有可能造成的直流电压保护误动,并针对引起误动的保护特征给出避免保护误动的改进建议.在PSCAD/EMTDC仿真平台中,搭建含MMC-HVDC的交直流混合系统,仿真验证所作分析的正确性.

HVDC换流站投切交流滤波器用断路器特殊性能要求

高压直流换流站内交流滤波器组容量大,投切频繁,因此对投切它的断路器的要求有别于常规交流断路器。文中以国内多个已建高压直流工程成套设计为基础,总结换流站投切交流滤波器的各种工况,并利用EMTDC建立模型进行仿真计算,对交流滤波器用断路器的恢复电压、合闸涌流以及开断容性电流等特殊要求进行研究,认为对于高压直流换流站投切交流滤波器用断路器,应增加型式试验和容性电流开断试验,小组断路器应配置选相合闸装置或加装合闸电阻。

VSC-HVDC系统直流电抗器与直流断路器参数匹配特性

VSC-HVDC系统直流电抗器的主要作用是抑制故障电流上升率和故障电流峰值,配合直流断路器快速隔离直流侧故障。直流电抗器电感值的大小决定着换流器设备的运行安全和系统稳定性,对整个系统的控制保护策略执行有重要作用。目前直流电抗器电感值参数设计无相关设计标准和统一的计算方法,针对不同参数的VSC-HVDC系统,探索了一种合理科学的直流电抗器电感值参数取值方法,对系统关键设备技术参数优化取值尤为重要。分析了半桥换流器短路故障电流的产生机理,以中压柔性直流典型案例为依据进行参数取值计算,利用PSCAD/EMTDC电磁仿真软件搭建了双端VSC-HVDC系统,通过仿真验证了设计方法的正确性。

南澳多端VSC-HVDC工程直流断路器的控制策略研究

针对加装直流断路器后的南澳多端柔性直流控制策略进行研究,针对加装直流断路器后直流系统的运行需求,提出了断路器控制、青澳站在线投入和退出的技术方案。新增直流断路器本体支路定义检修状态、冷备用状态、热备用状态、运行状态共4种运行状态。给出了青澳站在线投入以及退出顺控的基本流程。试验结果显示,青澳站成功完成闭锁操作,且金牛站和塑城站依旧运行正常,验证了青澳站在线退出策略的有效性和可行性。

采用架空线的MMC-HVDC单极接地过电压分析

采用架空线传输方式的远距离柔性直流输电线路,极易发生输电线路单极接地故障,必须采用多种方式保护设备应对暂态过电压。文中研究了采用半桥子模块的柔性直流输电系统在直流侧接地故障下的暂态过电压特性,并分析了系统结构、设备参数和故障特征等对过电压的影响,同时分析了换流器闭锁、避雷器和直流断路器对抑制直流侧故障过电压的效果。研究表明系统设备参数对过电压峰值影响最大,当保护措施启动时,系统保护装置会成为主要的过电压影响因素。最后,提出了应对直流侧故障过电压的避雷器优化配置方案。

直流断路器全工况串联型合成等效试验方法

混合式高压直流断路器作为直流电网的关键设备之一,完备的型式试验是保证其挂网运行时快速、可靠清除故障电流和故障恢复的重要手段。为了更好地等效混合式直流断路器分断及故障恢复过程中的高电压与大电流工况,研究了混合式直流断路器开断大电流和故障清除失败情况下的重合闸全过程等效性评价指标,提出了一种新型串联式的全压全流合成等效试验方法,通过适当的控制方式,方案可以在不过多增加控制复杂度,实现试验全工况等效,并通过对电容器组的高效复用,降低了试验的成本。在该方案中,试验回路由大电流回路和高电压回路串联,通过大电流回路单独提供开断电流,在断路器开断结束后投入高压试验回路,两个回路共同作用提供开断后稳态电压和重合闸的二次电流。通过对4 kV/8 kA断路器进行开断及重合闸实验,验证了该试验回路的可行性,并针对500 kV/25 kA工况下的断路器对比了该试验回路与现有并联合成试验回路,结果表明串联式的全压全流合成试验方法在等效性、二次控制简易性和经济性方面存在优势,为直流断路器全工况等效试验提供另一种可选择方案。

