一种阻容型限流式混合直流断路器拓扑结构研究

针对轨道交通直流牵引供电系统故障短路电流大、上升速率快等问题,文中提出1800V阻容型限流式混合直流断路器拓扑结构,分析了工作原理和整机开断过程,确定了整机开断限流参数取值。采用MATLAB/Simulink建立阻容型限流式混合直流断路器模型,对比分析阻容限流拓扑结构与传统电感限流拓扑结构对开断故障短路电流峰值和整机开断时间的影响,阻容限流拓扑结构效果更优。搭建整机开断试验平台,进行小电流开断试验验证,试验结果表明与传统电感限流拓扑结构相比,阻容限流拓扑结构有效降低故障电流幅值30%以上,缩短整机开断时间10%以上,与仿真结果基本一致。文中为限流式混合直流断路器样机研制提供一定的参考。

基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器参数设计

研究了基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器。采用电力电子复合开关,以降低高压混合式直流断路器的电力电子功率器件串联数量;采用特殊设计的限流电路,在故障发生时抑制短路电流的上升速率,并可在线路断开后自行释放能量,避免感应过电压的产生。同时,对限流式混合直流断路器的参数设计原则及复合开关的配置方法进行了详细的推导,并对其正确性进行仿真验证。仿真结果证明,采用文中所述方法进行限流式混合直流断路器的设计,不仅可以在直流电路发生短路故障时有效限制短路电流上升率,降低短路电流开断难度,还可以显著减少器件串联数量,从而达到降低装置体积与成本的目的。

一种新型限流式混合直流断路器拓扑

混合式直流断路器是柔性直流电网的重要组成部分,用于实现直流侧故障隔离,但现有拓扑大多不具备故障限流能力,且成本较高。对此,该文提出一种新型限流式混合直流断路器拓扑,其具备主模态、限流模态及断路模态3种工作模态,能够灵活应对直流电网不同异常状况。该拓扑主要采用晶闸管实现故障电流换路,大大减少IGBT的使用量以降低断路器成本,同时配合电容进行限流电感与避雷器的投切,以实现故障限流并提高分断速度。此外,该文针对所提出拓扑的工作过程进行详细解析和理论推导,基于PSCAD/EMTDC在单端等效和四端直流电网环境下进行仿真验证,并与现有典型拓扑进行对比分析,仿真结果证明了所提直流断路器拓扑的可行性和优越性。

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。

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。

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。

具有耦合电感的限流型混合直流断路器拓扑设计与分析

为解决多端直流电网故障电流抑制与消除问题,提出一种采用耦合电感的限流型混合式直流断路器拓扑。在直流电网发生异常状况时,实现限流与分断、限流与恢复以及小电流分断3种模式的控制与保护。拓扑设计中,利用晶闸管和辅助电容相互配合实现耦合电感器的一次绕组快速投入,并抑制故障电流;根据故障检测结果,利用耦合电感器配合晶闸管代替IGBT,实现限流后快速切除故障线路或恢复正常运行。在对拓扑回路限流及分断过程分析的基础上,基于PSCAD/EMTDC搭建直流系统单端等效电路和±500kV四端直流系统仿真电路,并进行可行性验证和分析。与现有典型方案进行仿真对比分析,结果表明所提拓扑在保证限流能力、分断速度和降低金属氧化物避雷器耗能的同时,可以有效减少IGBT数量,具备一定的经济性。

基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构研究

直流断路器是中压直流配电系统的重要设备。为满足大容量高速分断的迫切需求,该文提出一种基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器拓扑结构并分析了其工作过程,将耦合电抗器一、二次绕组分别串联于主支路和真空开关支路实现加速电弧电流转移,阻容元件串联于固态开关支路以便限制故障电流。通过Matlab/Simulink构建了基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器仿真模型,仿真分析了耦合电抗器和阻容元件参数对电流转移时间、限流效果、整机开断时间的影响规律,并进行了小电流开断的初步实验验证。研究表明:耦合电抗器一、二次绕组分别为300μH、50μH,阻容元件参数为0.1?、50μF,电流转移时间由1.5ms缩短至0.5ms,截断电流峰值降低了47.1%,整机关断时间缩短了1.9ms,初步验证了新拓扑结构在限流和快速开断方面的可行性,为研制高性能混合直流断路器提供参考依据。

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。

一种新型限流型高压直流断路器拓扑

随着柔性直流输电技术的不断成熟,直流输电变得越发普及,而高压直流断路器作为直流输电系统的关键部分,其重要性不言而喻。针对现有高压直流断路器存在故障时短路电流大、分断速度慢、避雷器吸收能量过高等问题,提出了一种具有限流能力的新型高压直流断路器拓扑,该拓扑在传统直流断路器换流支路基础上增加了H型桥限流部分,利用平波电抗器与限流部分共同限流,可以显著降低故障时电流的上升速率与峰值。文中详细说明了新型拓扑的基本工作原理,对故障分断过程进行理论分析并给出相关参数的影响关系及选取依据,通过搭建基于Pscad/Emtdc仿真软件的新型限流型断路器模型,与已有限流型断路器方案相比,避雷器能量吸收降低了62.8%,故障分断时间减少了0.8 ms,并具有良好的可靠性与经济性,仿真结果验证了所提新型限流型直流断路器拓扑可适用于当前柔性直流电网。

