自触型低压混合式直流断路器系统设计与开断特性研究

低压混合式直流断路器具有低功耗、高开断性能、选择性保护等优点,能更好地满足光伏和储能系统以及零碳建筑等应用需求。该文提出一种自触型低压混合式直流开关拓扑,首先通过对混合式断路器工作原理分析,建立基于电弧供能、驱动的机电系统耦合设计方法,该方法利用电弧能量为电子电路供能,并将电弧电压作为换流支路导通的控制信号,从而实现短路故障下系统的自动触发,并提出核心功能模块设计的理论依据。在此基础上,研制低压混合式断路器样机并验证设计方案的有效性,并对比分析不同因素对开断特性的影响规律。试验表明,相较于传统机械开关,小电流开断时间缩短85.4%、电弧能量减少94.1%,提升了断路器电气寿命,同时实现1.1 kA短路电流开断,发现系统总体响应时间与燃弧初期电压上升速率成正相关,电弧电导、支路寄生电感增大均会延长换流时间,电弧重燃概率则主要受外部系统参数影响。结果可为低压直流混合式断路器的优化设计和性能提升提供一定参考。

低压混合式直流断路器中真空电弧电流转移判据

低压混合式直流断路器的电流转移性能对其开断过程起到至关重要的作用。为获得其电流转移特性及判据,分析低压混合式直流断路器的结构与工作原理,提出真空电弧电流转移过程简化电路。搭建低压混合式直流断路器真空电弧电流转移实验研究平台,采用高速 CMOS 相机观察转移过程中真空电弧发展演变规律。研究电流大小、转移支路参数、燃弧时间等对电流转移特性的影响规律,得到了真空电弧电流转移判据。通过修正参数得到适用于低压混合式直流断路器的真空电弧电流转移改进判据,并通过 400V/5kA 混合式直流断路器样机验证了其有效性,为高性能低压混合式直流断路器研制提供了参考。

具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器

为解决柔性直流电网中混合式直流断路器成本高以及盲目重合闸的问题,提出了一种具备自适应重合闸能力的多端口混合式直流断路器。所提断路器能够在能量耗散期间旁路故障线路中的限流电抗器,配合电容充电回路的导通,将本应经避雷器耗散的限流电抗器能量转移到电容中,从而有效减少了故障隔离时间与避雷器能量耗散压力,并为故障性质的判别提供了能量支持。同时,该断路器通过共享主断路器的方式实现故障隔离,结合避雷器泄能需求的下降,大大降低了断路器的制造成本,在经济性方面优势明显。此外,该断路器利用故障识别电流与电容电压在永久性故障与瞬时性故障下的幅值差异来识别故障性质,实现了自适应重合闸,操作简单且易于控制。最后,利用PSCAD/EMTDC在三端MMC柔性直流系统环境下对所提方案的有效性进行了仿真验证,并通过与其他方案的对比分析,证明了所提方案的优越性。

基于电容自然充电换相的混合式直流断路器设计与仿真

以晶闸管作为主断器件是降低混合式直流断路器造价和技术难度的手段之一,电容电压是此类直流断路器能够顺利开断直流故障的关键影响因素。现有结构中电容大多为预充电型,但预充电方式和电容电压的维持较为复杂。因此,该文提出一种基于电容自然充电换相的混合式直流断路器,利用母线电压与预充电电容的电压差值实现电容的预充电和电容电压的自动维持,从而保证断路器的开断能力。此外该断路器还具备二次开断能力,可以满足极短时间内重复开断的需求。针对所提断路器的工作过程和元器件参数进行了详细的理论推导,基于PSCAD/EMTDC建立单端等效和四端柔性直流电网模型验证了所提结构的适用性。最后与其他方案进行比较,结果表明,所提方案在开断速度、电容预充电方式和二次开断方面具备一定优势。