具备故障限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器拓扑与控制策略

为解决直流电网中直流故障快速清除的技术难题,提出了一种同时具备限流和快速故障清除能力的多端口直流断路器,并设计了启动、限流后开断线路和限流后复位3种控制策略。所提拓扑结构通过限流电路实现断路时刻电流值的大幅下降,通过电感旁路电路实现故障清除所需时间的缩短;所提控制策略通过复用拓扑部分回路实现直流电网对断路器电容的预充电,通过初步故障判断与二次确认方式来优化断路器的动作时序,实现断路时刻电流值的进一步下降。在PSCAD/EMTDC中搭建了三端直流电网仿真模型,对断路器的各种工况进行了仿真验证。结果表明该多端口直流断路器在各工况下均可实现多条直流线路的保护、减小断路时刻电流值和减小故障切除所需时间。

高压直流断路器在张北柔性直流电网中的应用

高压直流断路器是柔性直流换流站构成直流电网的核心设备,但±500 kV电压等级的高压直流断路器尚无应用经验。为了验证±500 kV高压直流断路器在实际应用中的开断特性,介绍了机械式、耦合负压式、混合式3种不同技术路线的高压直流断路器的拓扑结构,在张北柔性直流电网中通过现场实际短路接地故障,验证了±500 kV高压直流断路器能够在3 ms内可靠切断故障电流,最后对3种不同技术路线的高压直流断路器工作特性进行对比分析,指出了不同技术路线的高压直流断路器在分合闸过程中存在的问题,为大容量高压直流断路器的研制与应用提供一定参考。

新型限流式混合高压直流断路器参数设计方法研究

固态高压直流断路器是基于电力电子器件构成,如IGBT与晶闸管,具有动作快速、成本低等优点。机械式固态断路器则具有寿命长、通态电阻小、通态损耗低、可靠性高、安全性好等优点。故障电流限制电路则可以限制直流短路故障电流的上升率,因而降低了对高压直流断路器对故障响应的灵敏度。提出的新型限流式混合高压直流断路器集成了固态高压直流断路器、机械式固态断路器以及故障电流限制电路的优点。介绍了该断路器的拓扑与参数设计方法。为验证该拓扑与参数设计方法的有效性,利用仿真软件PSCAD搭建了仿真模型。仿真结果表明:该新型断路器拓扑与参数设计方法可有效阻断直流短路故障电流。

500kV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。

直流断路器技术发展综述

柔性直流输电和多端直流电网对能够快速开断大电流、可靠性和经济性好的高压直流断路器有日益迫切的需求。综述了直流断路器的拓扑形式,分析了机械、全固态及混合式等直流开断方式的特点及适用场合,指出混合式强制换流方案、机械式预充电人工过零方案更易满足高压大容量直流系统的高速开断要求。提出混合式直流断路器的研制重点在于提高机械开关的操动速度,减少元件数,提高可靠性与经济性;机械式直流断路器应重点关注详细拓扑、机械开关灭弧单元在人工零点下的极限开断能力、振荡回路参数优化和快速机构的研制。

高压直流断路器中电磁斥力快速驱动器研究

应用在基于电压源型换流的多端直流输电系统中的高压直流断路器,其关键部件机械式快速隔离开关在断路器开断故障电流时需要在几ms内分闸到位。为此,提出了基于电磁斥力的快速驱动器作为快速隔离开关的操动机构。通过对电磁斥力机构的线圈、金属盘、控制电流和行程特性的基于等效电路法的建模仿真及装置试验,研究了其在几ms内操动行程达25 mm的可行性。结果表明:仿真结果和试验结果具有一致性;电磁斥力快速驱动器的操动行程能在几ms内达到25 mm。在验证了仿真方法正确的基础上,根据仿真结果提出了电磁斥力机构的一般设计原则:线圈的内径和金属盘的内径,线圈的外径和金属盘的外径都应该设计成一样大;金属盘的厚度对于不同的设计对应有最优的参数;线圈和金属盘的初始距离应尽量小。

电容换流型直流断路器及其在直流电网的应用

直流断路器技术是直流电网发展的技术瓶颈。现有的混合型高压直流断路器存在成本高的缺陷,现有的机械式直流断路器开断速度慢、可靠性低。为解决上述弊端,提出一种电容换流型高压直流断路器及其改进型拓扑,分析了其工作原理,研究了该直流断路器的内部元器件参数设计要求。通过改进辅助支路和主支路的拓扑接线,该文提出的直流断路器可大大降低硬件成本。在PSCAD/EMTDC仿真平台中分别搭建了单端仿真模型和四端直流电网仿真模型,仿真验证了所设计直流断路器的技术可行性。

