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。

基于PMOS的自取电直流固态断路器

相比传统机械式断路器,固态断路器(solid-state circuit breaker,SSCB)以其分断速度快、不产生电弧等优点,在直流电网中得以广泛关注。然而,固态断路器基于半导体开关器件,除功率电路外还需要额外的控制和驱动电路,这部分电路工作需要外接供电电源,提高了系统复杂程度,特别是在电网自身故障时,供电电源也可能不稳定,降低了固态断路器的可靠性。为此,提出了一种基于PMOS的自取电直流固态断路器,并分别通过仿真与实物样机证明了本固态断路器的可行性与有效性。实验结果表明,所提固态断路器在正常导通时,PMOS处于完全开通状态,不影响线路正常工作时的电压;在直流系统发生短路故障时,利用短路电流耦合能量在无需额外供电电源的前提下使得PMOS可靠关断,提升了系统的稳定性与可靠性,可以应用于直流微电网或者电池储能等场合,具有较好的应用前景。

SiC MOSFET模块化直流固态断路器的集成化封装

直流断路器是关断直流输配电网中短路电流的关键设备。与机械断路器相比,使用半导体器件关断短路电流的固态断路器(SSCB)和混合断路器在响应时间方面表现出很大的优势。多个半导体器件串联有助于直流SSCB承受直流母线的高压,但会导致高成本和大体积。提出了一种基于SiC MOSFET模块化主从驱动的直流SSCB,所有串联器件仅需一个驱动器,简化了栅极驱动电路。对模块进行单面散热封装,可以减小寄生电感并优化散热,使器件的性能得到更好的发挥。实验结果表明,该直流SSCB可以承受700X V的直流母线电压(X为模块数),可在20μs内关断70 A短路电流。模块化设计具有更高的灵活性和更低的成本。

基于SiC MOSFET直流固态断路器关断初期电压尖峰抑制方法

针对碳化硅金属氧化物场效应晶体管(SiC MOSFET)直流固态断路器关断速度快、关断初期易产生较大电压尖峰及振荡问题,提出一种抑制方法。首先,建立SiC MOSFET等效电路模型,分析其不同寄生电感对固态断路器关断初期电压波形的影响。其次,利用不同电压等级金属氧化物压敏电阻(MOV)吸收能量不同的思想,提出并联MOV作为缓冲电路来抑制断路器关断初期电压尖峰的方法,在分析其工作原理和抑制效果的基础上,提出了选择缓冲MOV额定电压的依据。最后,搭建了基于SiC MOSFET直流断路器实验平台,对不同寄生电感、不同器件下的开断特性进行了比较,并对所提方法的有效性进行了验证。结果表明,相比Si IGBT固态断路器,SiC MOSFET固态断路器具有更为严重的电压尖峰和振荡问题,且随着寄生电感的增加越来越严重,所提出的方法可有效抑制其电压尖峰并减弱振荡。

碳化硅基直流固态断路器短路保护方法

碳化硅器件比硅器件具有更低的导通电阻,用其制作直流固态断路器可以大大降低其通态损耗,减轻散热压力。然而相比于硅器件,由于碳化硅器件管芯面积小,电流密度大,其短路能力相对较弱,短路保护要求更高。为确保碳化硅器件安全可靠工作,提高碳化硅基直流固态断路器的可靠性,对比分析了硅基与碳化硅基MOSFET的短路能力,揭示了其器件恶化机理,研究了栅源极电压箝位方法,并结合去饱和检测,提出了一种基于源极寄生电感的"软关断"短路保护方法,制作了直流固态断路器样机进行实验验证。实验结果表明,所提方法可以降低功率器件的关断电压应力、抑制短路电流,适合碳化硅基直流固态断路器短路保护。

直流固态断路器的应用与仿真研究

本文介绍了几种典型的直流固态断路器拓扑结构,总结了各自的特点,分析了直流固态断路器的应用前景,最后设计了1500V/4000A原理样机的相关参数,并给出了样机分断仿真研究结果。

考虑直流固态断路器通态压降的低压直流配电网最优潮流

在直流固态断路器的实际应用中发现,其通态压降将对低压直流配电网的系统潮流产生不可忽略的影响。因此,文中对考虑直流固态断路器通态压降的低压直流配电网最优潮流(OPF)问题进行研究,建立了只包含连续变量的直流固态断路器稳态模型,从而可以方便地使用现有方法对该问题进行求解。通过RT-Lab仿真实验和对不同电压等级直流配电网的潮流分析可知,对于低压直流配电网而言,直流固态断路器的通态压降不可忽略,否则将导致较大的电压、功率计算误差,严重时将影响系统运行安全。此外,基于RT-Lab仿真平台,分别在考虑和不考虑断路器通态压降的情况下,对低压直流配电网OPF指令的控制效果给予验证。仿真结果表明,在低压直流配电网OPF中,考虑直流固态断路器的通态压降是必要的,并且所得到的指令可较为可靠地控制系统状态使其维持在可行域范围内。