一种基于电容主动钳位式混合式直流断路器

混合式直流断路器兼具机械式直流断路器的静态特性与固态直流断路器的动态特性,具有较快的开断速度和较低的通态损耗,是应用于中高压直流输配电系统的优选技术方案。然而,基于模块级联的混合式直流断路器存在投资成本较高、避雷器吸能较高、不具备故障性质判别能力等问题,限制了断路器的工程化应用。该文在现有结构的基础上进行一定的改进,提出一种基于电容主动钳位式混合式直流断路器。主要利用电容电压钳位换流站侧电压,避免了换流站电压迅速跌落的同时降低了换流站侧的故障电流峰值。此外,电容电压还可作为线路故障和重合闸时的辅助判据。针对所提结构进行了详细的理论推导和分析,在PSCAD/EMTDC中建立四端直流环网对所提结构进行验证,并与原有方案进行对比。仿真结果证明所提结构可行且相对原有方案具备一定优势。

一种双电容换流型混合式直流断路器

混合式直流断路器可以快速、准确隔离线路故障,在直流电网故障清除难题中发挥重要作用。为解决直流断路器开断能力要求高、限流能力弱、制造成本大、故障隔离速度慢等问题,提出一种双电容换流型混合式直流断路器(Double capacitor commutated hybrid DC circuit breaker,D-C-DCCB)拓扑。构建断路器时,巧妙利用自充电通路实现电容预充电及反向充电后电容能量的耗散。通过电容反向充电与阻感限流支路降低故障电流上升速率及峰值,利用限流电阻与二极管组实现限流电感,完成限流工作后被短路及储存能量耗散,加快故障隔离速度的同时,有效减少了避雷器吸收能量。对所提断路器的拓扑结构及工作原理进行分析及推导,在PSCAD/EMTDC中对所提断路器拓扑进行了四端直流电网仿真验证,与现有的直流电网故障清除拓扑在性能及经济性方面进行了对比,证明了所提断路器具有性能好、经济性高的优点。

混合式直流断路器状态感知技术与智慧框架体系探讨

直流断路器是柔性直流输电工程中故障清除和隔离的关键设备,当前的热点集中在新型拓扑结构、直流开断特性和新型电力电子器件等功能方面的研究,对其全状态的智能感知和状态评估方面研究较少。该文以混合式直流断路器为研究对象,全面梳理了需要重点监测的状态量,归纳了混合式直流断路器中快速机械开关、压接式绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)、避雷器、快速机构动作电容和隔离供能单元等关键组件状态量的感知方法。基于现有研究,提出了智慧型直流断路器的框架体系。分析了所提框架体系中智能感知层、信息通信层、数据融合层和智能应用层的实现思路,为实现直流断路器的智能化和模块化提供一定参考依据。

一种可选择中断的混合式直流断路器拓扑

传统的混合式直流断路器应对瞬时性故障时必须先切断故障电流,再进行重合闸,会造成短暂性的电能供应中断。对此,提出一种适用于中压直流的可选择中断混合式直流断路器拓扑。该断路器可根据不同的故障类型选择运行方式,在与主导通支路串联的桥式结构中增加电容和限流电感抑制故障的电流上升,并储存能量,通过释能电阻对能量进行释放。对所提出的拓扑进行工作过程和理论分析。在单端直流等效系统中进行仿真验证,该结构在应对永久性短路故障时,可在9 ms内切除故障;应对瞬时性故障时,可使系统在不中断电流的情况下恢复正常运行,并释放故障时产生的能量。仿真结果验证了该拓扑的优越性。

基于经验傅里叶分解的混合式高压直流断路器耗能支路故障检测方法研究

为实现更强的能量耗散能力,混合式高压直流断路器的耗能支路需串并联大量金属氧化物压敏电阻(metal oxidevaristor,MOV),耗能支路的可靠性将直接影响混合式高压直流断路器的可靠性。但是,现有的耗能支路故障检测方法并不能适应整个能量耗散阶段。为此,提出一种基于经验傅里叶分解的混合式高压直流断路器耗能支路故障检测方法,具体为:首先是信号预处理,对耗能支路每个子模块的分支电流进行归一化和一阶差分计算来获取分析电流;然后是故障特征提取,利用经验傅里叶分解(empirical Fourier decomposition,EFD)对分析电流进行分解,提取最高频时频分量作为故障特征分量;最后是检测判据,通过故障特征分量构造突变峰值量化指标,进而通过突变峰值实现耗能支路故障检测。大量实验表明,该检测方法可在能量耗散阶段末期实现可靠地故障检测,且具备一定的抗干扰能力。