混合式高压直流断路器研究现状综述

随着柔性直流输电技术在近三十年的巨大进步,高压直流断路器研究成为国际研究热点。文中针对高压直流输电技术的发展趋势,论述了高压直流电网对高压直流断路器的强劲需求;介绍了目前应用较为普遍的混合式直流断路器发展历程、拓扑结构及开断原理;在此基础上,从元器件数量、设备可靠性方面对比分析了目前基于IGBT级联型双向开断的混合式直流断路器、基于H型全桥拓扑结构的混合式直流断路器、二极管带IGBT全桥拓扑结构的混合式直流断路器3种典型技术方案的优劣;总结了现今高压直流断路器研究的技术难题和未来发展方向。

混合式高压直流断路器试验技术

混合式高压直流（HVDC）断路器是电力电子结合机械开关技术领域新型的高端电力装备,迄今为止其电气试验尚没有可以参照的国际或国家标准。为此,深入分析了混合式高压直流断路器的极限工况,梳理了快速机械开关、主支路阀组以及转移支路阀组等关键构成部件的电气应力,提出了能够全面考核整机电磁、热与机械等性能的运行试验和绝缘试验项目,并完成了试验系统的搭建。研究结果表明：所研制的世界首台535 k V电压等级混合式高压直流断路器样机及其关键部件在搭建的试验系统中完成了所提出的各项试验,最大开断电流为25k A,开断时间小于3 ms;针对性提出的试验方案和实现技术能够充分在实验室内考核混合式高压直流断路器的各项指标;试验结果证明了方案的正确性和可行性。该研究为未来混合式高压直流断路器相关试验检测标准的制定奠定了基础。

多端高压直流输电技术及应用前景

随着高压直流输电技术的发展,多端直流输电技术受到了越来越多的关注。阐述了高压直流断路器、多端直流输电系统在控制、多端直流仿真分析技术的研究现状,以及新型多端直流输电技术的发展趋势。对我国多端直流输电系统的发展前景进行了展望,初步分析认为多端直流输电技术在我国具有重大的发展潜力和广阔的应用前景,并给出了多端直流输电在我国的应用情景的分析结果。

高压直流断路器耗能支路MOV关键技术

金属氧化锌避雷器(MOV)作为高压直流断路器的重要组成部分,具有电压等级高、吸收能量大(数百兆焦)的特点,工程设计难度大。该文详细开展了高压直流断路器MOV关键技术研究。首先,影响高压直流断路器MOV吸收能量的因素众多,MOV吸收能量计算和仿真难度大。同时详细分析了柔性直流系统运行方式、暂态保护控制策略、高压直流断路器的位置、故障点的位置以及故障类型对MOV吸收能量的影响,并以张北±535k V柔直工程为例,搭建七端仿真模型,归纳出直流断路器耗能支路MOV能量仿真方法。其次,高压直流断路器MOV能量巨大,需要涉及大量阀片串并联设计,该文从阀片生产工艺、一致性筛选试验、阀片配组、整体结构设计等方面开展多级阀片串并联的MOV一致性关键技术研究,同时设计多柱并联下MOV的监视和保护功能技术,提高其运行可靠性。最后,考虑到高压直流断路器中MOV的特殊应用工况,现有型式试验项目不能充分有效地考核其性能指标,还重点开展了MOV能量等效性试验和多柱均流测试的关键方法研究。高压直流断路器MOV关键技术研究涵盖了设计、生产与试验等各个环节,攻克直流断路器MOV设计难题,相关技术已经成功应用于张北±535 k V多端柔直工程。

针对直流电网故障的限流与限能技术研究

随着柔性直流输电迅速发展,大电网互联程度增加,电压等级不断的提高,在输电系统发生故障时故障电流不断提高,导致断路器的开断压力增大,而且过大的故障电流增大了线路储能元件的初始储能,使得直流断路器在开断故障电流后避雷器吸能持续上升,增大了避雷器的制造难度。针对上述问题,该文首先对避雷器吸能进行理论分析,得出主回路的平波电感大小以及线路电流大小是影响避雷器吸能的主要因素,提出降低等效电感优化吸能拓扑、平波电抗器串电阻优化吸能拓扑和限流型优化吸能拓扑,并基于PSCAD仿真软件验证拓扑结构在限制短路电流和限制避雷器吸能的有效性。

一种新型电容缓冲式混合高压直流断路器的设计与仿真

研发能够快速开断大电流,可靠性和经济性好的高压直流断路器成为构建多端直流电网的主要技术瓶颈。文中提出了一种新型电容缓冲式混合高压直流断路器的两种不同开断模式,分析了相对高压直流断路器主流拓扑方案所做的改进;通过PSCAD仿真模型,对比了无弧开断模式和燃弧开断模式的优缺点;最后指出了该种高压直流断路器仍需研究的问题。