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。

具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器

为解决直流电网故障隔离及重合闸判断问题,提出了一种具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器。该方案利用电容换流支路取代了传统混合型直流断路器的电力电子转移支路,与混合型直流断路器相比,其绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)数量降低了96.1%,大大降低投资成本。通过增加引流支路来降低避雷器耗能容量并有效缩短故障隔离时间,利用故障类型判别支路来判断故障类型是瞬时性故障还是永久性故障,避免重合闸于永久性故障线路,防止电力系统再次遭受故障冲击。最后,利用PSCAD/EMTDC仿真验证所提方案的有效性,并与目前已有方案在器件使用量和器件吸收能量等方面进行详细对比分析,体现了所提方案具备较优的综合性能优势。

基于晶闸管的电容换相式混合直流断路器拓扑

通过直流断路器切除故障是柔性直流电网中最具前景的故障隔离方法。目前,主断支路串联大量全控型电力电子器件的传统混合式直流断路器存在成本高、技术难度大等问题。文中提出一种基于晶闸管的电容换相式混合直流断路器(Thyristor Based Capacitor Commutation Hybrid DC Circuit Breaker, TCC-HDCCB)拓扑。该断路器通过晶闸管和电容配合完成双向故障换流、断流和自适应重合闸功能且利用直流系统本身对换相电容进行预充电,大大降低了造价和控制难度。文中首先介绍了TCC-HDCCB的拓扑结构、工作原理;然后给出了关键器件参数选取方法;最后在PSCAD/EMTDC4.5软件平台中搭建TCC-HDCCB仿真模型,在单端和四端柔性直流电网中进行仿真验证,并从性能以及经济性与有关方案进行对比分析,验证方案的可行性。

基于电容换流的限流型高压直流断路器

针对现有直流断路器存在的分断故障电流峰值高、通态损耗大、成本高以及机械开关电弧等问题,提出一种基于电容换流的限流型高压直流断路器(current-limiting high-voltage DC circuit breaker based on capacitor commutation,CC&CL-HDCCB)拓扑。正常运行时系统电流仅流过机械开关,导通损耗小;当进行故障开断操作时,投入电容进行充电,利用较高的电容电压提供电力电子器件的导通电压,使故障电流从机械开关支路转移,可用于高电压等级工况;换流支路与限流支路共同作用避免了故障电流的自然上升过程,有效降低了故障电流峰值。对断路器故障处理过程中的机械开关耐压和各支路电流等方面进行分析,给出了合理的元件参数和运行方式。最后利用PSCAD/EMTDC软件进行仿真验证,与相关断路器就故障电流峰值、避雷器吸能、电容电压等方面进行对比分析,验证了所提结构的合理性和经济性。

一种改进型电容换流式直流断路器

直流断路器是直流输电技术发展的瓶颈,其动作时长、开断容量以及成本制约着直流断路器的推广应用。为提高柔直系统故障隔离的可靠性及重合闸恢复能力,该文在现有直流断路器的基础上,提出一种可实现双向开断的改进型电容换流式直流断路器(improvedcapacitorcommutatedDC circuit breaker,ICCB),其可提高断路器可靠性,并大幅降低设备制造成本。该文对其工作原理及参数设计原则进行阐述,然后在PSCAD/EMTDC中搭建半桥MMC测试系统对ICCB及其故障隔离方案进行仿真试验并对其结果进行分析,验证所提方案的可行性。

具有重合闸功能的电容换流型高压直流断路器

直流断路器是直流输电系统安全运行的核心装备,提出了一种具有重合闸功能的电容换流型高压直流断路器拓扑。该拓扑利用限流支路的对称性,既实现了双向故障电流分断功能,又能够在瞬时性故障和永久性故障时实现重合闸功能。且该拓扑用电容替代IGBT来实现电路状态的切换,使得IGBT的使用数量大幅减少,大大降低了成本。分阶段对该拓扑的工作原理进行研究分析,然后进行了参数设计,最后利用PSCAD软件搭建了仿真模型进行验证。验证结果表明,所提出的直流断路器与传统断路器对比,不仅能有效降低故障电流的上升率,减少对避雷器的耗能要求,而且大大减少了IGBT的使用数量,降低了成本。