基于光伏充电的低压混合式断路器设计及仿真

直流断路器是实现直流系统电流故障清除和隔离的关键设备。基于人工过零点的直流断路器熄弧时刻具有不确定性,且换流电容需要更换辅助电源,降低断路器可靠性,增加维护成本。为此,在传统直流断路器基础上,提出了一种基于光伏充电的混合式直流断路器拓扑结构设计方案。该方案在断路器过零点未熄弧时闭锁IGBT开关,加速电弧熄灭,并设计光伏储能供电系统为换流电容预充电能,以保障断路器持续运行。同时对所提断路器的拓扑结构、开断时序、拓扑参数进行了设计,基于MATLAB/Simulink实验平台建立了150 V混合式直流断路器模型,讨论IGBT开关器件闭锁时刻及电阻电容二极管(resistance-capacitance diode,RCD)缓冲电路对断路器开断的影响。在此基础上,通过仿真实验分析了正常和短路工况下断路器开断过程,验证了所提方案的可行性。

混合式直流断路器内部关键参数对电弧电流转移特性的影响研究

真空电弧电流转移是自然换流型混合式直流断路器开断过程中的一个重要组成部分。文中通过建立真空电弧电流转移的理论分析模型,得出影响真空电弧电流转移的主要因素为真空电弧电压、内部杂散电阻电感参数和电力电子器件的串并联结构。实验方面,通过改变电力电子开关中电力电子器件的串联或并联个数研究了电力电子器件的串并联结构对真空电弧电流转移特性的影响,通过改变电力电子开关中杂散电感或电阻的数值和所处位置研究了内部杂散电阻电感参数对真空电弧电流转移特性的影响。最后,探究了促进电弧电流转移的方法。本研究将为混合式直流断路器的结构设计和参数优化提供理论依据。

基于两电平电压源合成试验方法的混合式直流断路器开断过程仿真研究

直流断路器在研究过程中需要试验测试为设计提供参考,在其制造完成后则需要进行型式试验验证其可靠性。文中以15 kV电压等级的负压耦合型混合式直流断路器为例,对其短路电流开断过程进行仿真并提取了关键点电应力;阐述了两电平电压源合成试验方法,设计了适用于负压耦合型混合式直流断路器的两电平电压源合成试验回路,并优化了参数选取;将两电平回路下开断过程的仿真结果与开断过程所需的电应力进行对比,证明了两电平电压源合成试验方法可以提供开断过程所需的电压与电流应力,验证了两电平合成试验方法的等效性与可行性。文中研究结果可为高压直流断路器的研究、设计及试验提供参考。

阻容型混合式直流断路器优化设计及全工况开断性能分析

为解决柔性直流电网中故障电流快速开断难题,在比对分析典型混合式直流断路器方案控制保护策略与经济性的基础上,该文提出一种基于晶闸管的阻容型混合式直流断路器拓扑结构与参数化设计方法。利用阻性电路抑制电流电压上升,同时具备钳位开断、弱电流开断、电容自充电和自适应重合闸功能,实现整机无全控型器件。首先提出该拓扑不同模式下的控制保护策略和参数化建模方法。其次,给出器件参数设计准则,并采用多目标水母优化算法对参数组合方案进行可靠性寻优。此外,基于PSCAD/EMTDC,建立四端直流输电网模型,比对分析了所提混合式直流断路器参数化设计方案在不同工况下的开断性能、经济性和适用性。

基于混合式高压直流断路器的故障电流限制与开断机制

高压直流输电技术凭借其远距离传输、低损耗等优点,在电力系统快速发展中占据重要地位,逐渐成为电网建设的重要方向。然而,高压直流系统中故障电流限制和开断处理一直面临着技术方面的挑战。混合式高压直流断路器以其快速响应与高效能量吸收能力,在保证系统安全稳定运行方面展现出独特的优势。文章深入研究混合式高压直流断路器的基本组成、工作原理及其在故障电流限制和开断中的应用,具有重要的理论和实践意义。