短路故障下直流固态断路器缓冲电路的设计

在低压直流微电网发生短路故障时,直流固态断路器(Solid-state circuit breaker,SSCB)可以快速有效地将故障区域隔离,然而它自身的安全可靠性依赖于缓冲电路。由于SSCB上的缓冲电路的侧重点是过电压抑制能力和故障能量的快速吸收,而不是减少缓冲电路的损耗,所以不能直接使用适用于变换器器件的传统缓冲电路设计方法。因此,提出一种拥有过电压抑制能力的SSCB缓冲电路的设计方法。针对放电阻止型RCD缓冲电路进行保护动作后缓冲机理分析,选定三种性能指标并给出详细的参数设计步骤,然后选定工况计算出合适的缓冲参数。最后通过实验验证了上述分析结果的正确性和放电阻止型缓冲电路的有效性。

浅谈直流固态断路器的应用路径

断路器是电网系统中不可缺少的设备,电网在运行时它起到控制和保护的作用。通俗的说断路器就相当于开关,而断路器的性能与电网系统运行是否安全息息相关。断路器是按照极数和安装方式进行分类的。直流固态断路器从诞生伊始就表现出了良好的前景,已经在很多领域中得到了推广应用。该文主要针对直流固态断路器的发展与应用路径进行分析。

基于逆阻型IGCT器件的固态式直流断路器设计及研制

直流系统是支撑高比例新能源接入与灵活高效用能的重要技术方向。固态式直流断路器(solid state DC circuit breaker,SSCB)具有开断速度极快、无电弧、寿命长等优点,在中低压直流系统的故障保护中得到广泛应用。随着电力电子器件的发展,固态式直流断路器的拓扑结构、工作性能也在不断进步。为此基于逆阻型集成门极换流晶闸管(intergated gate commutate thyristor,IGCT),提出了一种新型的固态式直流断路器结构及设计方法,通流支路采用逆阻IGCT反并联结构实现双向通流,缓冲支路采用金属氧化物避雷器(metal oxide varistor,MOV)-电容结构来抑制过电压,吸能支路采用MOV吸收系统能量。进一步地,给出了关键元器件的参数设计方法,并验证了有效性;设计了性能良好的重力热管散热器,单个模块散热功率可达700 W;提出了主被动结合的控保策略,提高断路器的保护性能。最后,研制了固态式直流断路器样机,可用于750 V以内的低压直流系统,额定通流可达2 kA,可在百微秒内开断10 kA故障电流,成本低、体积小、高可靠,具有良好的应用前景。

一种新型低压直流碳化硅固态断路器

随着直流微电网的发展,直流断路器作为其主要保护装置而受到高度关注。结合第三代宽禁带半导体器件的优势,提出了一种新型低压直流碳化硅(Silicon Carbide,SiC)固态断路器(Solid-State Circuit Breaker,SSCB)拓扑,该SSCB主开关采用常通型SiC JFET器件,用于切断主电路中的故障电流。辅助旁路由SiC MOSFET器件、RC缓冲电路和压敏电阻(MOV)组成,用于辅助泄放回路中的过电流来提高直流系统的安全性与稳定性。首先介绍了该SSCB的拓扑结构,其次根据低压直流系统在短路故障、冲击电流和过流故障时不同的故障特性,分析了该SSCB在不同故障条件下工作原理及保护控制方法,最后通过ORCAD/Pspice仿真模型,验证了所提SSCB设计方法的可行性。

基于SiC JFETs并联二极管桥式双向直流断路器

这里提出了一种基于碳化硅(SiC)结型场效应管(JFETs)并联的二极管桥式双向直流固态断路器。首先介绍了断路器的基本拓扑结构,分析了断路器动静态过程中并联均流影响因素,进而提出了具体的并联均流措施;并且分析了二极管桥在关断过程中对故障电流流通路径的影响,针对故障电流缓冲电路加装在二极管桥内外的不同情况进行仿真分析,从而获得缓冲电路的最佳安装位置。最终设计了断路器样机并进行实验验证,实验结果表明,所提断路器具有较好的并联均流效果,而且拥有良好的故障电流缓冲效果。

一种适用于固态直流断路器的IGBT串联均压电路

机械–固态半导体混合式以及纯固态式直流断路器的发明和使用为大规模高压直流输电系统的发展提供了新的契机。在纯固态直流断路器中,通常将大功率绝缘栅双极晶体管(insulate gate bipolar transistor,IGBT)串联起来以承受断路器关断过程中的过电压。但是,由于大功率的IGBT价格昂贵且对瞬态过电压十分敏感,所以串联IGBT关断过程中的均压问题需要得到充分的考虑。为了解决固态直流断路器中串联IGBT间的不均压问题,首先对引起不均压的因素进行了深入的研究。另外,为了使串联IGBT之间的关断过电压的不一致性降到最小,提出一种门极均压控制电路和相应的控制方法。实验结果表明,通过使用提出的均压控制电路和相应的控制方法,串联IGBT关断过电压的不均衡得到了有效抑制。因此,系统的可靠性得到了有效的提升。