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。

基于电容换流的限流型混合式直流断路器

直流断路器是直流电网线路故障切除的重要装置,为提高直流电网在直流故障下运行的可靠性,针对断路器开断能力的高要求及成本较高、限流能力不强、故障隔离速度慢等问题,提出一种基于电容换流的限流型混合式直流断路器(capacitor commutation,current-limited hybrid DC circuit breaker,CC-CL-DCCB)拓扑,所提方案有正常及故障两种工作模式,依靠电容反向充电及阻感限流支路综合限流,有效抑制故障电流增长,使断路器跳闸时故障电流降低至3.71k A。所提方案具备故障清除后的重合闸判定能力,设有使电感短路及电容自然再放电的二极管组,可缩减故障隔离时间1.6ms,并降低避雷器吸收能量18.44MJ。对所提断路器拓扑进行了原理解析及理论推导,并在PSCAD/EMTDC中将其应用于四端直流电网进行仿真分析,与现有的直流故障保护方案进行性能及经济性对比分析,结果表明所提断路器具备一定优越性及可行性。

10kV自然换流型混合式直流断路器中真空电弧电流转移特性研究

围绕应用于?10kV直流配电领域中的自然换流型混合式直流断路器的电弧电流转移特性展开研究。开断过程中,机械开关支路在没有辅助换流装置的情况下,需要在真空电弧电压的作用下实现电流向主关断支路的转移。文中建立了真空电弧电流转移的数学模型,确定了电弧电压、转移回路电感电阻参数、电力电子支路的导通压降是影响真空电弧电流转移的主要因素。实验方面首先对具有不同触头结构及材料的真空灭弧室进行了电弧电压测量,实验表明真空电弧电压可以同电力电子支路进行配合;在此基础上,采用IGBT作为电力电子支路开关,进行真空电弧电流向电力电子支路的转移实验,并研究了回路电感电阻参数对于转移特性的影响;最后,设计实现了10kV自然换流型混合式直流断路器,并对开断进行了实验:真空灭弧室电弧电流在1.5ms内完全转移到电力电子支路,关断电流3.6kA、关断过电压21.4kV,验证了该方案的可行性。

基于全控型电力电子器件的强制换流型混合直流断路器

基于全控型电力电子器件的强制换流型混合直流断路器,在辅助换流电路分断过程中,缓冲电容放电会影响机械开关分断时间;当主断路器完成分断动作,线路能量仅仅依靠避雷器释放,避雷器投入费用较高,能量释放过程较慢,容易造成器件损坏,并影响避雷器使用寿命。提出一种强制换流型混合直流断路器方案,分析了该断路器工作原理,通过对比仿真验证了该方案的可行性。与传统基于全控型器件的强制换流型混合断路器相比,其在实现电流双向流动的同时全控型器件减半;阻止了缓冲电容放电对机械开关动作时间的影响;引入接地引流二极管,可使线路电流尽快减少到零。

一种强制换流型混合式高压直流断路器方案

高压直流断路器在直流系统保护中起着重要作用。针对现有直流断路器在经济性、合闸电弧问题和快速性方面不能兼备的缺陷,提出了一种强制换流型混合式高压直流断路器拓扑。所提方案的拓扑结构中引入了1个绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT),用来配合隔离开关进行合闸操作;引入二极管组并将平波电抗器均分在断路器两侧,以减小对避雷器的压力,延长避雷器的使用寿命;电力电子支路用子模块级联拓扑,避开了大规模IGBT动态均压的技术难题。基于所提拓扑设计了10kV直流断路器,对正常运行以及故障切除、故障恢复合闸下的运行情况进行了分析及仿真,同时与含ABB方案的两种典型方案进行了比较。仿真结果表明:基于所提拓扑的直流断路器最快切除故障电流时间为3.63 ms,开断电流容量为4.09 kA,正常合闸机械支路端电压为0,实现了无弧合闸,IGBT使用数量较ABB方案减半,避雷器吸收能量较传统方案减半,经济性较好,符合直流断路器性能要求。该结果验证了所提拓扑结构具备可行性。

500 kV耦合负压换流型混合式直流断路器原理与研制

多端柔性直流系统在分布式能源和直流负荷接入、网络柔性互联、电能质量等方面具有显著优势,成为未来电网的重要发展趋势。为了保证多端柔性直流系统安全稳定可靠运行,需要能够在数毫秒内开断故障电流的直流断路器。本文面向张北±500 k V柔性直流电网示范工程的应用需求,开展了500 k V直流断路器原理研究与样机研制。首先,提出500 k V耦合负压换流型混合式直流断路器系统方案,给出其拓扑结构、工作原理和控制逻辑;进而,设计基于电磁斥力操动机构和电磁缓冲机构的快速机械开关、基于二极管和复合被动保护支路的交叉桥式电力电子开关和基于耦合负压电路的换流装置等;最后,研制500 k V耦合负压换流型混合式直流断路器工程样机进行实验验证。研究结果表明,研制的100 k V混合式直流断路器能够在3 ms开断25 k A短路电流,具有低损耗、低成本、高可靠性等特点,相关成果已经过实验验证。

