A Fault Current Limiting Hybrid DC Circuit Breaker

Due to the low impedance characteristic of the high voltage direct current(HVDC)grid,the fault current rises extremely fast after a DC-side fault occurs,and this phenomenon seriously endangers the safety of the HVDC grid.In order to suppress the rising speed of the fault current and reduce the current interruption requirements of the main breaker(MB),a fault current limiting hybrid DC circuit breaker(FCL-HCB)has been proposed in this paper,and it has the capability of bidirectional fault current limiting and fault current interruption.After the occurrence of the overcurrent in the HVDC grid,the current limiting circuit(CLC)of FCL-HCB is put into operation immediately,and whether the protected line is cut off or resumed to normal operation is decided according to the fault detection result.Compared with the traditional hybrid DC circuit breaker(HCB),the required number of semiconductor switches and the peak value of fault current after fault occurs are greatly reduced by adopting the proposed device.Extensive simulations also verify the effectiveness of the proposed FCL-HCB.

Key stress extraction and equivalent test method for hybrid DC circuit breaker

Firstly, relevant stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process of hybrid HVDC circuit breaker are studied in detail on the basis of the analysis for the application environment and topological structure and operating principles of hybrid circuit breakers, and key stress parameters in transient state process of two time dimensions are extracted. The established digital simulation circuit for PSCAD/EMTDC device-level operation of the circuit breaker has verified the stress properties of millisecond level breaking process and microsecond level commutation process. Then, equivalent test method, circuits and parameters based on LC power supply are proposed on the basis of stress extraction. Finally, the results of implemented breaking tests for complete 200 kV circuit breaker, 100 kV and 50 kV circuit breaker units, as well as single power electronic module have verified the accuracy of the simulation circuit and mathematical analysis. The result of this paper can be a guide to electrical structure and test system design of hybrid HVDC circuit breaker.

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。

Research on a Multiport Parallel Type Hybrid Circuit Breaker for HVDC Grids:Modeling and Design

This paper proposes a star type multiport hybrid circuit breaker(Star-HCB)topology for protection of multiterminal DC transmission.Reliability and stability of high voltage DC(HVDC)grids are determined by their capabilities to withstand DC-side faults.In order to maintain reliability of HVDC grids,both ends of each line should be equipped with hybrid circuit breakers(HCB).This method will increase expenditure of the HVDC,especially the meshed topology.The n-port Star-HCB consists of ultra-fast mechanical disconnectors,load current switch and only one transferring branch which is formed by improved half-bridge sub-module.Compared with existing traditional hybrid circuit breakers and other multiport hybrid circuit breakers,the proposed topology can realize the same short-circuit blocking goal using fewer components.Detailed mathematical transient process calculation and timedomain simulation of the proposed Star-HCB are given to verify its superiority.

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。

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。

Sequential auto-reclosing strategy for hybrid HVDC breakers in VSC-based DC grids

The use of overhead lines for power transmission in the future high-voltage and large-capacity voltagesource converter(VSC)-based direct current(DC) grid will significantly increase the probability of temporary faults.To eliminate potential adverse impacts such as erroneous protection, line-insulation failure, and even damage to power electronic devices resulting from a DC breaker reclosing operation with the traditional sequential autoreclosing strategy, a new sequential auto-reclosing strat-egy for hybrid HVDC breakers(HHBs) in VSC-based DC grids is proposed. This strategy is based on the step-by-step operation of the transfer branch in the HHB. As a result,du/dt resulting from the HHB reclosing operation is greatly reduced, and therefore those potential negative impacts can be eliminated. Several other advantages are also presented.The feasibility and validity of the proposed strategy are verified in a four-terminal annular VSC-based DC grid electromagnetic transient model.

Low-loss and Compact Hybrid DC Circuit Breaker Scheme Using Self-commutated Semiconductor Switch Module

In traditional hybrid DC circuit breakers(HCBs)schemes,complex equipment is usually required to ensure current commutation from mechanical to semiconductor switches,which cause not only additional construction costs and volume but also additional losses and maintenance work.Different from this condition,a low-loss and compact HCB scheme that does not use separate current commutation equipment is proposed in this study.By rationally using the charge and discharge of the snubber capacitor,the self-commutated semiconductor switch(SCS)module can integrate both the current commutation and shutdown functions,thereby greatly reducing cost and volume.The working process is discussed and analyzed in detail,and then a 10-kA prototype is developed and tested,which verifies the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.Index Terms-HVDC circuit breakers,hybrid DC circuit breakers(HCBs),self-commutated semiconductor switch(SCS).

