智慧建筑直流系统故障限流器拓扑及参数设计研究

含光充储用的智慧建筑直流系统具有更好的经济效益和环境效益。为避免短路过电流对智慧建筑直流系统造成危害,该文提出一种双向直流故障限流器拓扑,其特点为电流通过全桥换向阀组、单向流经全控开关管和各并联支路,故障后通过关断单向载流的开关管增大阻抗实现双向限流。分析该限流器的电阻、电感参数对电压应力和电流抑制能力的影响。其中,限流器参数在动作前对抑制效果影响较小;二极管和开关管的电压应力峰值与电阻取值几乎呈线性关系;动作后的电流抑制效果在电感增加时趋于饱和,而在电阻增加时抑制效果提升明显但受电压应力约束。采用Matlab/Simulink对限流器在375 V直流系统中的应用进行仿真验证,结果表明该限流器能满足智慧建筑直流系统故障电流抑制要求。

具有电容限压功能的限流式统一潮流控制器

针对统一潮流控制器(UPFC)的串联变换器极易因系统发生短路故障而损毁的问题,提出一种具有短路限流功能的UPFC(限流式UPFC)拓扑,可以有效避免串联变换器因系统短路电流冲击而损毁.但当桥式固态限流器晶闸管完全关断之前,短路电流会经过串联变换器IGBT的续流二极管给直流电容充电,电容电压瞬间上升,极有可能超过IGBT的耐压水平而导致串联变换器损毁.分析短路时短路电流的流通路径,建立限流式UPFC的短路数学模型,通过分析短路时电容电压上升的机理,给出一种限流式UPFC的改进方案.PSCAD/EMTDC软件的建模与仿真结果表明,该改进方案在短路限流的同时能够减小甚至避免电容电压上升,进而保护UPFC的串联变换器.

非超导桥式故障限流器的仿真分析与改进

过 PSPICE仿真 ,分析了具有直流偏置的非超导桥式限流器的工作原理及稳态、暂态特性。根据仿真结果 ,改进了限流器控制策略 ,可解决直流偏置电源在故障大电流时的损耗问题 。

船舶直流电网短路限流装置的设计与分析

针对现有断路器极限分断能力不能满足船舶直流电网短路保护要求的问题,制订了一种新型的基于固态限流器的船舶直流电力系统区域保护方案,给出了限流器拓扑结构;分析得到了其数学解析模型,并说明了工作的物理过程;推导出限流器的最大电容电压、主回路最大电流与电路各参数之间的关系,提供了限流器各器件选型的理论依据。基于此,研制出了新型小功率直流短路电网限流装置实验样机,并完成了以蓄电池组作为电源的电网突然短路限流实验。实验结果证明了所设计的限流器关键参数计算的正确性,且该限流器动作快速、准确,能有效地抑制短路电流,控制方法简便,具有良好的工程应用前景。

一种多功能模块化直流故障限流器拓扑及控制策略

直流故障限流器(FCL)是抑制直流短路故障电流的关键设备,其在交直流混合电网中十分重要。文中提出一种多功能模块化直流FCL拓扑,由多个电力电子功率单元子模块串联组成,通过模式控制与切换,实现故障限流、能耗泄放和直流网压支撑3种功能。文中详细分析了多功能模块化直流FCL的运行机理,给出了其在交直流混合电网中的典型配置方案,并针对3种功能对应的工作模式,完成了控制策略设计与开发。为验证拓扑结构及控制策略的有效性,在Matlab/Simulink中构建多工况仿真模型。仿真结果表明,所提模块化直流FCL拓扑及控制策略能够满足交直流混合电网多种故障情况下的故障限流应用需求。

电感式直流限流器研究综述

高压直流系统短路故障电流抑制问题是目前直流系统保护的核心问题之一,电感式直流故障限流器能深度抑制系统短路电流上升速度,是解决短路故障电流问题的有效方法。该文首先分析了直流系统的故障电流特性,提出了限流器性能评价指标。其次,分析了磁通耦合型、饱和铁芯型和固态型3种电感式直流限流器的工作原理、电气特性和最新研究进展。然后,归纳和对比了不同类型电感式直流限流器的电感增益倍数、动态响应时间、耐压/通流能力和成本等性能评价指标,并给出了各自优缺点和适用的直流电压等级。最后,根据未来直流电网的发展趋势,给出了各类限流器亟待解决的关键技术问题,如超导材料的失超一致性问题、饱和铁芯限流器的励磁系统性能问题、固态限流器的多功能化等,为直流限流技术的进一步研究方向做出了展望。

永磁饱和型高压直流限流器参数优化设计

随着高压直流系统短路电流水平的提升,故障电流可能超出断路器遮断容量,或使其体积与成本急剧增加。使用故障限流器抑制故障电流上升速度,能够降低对直流断路器性能的要求。其中,永磁饱和型故障限流器具有无需外加控制、自动响应、无需外加励磁电流和损耗较低等优点。目前限流器参数设计主要针对稳态电感值,考虑暂态特性的参数设计及优化方法仍待研究。为此,文中提出一种用于直流系统的永磁饱和型故障限流器参数优化设计方法。首先,介绍了该类型限流器的工作原理。其次,提出了限流器优化设计的约束条件和优化目标函数,以成本最低为目标进行了限流器参数优化设计。最后,建立了有限元和电路仿真模型进行仿真计算,并研制了一台限流器样机,进行了试验。仿真和试验结果表明:采用所提方法可以设计出符合要求的限流器,降低了限流器成本,减小了直流断路器分断过程中的应力。