新型强迫换流型真空直流限流断路器研究

研究了基于强迫换流原理的真空直流限流断路器,利用与真空灭弧室反并二极管的续流作用使真空灭弧室电流过零后得到零电压介质恢复时间。真空灭弧室由高速电磁斥力机构驱动,反向强迫关断电流由预充电的LC回路产生,采用氧化锌压敏电阻限制关断过程出现的过电压。建了断路器的EMTP仿真模型,对短路和额定关断过程进行仿真分析,比较了仿真与试验结果的电流、电压波形,两者具有很高的一致性。

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。

复合开关自然换流型混合式直流断路器的研究及测试

混合式直流断路器(hybrid DC circuit breaker,HDCCB)是解决直流开断最有前景的方案之一。但基于电力电子的负载换流开关(load commutation switch,LCS)在主通流支路上的导通损耗和成本较高,阻碍了HDCCB的应用。该文提出一种基于真空开关与气体开关串联的复合开关自然换流型混合式直流断路器,其利用气体开关的高弧压特性驱动自然换流,利用真空开关的快介质恢复特性承担暂态恢复电压,具有损耗低、换流可靠、体积紧凑、成本低等特点。该文分析气体机械开关的电弧电压特性,详细研究分闸速度、燃弧电流、气体类型和磁场、气体压强等不同因素对气体机械开关弧压的影响规律,并提出气体机械开关的设计方法。在此基础上,研制10kV复合开关自然换流型直流断路器原理样机,并进行开断测试,开断电流可达15kA,有效验证了该自然换流方法的可行性。

中高压直流断路器的研究与应用

多端直流系统及直流电网是未来柔性直流输配电系统的发展方向,其安全可靠稳定运行需要有直流断路器作为保障。虽然国内外研究人员提出了各种直流断路器技术方案,但目前市场上能够满足实际工程应用的直流断路器产品仍十分缺乏。该文对直流断路器的研究工作进行了梳理。首先,分析了不同技术方案采取的换流方式及性能,并介绍了直流断路器中的核心组件及其驱动保护。其次,对各类型的直流断路器拓扑结构进行了总结,并归纳出改进优化的方向。最后,对直流断路器研制的关键技术与未来的发展趋势进行了讨论和总结,为中高压直流断路器研制与应用提供参考。

一种强制换流型混合直流断路器方案

作为高压直流输电的关键设备之一,直流断路器受到了广泛的关注。混合直流断路器继承了机械断路器通态损耗低与固态断路器开断迅速的特点,是目前直流断路器研究的主要方向。文中着重分析了影响基于全控型电力电子器件的强制换流型混合直流断路器开断速度的因素,针对辅助换流电路中缓冲电容放电回流影响机械断路器动作时间以及能量吸收电路吸收能量的时间问题,提出一种强制换流型混合断路器方案,该方案能够防止缓冲电容电流回流,同时减少避雷器吸收能量所用时间。对该断路器各个工作阶段的数学模型进行了数值分析,通过Pscad/EMTDC软件对故障状态混合断路器开断过程进行仿真,并且与典型强制混合直流断路器开断过程进行比较,验证了该方案切实可行。

基于强迫换流原理的新型真空直流限流断路器

提出了一种基于现有强迫换流型真空直流断路器的改进方案,并通过在高速真空开关两端并联反向续流二极管,使真空开关在电弧电流强迫过零后由于二极管的续流作用得到零电压介质强度恢复时间,提高了真空灭弧室电流过零后的介质强度恢复速度,使真空开关得以在小间隙下分断高上升率的短路电流,提高了传统真空直流断路器的限流、分断能力。设计了限流断路器样机,进行了短路分断试验。试验结果表明:所设计的限流断路器能将最大上升率为20A/μs的短路电流限流至10kA以下,限流分断时间小于1.1ms,满足了现代舰船极限短路故障的保护要求。

电容缓冲式混合直流断路器的实验研究

针对电容缓冲式混合直流断路器在无弧开断模式下,IGBT耐压过高造成通态损耗过大的问题,提出了一种新的开断模式——燃弧开断。利用PSCAD软件建立了仿真模型,经仿真分析可知,燃弧开断模式下的IGBT耐压要求相对无弧模式显著降低。设计了高速机械开关和换流实验回路,分析了实验等价性,进行了两种开断模式下的换流实验以及燃弧开断的等价性实验。实验结果表明,燃弧开断模式下的机械开关分断到一定开距时电流转移,能够承担逐渐上升的恢复电压,无需IGBT承担电压。无弧开断模式因存在机械开关固有分闸时间、初速度较慢和潜在"分流现象"等问题,IGBT需承担较高电压。实验结果在一定程度上验证了燃弧开断模式能够降低IGBT耐压要求的结论。

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。