直流断路器技术发展综述

柔性直流输电和多端直流电网对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有日益迫切的需求。综述了直流断路器的拓扑形式,分析了机械、全固态及混合式等直流开断方式的特点及适用场合,指出混合式强制换流方案、机械式预充电人工过零方案更易满足高压大容量直流系统的高速开断要求。提出混合式直流断路器的研制重点在于提高机械开关的操动速度,减少元件数,提高可靠性与经济性;机械式直流断路器应重点关注详细拓扑、机械开关灭弧单元在人工零点下的极限开断能力、振荡回路参数优化和快速机构的研制。

500kV整流型混合式高压直流断路器

直流断路器作为柔性直流电网故障元件的快速隔离装置,是构建直流电网的关键设备,能够大力支撑大规模新能源的高效并网和消纳。文中提出一种整流型混合式高压直流断路器电路拓扑,采用桥式换向阀组和单向开断阀组构成分断支路,与常规拓扑相比,使用一半数量的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)即可实现电流双向开断,经济性好和可靠性高。文中详细介绍了整流型混合式高压直流断路器的拓扑结构及其开断工作原理,并提出预分闸控制策略和软合闸控制策略,以缩短分闸时间和减小合闸操作冲击。研制了一台额定电压500kV,额定电流3kA,最大开断电流25kA,开断时间小于3ms整流型混合式高压直流断路器样机。

混合式高压直流断路器研究现状综述

随着柔性直流输电技术在近三十年的巨大进步,高压直流断路器研究成为国际研究热点。文中针对高压直流输电技术的发展趋势,论述了高压直流电网对高压直流断路器的强劲需求;介绍了目前应用较为普遍的混合式直流断路器发展历程、拓扑结构及开断原理;在此基础上,从元器件数量、设备可靠性方面对比分析了目前基于IGBT级联型双向开断的混合式直流断路器、基于H型全桥拓扑结构的混合式直流断路器、二极管带IGBT全桥拓扑结构的混合式直流断路器3种典型技术方案的优劣;总结了现今高压直流断路器研究的技术难题和未来发展方向。

柔性直流电网主动限流开断直流故障研究

基于混合型模块化多电平变换器的柔性直流输电系统可通过主动控制来限制直流故障电流,即将在昆柳龙三端混合直流输电工程中应用。然而,关于混合型MMC的主动限流开断原理、故障电流演变特性、限流控制效果与影响因素尚缺少相关理论研究。针对上述问题,该文首先分析采用直流电压前馈的主动限流控制策略限流机理,研究计及延时后,换流器直流电压、电流在故障期间的演变特性。提出换流器与直流断路器协调控制策略,并分析采用不同协调控制策略时故障线路电流的动态演变过程。分析采用主动限流控制策略后的柔性直流电网对DCCB的开断电流大小需求。针对基于半桥MMC构建的直流电网和基于混合型MMC构建的直流电网2种技术方案,在DCCB开断电流需求、DCCB经济性以及直流电网故障特征等方面对二者进行对比分析。研究表明,与半桥MMC型直流电网相比,基于混合型MMC的直流电网在使用主动限流控制技术后,DCCB开断电流大小减小为原来的22%,使得DCCB的成本减小为原来的45%,故障后换流站直流功率最短时间恢复时间减小为原来的30%,故障后功率模块电容过电压减小为原来的33.3%。最后,通过仿真验证理论分析的合理性。

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。

混合式高压直流断路器型式试验及其等效性评价

混合式高压直流断路器型式试验的目的是检验断路器的功能性是否满足设计要求。混合式高压直流断路器型式试验设计及试验等效性评价原则展开研究。首先基于断路器工作原理和运行工况并通过断路器PSCAD/EMTDC器件级运行数字仿真模型解析了分断过程和换流过程相关应力特性和影响因子,然后在应力分析的基础上提出了断路器型式试验关键项目,最后提取了混合式高压直流断路器型式试验等效性评价方法的核心,即具备工程实践意义的断路器应力等同关键参数。文中建立了基于整机应力和部件应力核心参数以及核心参数之间独立性和相关性联系的等效性评价方法,该方法能够正确评估断路器型式试验的等效性。