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。

考虑MMC主动限流控制影响的直流断路器参数优化方法

直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)成本是制约高压柔性直流系统发展的重要因素之一。为降低直流系统对断路器的要求,文中首先介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)主动限流控制策略,提出状态空间平均模型下的直流短路电流时域解,分析采用主动控制方案改变电容放电状态占空比优化DCCB参数的可行性。提出考虑MMC主动限流控制的混合式DCCB参数的计算方法,分析占空比对DCCB的最大关断电流、机械开关时间、金属氧化物避雷器(metaloxide surge arrester,MOA)吸收能量的影响,设计DCCB的选型优化流程,降低DCCB的成本。最后,通过仿真和实验验证理论分析的合理性。

一种晶闸管型混合直流断路器全工况控制策略

围绕快速晶闸管的混合式直流断路器的建模与控制进行研究。综合考虑不同控制策略下的故障电流迁移条件,提出了基于有限状态机方法的控制策略,实现不同状态之间相互转换,重点对预合闸控制和重合闸控制的实现过程进行了详细的状态切换分析和实现,通过将原来时序逻辑关系融合到不同状态的设定中,从而能够随时快速响应不同的事件,避免了传统时序控制方式必须完整执行全部控制过程导致的重复判断和交叉干涉。最后搭建了基于状态机下直流断路器控制系统,并对不同故障模式下的直流断路器状态切换进行了仿真,验证了采用有限状态机控制下多状态间的可靠、快速运行。

具备故障电流限制能力的多端口直流断路器

混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断的重要装备。然而,目前每条直流线路两端均需配备一台价格昂贵的二端口混合式直流断路器,这严重限制了其在未来新型电力系统中的规模化应用。该文提出一种具备故障电流限制能力的多端口直流断路器,在实现故障双向阻断的基础上,与常规方案相比故障电流峰值下降了38.0%、避雷器能量耗散应力下降了61.21%。更为重要的是,所提断路器完成直流母线故障隔离后,与故障母线相连的健全直流线路仍可以进行正常功率传输,最大程度地保障了柔性直流电网的健全和持续可靠运行。首先,分析了直流断路器在故障工况下的故障电流阻断原理,并对各个动作过程进行了理论推导;然后,揭示了电容和电感参数对断路器限流性能的影响机理,确定了限流单元的元件选型方法;最后,基于PSCAD/EMTDC对所提具备故障电流限制能力的多端口直流断路器进行了仿真分析,结果表明,所提多端口直流断路器具有较强的有效性和适应性。

基于电流注入的新型混合式直流断路器

混合式直流断路器是实现柔性直流电网故障电流快速阻断,最大程度地保障系统健全和可靠持续运行的关键装备。目前,基于全控型电力电子组件级联的混合式直流断路器存在造价昂贵、控制复杂及难以大规模应用等问题。针对这一问题,该文提出一种基于电流注入的新型混合式直流断路器,利用直流系统本身对振荡支路电容进行预充电,通过晶闸管控制振荡支路电容、电感发生谐振而辅助故障电流迅速换流,实现直流线路故障电流快速阻断。首先分析电流注入基本原理,然后,在此基础上提出基于电流注入的新型混合式直流断路器,并详细阐述其工作原理,最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证所提新型混合式直流断路器的有效性和适用性。

直流混合型断路器与直流故障限流器的匹配研究

目前,直流断路器的开断容量还难以达到直流电网的要求,通过限流器和断路器的配合是解决问题的有效方式之一。本文在分析混合型直流断路器开断原理及其特性的基础上,对断路器与直流限流器的配合问题进行研究。首先,以ABB公司混合型直流断路器为例,通过PSCAD/EMTDC软件建立仿真模型,对其开断原理和过程进行分析;然后,根据直流电网电压等级、开断电流大小和开断过程IGBT承受电压电流等不同要求,研究限流器对断路器的影响,进而确定匹配原则;最后,通过故障状态分析计算确定限流器的参数。

基于限流器与断路器协调的混合直流输电系统故障隔离方法

为妥善处理混合直流输电系统的故障隔离问题,提出了一种基于限流器和直流断路器协调的故障隔离方法。阐述了限流器和直流断路器的结构与建模思路,设计了两者的时序协调方案。考虑限流器动作和断路器分断各暂态阶段,建立了混合直流输电系统的故障等效电路,理论推导了系统峰值电流、耗散能量和故障清除时间的数学关系。利用PSCAD/EMTDC平台,搭建了320 kV混合直流输电仿真测试系统。仿真比较了不同限流电阻、主断路器延时及故障深度下系统的暂态性能。仿真结果验证了所提方法在抑制短路电流、加速故障隔离与降低断路器耗散能量等方面的积极效应,肯定了其应用于混合直流输电系统的有效性和适应性。

一种带自充电支路的改进型混合直流断路器

直流断路器作为柔性直流电网的关键设备,对直流输配电网的安全、稳定运行有着重要的意义。针对带限流能力的直流断路器存在的造价偏高、故障清除速度慢等问题,提出了一种带自充电支路的改进型混合直流断路器(improved hybrid DC circuit breaker with self-charging branch,SCB-IHDCCB)拓扑,设置限流电感旁路和接地旁路,优化自充电支路路线,将泄能支路与自充电支路结合使用,在保证断路器性能的前提下,减少了支路数量,大大降低了晶闸管等元器件数量,从而大大降低其造价。对所提拓扑在单端系统中的工况进行了理论推导与分析,基于所提拓扑设计了500kV的单端直流系统,在PSCAD/EMTDC中建立模型进行了仿真验证,并与其他拓扑方案的性能、元器件数量进行比较。仿真结果表明,SCB-IHDCCB的性能和造价都得到较大优化,具有良好的经济性和应用前景。