直流故障限流器工作原理分析与特性研究

直流故障限流器可有效限制直流输配电系统中短路故障电流,进而有助于提高系统的安全性。首先介绍了几种不同类型的直流故障限流器,并对其中典型直流故障限流器的拓扑结构与工作原理进行了分析。进一步,重点对磁通补偿型超导直流限流器、桥式固态直流限流器以及电容型直流固态限流器的工作特性进行了研究。在建立等效电路与应力分析的基础上,利用PLECS对上述几种直流限流器的运行特性进行了仿真验证,考察不同限流参数及拓扑结构改进前后的限流效果,对其中的优缺点进行了总结,并根据仿真结果对不同直流故障限流器的特性进行了综合对比。

一种新型电容换相混合式直流限流器

采用半桥型模块化多电平换流器的直流电网面临直流故障清除难题,高压直流断路器面临切除时间和切除容量的矛盾。为此,该文提出一种适用于抑制直流侧故障电流的混合式故障限流器(hybrid FCL)拓扑,并提出限流效果评价指标。具体而言,该限流器在稳态时负载电流通过低损耗支路通流,故障后通过负载转换开关使故障电流通过限流支路。限流支路是由晶闸管、换相电容和限流电感组成的H桥电路,其目的在于使用半控型电力电子器件节约投资,利用电容充放电来实现特定桥臂的导通和关断,最终使限流电感串联进入放电回路达到限流目的。对所提限流器工作原理、控制模式、电气应力和工程设计进行详细研究和仿真验证,表明所提出拓扑具备良好的工程应用前景。

适用于直流电网的自旁路型故障限流器研究

柔性直流电网在直流侧故障后,故障线路隔离存在困难,使用限流器抑制过电流成为一种有效的辅助方法。该文提出基于单钳压子模块的限流器拓扑,通过柔性投入限流元件,可实现限流器的可靠投入,并且通过自旁路设计辅助降低断路器切断难度。对所提混合式限流器的工作原理、控制方式和电气应力进行研究,提出限流效果判断关键指标,并在4端直流电网中仿真验证。进一步分析认为,所提出故障限流器拓扑具备应用于柔性直流电网的工程价值。

一种混合式直流故障限流器的设计与仿真

由于直流断路器的开断容量、速度及成本的限制,直流电网面临着故障隔离难题。提出了一种基于换相电容的混合式故障限流器,故障后借助换相电容将限流支路投入故障回路抑制故障电流。限流支路由晶闸管、换相电容、限流电阻和限流电感组成。文中给出了限流器的拓扑结构,分析其在故障不同阶段的限流原理;用基尔霍夫定律列出换相电容处于不同阶段的回路方程,对不同参数下的限流效果进行理论分析,作为参数设计的理论依据。在PSCAD/EMTDC中搭建四端直流电网模型验证其限流效果,仿真结果表明:所提限流器能有效减缓子模块电容放电速度,使得故障后5 ms的短路电流上升率由2.254 kA/ms下降到1.015 kA/ms,有效抑制了故障电流的增长,降低了直流断路器的开断容量。

一种阻感型电容换相混合式限流器

采用半桥子模块的直流电网难以清除直流侧故障,直接采用直流断路器切断故障电流对于检测和断路设备都提出了严苛的要求。为此,该文提出一种适用于故障电流抑制的混合式故障限流器。该限流器利用限流电阻和限流电抗通过由晶闸管和换相电容组成的H桥电路实现限流过程。对所提限流器的工作原理、控制模式、电气应力和能量转移过程进行研究,并在4端直流电网中仿真验证。研究表明,所提限流器能够有效抑制电流增长,并具有较好的经济性,适用于高压直流输电的保护需求。

兼备直流故障限流及开断功能的新型直流电网关键设备

高压大容量柔性直流输电系统故障电流上升速率快、峰值高,所以适用于直流电网的故障电流抑制装备成为目前研究的热点。提出了一种兼备直流故障限流及开断功能的新型故障电流抑制装置,能够充分发挥故障限流器及直流断路器的优势,并具有较高的经济性。在Matlab平台中搭建了500 kV柔性直流输电系统,并在实验室中构建了200 V故障电流抑制装置物理样机,采用纯数字仿真以及数字物理混合实验的方法,验证了样机故障电流抑制效果以及所提拓扑结构的工程适用性。

一种新型混合式直流故障限流器拓扑

直流故障限流器对柔性直流电网的安全稳定运行具有重要意义。该文提出一种通态损耗低、主限流电路采用晶闸管器件、可在直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)断路时将限流电感快速旁路的混合式直流限流器拓扑。分阶段对新型拓扑的限流过程进行理论解析,分析电压应力、限流时间与限流器参数的关系,给出限流器参数设计方法。提出在断路时限流电感快速旁路方法,并对由此减少的DCCB耗能进行理论计算。分别在单端换流站和直流电网中验证所提出限流器动态特性分段解析方法的正确性,同时仿真结果表明,所提出的限流器能有效限制直流故障电流的上升率,并可以大幅降低断路器切断过程中的能量耗散。

基于预充电换相电容的直流故障限流器

直流电网在电力系统中所占的比重越来越高,而直流电网中故障清除一直是研究的热点和难点。该文提出一种基于预充电换相电容的直流故障限流器,该限流器通过预充电换相电容实现限流电阻和限流电感的投入,合理利用电路原理和元器件特性实现限流器投入电网。同时,通过创新拓扑结构实现双向限流。该文对该限流器的拓扑结构、工作原理、控制模式和电气应力进行研究,阐明故障电流在限流器作用下发展的整个过程。并利用PSCAD/EMTDC仿真验证方案的可行性。研究结果表明,该文所提限流器能够有效抑制故障电流增长,减缓故障电流上升速度,并具有较好的经济性,适用于高压直流输电。