一种配网级联式固态直流断路器的拓扑设计

直流断路器作为直流配电网的保护设备,对直流配电网的安全稳定运行有着重要的意义。本文提出了适用于直流配电网的级联模块式固态直流断路器拓扑设计方案,所提方案的拓扑结构通过引入接地续流二极管组,减轻避雷器吸收能量的压力,加快电流分断的速度;转移支路采用级联模块式的结构,解决了串联大量IGBT的动态均压问题。基于所提的拓扑设计了10 kV直流配电网的直流断路器模型,在PSCAD/EMTDC中进行了验证,并与其他文献的方案进行对比分析,结果表明:基于所提的方案的固态直流断路器最大开断电流为5 kA,最快切除故障电流时间为2.96 ms,避雷器吸收能量的时间为1.24 ms,吸收的能量较其他方案减半,符合直流断路器设计的要求。本文的仿真结果验证了该方案的可行性。

基于IGBT的新型固态直流断路器设计与分析

直流断路器是柔性直流输电系统组网的关键设备,对直流输配电网的安全性、稳定性有着重要的意义。文中提出了一种基于绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的新型固态直流断路器拓扑,在提高断路器切断电流能力的同时,提高了避雷器和IGBT的使用寿命。通过引入接地引流二极管,减轻避雷器吸收能量的压力,加快电流分断的速度。基于所提拓扑设计了10 kV的直流断路器模型,在PSCAD/EMTDC中进行了验证,仿真结果表明:基于所提出的方案,最大开断电流可达5kA,故障电流转移到主断流支路的时间为0.4 ms,避雷器吸收能量的时间为1.89 ms,同时减少了避雷器吸收的能量,符合直流断路器的设计要求。文中的仿真结果验证了该方案的可行性。

配电网用全固态混合式直流断路器研发

直流配电网以其控制灵活、稳定性高、电能质量好等优点,成为了未来配电系统的发展趋势。直流断路器作为直流配电网的保护设备,对于直流配电网的稳定性、安全性有着重要意义。提出了一种在直流配电网中应用的全固态混合式直流断路器方案。该断路器由三条支路构成,其主通流支路由晶闸管串联IGBT构成,转移支路由压接式IGBT构成,能量吸收支路由避雷器构成。对该断路器方案进行了仿真验证,并开发了10kV/1kA试验样机以及相关试验平台。试验样机在10kV和7.5kV电压等级下分别成功开断2kA和5kA短路电流。样机在10kV电压额定通流下效率大于99.94%。

进军国际船舶市场的重要里程碑——赛晶固态直流断路器通过挪威船级社(DNV GL)认证

2019年10月,赛晶电力电子集团固态直流断路器正式获得"挪威船级社(DNV GL)"认证证书(编号:TAE00003K1)。挪威船级社,是国际最具权威性的三大专业船舶领域认证机构之一,在世界上获得了超过80多个国家的授信认可。挪威船级社认证,是出色品质的绝佳证明,也是船舶市场畅通无阻的通行证。

直流断路器的现状及发展

本文在分析直流输电技术特点的基础上,总结了目前直流输电对于直流断路器的基本要求;介绍了用于直流领域的断路器的种类,分析了其工作原理以及性能特点;简要综述了直流断路器国内外发展现状,并分析了直流断路器存在的主要技术问题,指出混合直流断路器是直流输电领域的直流断路器研究的主要方向。

一种低压固态亶流断路器样机研制

随着能量路由器概念的提岀及直流输配电技术的快速发展,电力局域网系统如船舶电力系统、实验室、检测机构电力系统对于故障保护功能要求越来越高,直接表现为对保护机构的电气性能如关断时间、关断过电压等要求提高。传统机械式直流断路器及混合断路器关断时间在毫秒级别,在很多场合下已经不能满足系统需求。全固态直流断路器近年来成为科研机构及行业讨论的热门。本文对一台1kV/2kA固态直流断路器的理论设计、结构设计、仿真进行了详细描述,并成功制造样机进行了测试,保护关断时间可达30us。

中压船舶直流供电系统限流开断技术

中压直流供电系统是未来船舶供电的一个典型应用场景,中压直流断路器则是保障该供电系统安全可靠运行的关键设备之一。船舶供电系统的阻抗小,故障电流及其上升率大,故要求直流断路器兼具故障限流与大容量开断功能。该文首先简述船舶供电系统的特点及直流故障的电流特性,然后重点介绍了基于固态开关分断技术的全固态直流断路器和混合型直流断路器的研究进展,分析了它们的优缺点,并对它们在中压船舶直流供电系统中的应用进行了工程和技术的可行性分析。最后对单向分断新型强迫换流原理的混合型断路器方案在10kV/5kA系统的应用进行了可行性分析,并对其工程应用需要攻克的难点及关键技术进行了展望。