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。

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。

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。

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。

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。

基于电容限流的混合式高压断路器拓扑研究

随着电能传输容量越来越大、传输距离越来越远,高压、超高压直流输电网的“弱阻尼,低惯量”愈发严重。高压直流断路器已成为高压、超高压直流电网的关键器件之一。本研究提出的一种利用电解电容进行限流的混合式高压直流断路器,具备良好的故障电流开断能力,并能够抑制故障电流的快速上升,减少全控开关IGBT数量。首先,介绍基于电解电容进行限流的断路器的电路结构;然后,阐述其阻断故障电流的原理;最后,在仿真平台PSCAD上搭建了仿真模型。仿真结果表明:该断路器能够快速阻断故障电流,抑制电弧。

混合式高压直流断路器开断过程整机应力特性研究

混合式高压直流断路器开断短路电流过程复杂,导致开断过程中设备所承受的应力同样较为复杂。为明确其在开断过程中所承受的分断应力,有效指导混合式直流断路器的设计和试验,有必要对断路器整机应力特性进行研究。依据断路器动作时序将其开断过程细分为3个阶段,提出计及交流侧影响的整机分断应力计算方法。通过PSCAD仿真系统构建了混合式高压直流断路器及柔直电网模型,对电流应力、电压应力和耗散能量等进行了仿真分析,结果表明,所提计算方法可较为准确的获得各支路分断应力。研究结果可为混合式直流断路器及直流电网参数设计提供参考。

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。

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。

高压直流断路器中的IGCT功能性模型仿真研究

高压直流断路器在柔性直流输电系统中起着至关重要的作用,其中集成门级换流晶闸管(Integrated gate commutated thyristors,IGCT)是保障高压断路器正常分断的关键器件之一。因此,研究IGCT开通和关断时的电压电流暂态特性模型,是高压断路器系统研究中的一个重要内容。对PSCAD中的自带IGCT模型进行了二次开发,建立一种IGCT开、断暂态的功能性模型。首先,采用电气等效、曲线拟合的方法,实现电路仿真中IGCT的不同运行状态。其次,在PSCAD中用所提出的模型搭建了仿真测试电路,并与器件手册进行对比分析。最后,将该模型嵌入到组合式直流断路器中进行仿真验证。仿真结果验证了IGCT功能性模型的有效性与正确性,为进一步研究高压断路器中半导体模块的应力分析打下了基础,具有较高的工程价值和研究意义。

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。

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。

基于改进型限流混合式直流断路器的开断时序优化研究

直流故障限流与开断是保证直流输电安全稳定运行的关键技术。该文提出基于限流混合式直流断路器的开断时间配合及泄能优化方案,即以减少泄能支路吸收能量和降低直流断路器的电力电子开关器件投资成本为其优化目标,转移支路IGBT的耐压应力及直流开断时间为约束条件,将其转化为求解多目标优化数学问题,得出断路器最佳配合动作时序。大量仿真测试表明该优化方案正确有效。

高压直流断路器试验技术研究

现代社会迅速发展,电力系统也在发生着变化,高压直流是目前电力系统中一种新型电力输送技术,受到国内外电力行业的关注。高压直流断路器试验技术的应用中,高压直流系统是其重要组成部分,对于保障电力系统稳定运行具有非常重要的作用。基于此,本文将深入研究电力系统中,高压直流断路器试验技术,为研究电力行业研究相关内容的学者提供理论支持和帮助。