混合式直流断路器模型及其操作暂态特性研究

该文围绕±10 kV柔性直流系统中的自然换流型混合式直流断路器操作暂态特性进行分析并建模仿真。首先简要分析直流断路器拓扑结构,提出一种基于绝缘栅双极型晶体管的自然换流混合式断路器。随后设计了断路器的动态模型,并整定了动作时序。接着讨论了断路器参数变化和故障特性对断路器分断性能的影响,利用PSCAD/EMTDC仿真软件分析了极间短路故障时直流断路器的暂态特性。仿真结果表明,电流转移过程能否正常进行对断路器开断有很大的影响,转移回路的杂散电感与电流转移时间接近线性关系,金属氧化物压敏电阻吸收电流持续时间对断路器成功开断故障有很大影响。此外,该文还设计了电流转移实验验证研究结果的正确性。研究结果可用于指导直流配电系统和断路器设计和电磁暂态分析。

低压直流固态断路器分断特性优化方法研究

为提高在直流系统发生短路故障时固态断路器(SSCB)的分断能力,提出一种考虑分断特性的低压直流固态断路器参数多目标优化方法。首先对短路故障时SSCB的分断流程进行详细分析,通过理论与仿真确定了限流电感LB和金属氧化物压敏电阻的限电压能力系数γ对分断特性的影响。以分断特性为基础,建立了SSCB的分断冲击性能指标、分断时间指标、能量吸收指标三个优化目标函数,通过多目标粒子群算法对目标函数进行优化,采用结合决策者偏好的逼近于理想解的排序方法对优化方案进行决策。优化结果表明,在各种决策者偏好下的优化方案,其优化设计后的元件参数LB和γ均能显著提高SSCB的分断性能。

混合式直流断路器的发展现状及展望

混合式直流断路器是直流电网中实现直流电流开断和故障隔离最为理想的选择之一,该文总结了混合式直流断路器的发展现状。首先,根据直流断路器的拓扑结构梳理其技术路线,并进行对比分析。然后,针对混合式直流断路器的关键技术,围绕换流方式、电力电子开关、快速机械开关、控制保护和供能、能量吸收等方面进行综述。针对大容量直流开断这一世界性难题,国内外学者已开展广泛研究,提出了创新型拓扑结构,突破了高可控高可靠的故障换流、毫秒级超快速高效斥力机构、高裕度高稳定性电力电子开关、低残压快响应的耗能装置等关键技术。接着,对混合式直流断路器的应用场景进行分析,介绍了混合式直流断路器的典型应用。中国实现了世界上首套混合式高压直流断路器和首套三端口直流断路器的工程应用,并开展了世界上电压等级最高、开断能力最强的混合式直流断路器工程应用。最后,对混合式直流断路器的发展趋势进行展望与总结,为未来混合式直流断路器的技术发展、应用拓展提供参考。

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。

混合式直流断路器在柔性直流电网中应用初探

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流电网技术是未来电力系统输电技术的发展方向之一,但面临快速清除直流侧故障的巨大挑战。分析比较3种隔离直流侧故障的方法,选择混合式直流断路器作为隔离直流侧故障的方案。结合基于差动电流的直流故障检测技术,提出考虑线路分布电容的柔性直流电网保护方案,包括线路保护和母线保护,并论述保护参数的选取原则。在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立一个4端柔性直流电网模型,验证所提基于混合式直流断路器的差动保护方案的有效性和可行性。结果表明,所提的差动保护方案满足了保护的选择性和速动性要求,运用混合式直流断路器可在数ms内清除柔性直流电网的直流侧故障。

应用于混合式直流断路器的电流转移方法

电流转移是混合式直流断路器能够成功开断电流的前提,针对混合式直流断路器的电流转移特性展开了研究。首先通过试验测量具有不同触头结构及触头材料的真空电弧电压。试验结果表明电流为0~1 k A时,电弧电压约16~22 V;且改变触头结构、触头材料及触头开距等无法有效提高电弧电压,所以提高真空电弧电压以驱动电流转移的方法并不可行。为此,首次提出了一种应用换流驱动电路的电流转移方法。对换流驱动电路建立了数学模型,并通过试验验证了仿真模型。最后,针对基于换流驱动电路的混合式直流断路器,设计试验回路并进行了电流转移等效模拟试验。试验结果表明:该电流转移方法能够保证混合式直流断路器中电流在200μs时间内可靠转移。该试验结果验证了基于换流驱动电路的电流转移方法应用于混合式直流断路器的有效性。