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。

一种适用于风电外送的混合高压直流输电系统

整流侧采用模块化多电平换流器(MMC),逆变侧采用电网换相换流器(LCC)的混合高压直流输电系统可结合两者的优点,是一种适用于风电外送的新型拓扑。为弥补MMC无法清除直流侧故障的缺陷,可在整流侧直流线路上装设混合式高压直流断路器。针对单级接地和双极短路2种故障分析其故障特性和对系统的影响,并根据故障电流特性设计断路器时序控制策略。基于PSCAD仿真软件建立该输电模型并仿真分析其在稳定送端交流母线电压上的优势,然后验证所提故障特性分析,最后证明所设计的时序控制策略可有效清除直流侧故障。

IGBT串联阀混合式高压直流断路器分断应力分析

混合式高压直流断路器分断操作是体现断路器本质特征的核心功能。断路器分断故障大电流这一暂态过程中产生的应力是断路器电气特性研究的重点。应力分析是断路器电气、结构和试验系统设计的理论基础,其相关研究尚属空白,需要进行全面详细的解析。该文首先在断路器拓扑结构和分断运行分析的基础上研究混合式高压直流断路器毫秒级分断全过程和微秒级换流过程相关应力特性,并论述两种时间维度暂态过程之间的联系。然后,建立的断路器PSCAD/EMTDC器件级运行数字仿真电路验证毫秒级分断过程和微秒级换流过程相关应力特性及其影响因子。最后,实施的200kV断路器整机,100kV、50kV断路器单元以及单一电力电子模块分断试验结果验证仿真电路和数学分析的准确性。该文结果可指导IGBT串联阀混合式高压直流断路器电气结构和试验系统的设计。

混合式直流断路器IGBT关断能力提升技术研究

混合式高压直流断路器主要由快速机械开关和电力电子器件构成,主要依靠快速机械开关承载电流,通过电力电子器件开断和关合电流,为基于MMC柔性直流输电提供直流侧短路保护。但是直流断路器分断电流大,远远高于IGBT常规分断能力。文中根据直流断路器IGBT的特殊工作条件和电气应力,分析影响IGBT关断能力提升的影响因素,分别从降低IGBT导通损耗、关断损耗和抑制IGBT关断过电压等3个方面提升IGBT的可关断电流能力。文中首先仿真不同回路参数对IGBT损耗的影响,通过优化IGBT退饱和能力和关断过程暂态特性,降低关断损耗,最终完成IGBT结温仿真校核。同时通过研究IGBT关断过电压的影响因素,仿真不同回路参数对IGBT过电压的影响,提出抑制IGBT的关断暂态过电压的具体方法。研制50 kV转移支路阀组,搭建试验平台,完成26 kA的大电流开断,IGBT稳态损耗和暂态损耗都得到有效控制,相关技术和研制设备已经应用张北工程±535 kV混合式高压直流断路器项目,具有十分重要的工程意义。

基于混合式断路器的直流电网保护方案研究

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的高压直流输电(high-voltage direct-current,HVDC)将是未来直流电网重要发展方向之一。相比电缆输电,长距离架空线输电成本低,而直流故障隔离是在架空线路上应用柔性直流输电的棘手问题。首先,研究混合高压直流断路器的直流故障处理方案,提出基于直流电网的3种保护方案,包括线路差动保护,母线差动保护和后备保护;其次,结合实际工程中的现有技术,论述选取参数的原则,采用架空线输电方式搭建了具有混合直流断路器的多端直流电网仿真平台并进一步验证了所提出方案的可行性和有效性。最后,通过仿真分析表明,混合高压直流断路器能够在数ms之内断开故障电流,所提出的3种保护方案能够自动、快速、有选择性地隔离故障,且无故障部分正常运行。

混合式高压直流断路器内部组件电气状态仿真与分析

混合式高压直流断路器融合了机械开关、半导体器件、避雷器等多种组件,组件状态与断路器的开断可靠性密切相关。通过分析混合式高压直流断路器的暂态参量时序及故障电气特性,建立了级联全桥型混合式高压直流断路器的开断仿真模型,分析了断路器内部控制信号异常、避雷器劣化及绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)衰老退化等3种类型组件故障状态与暂态电气参量的关系,提取了各模块及支路间的电压比值Ku、Ku0、电流比值Ki、Kt、避雷器吸能比KQ及电流延迟时长σi、电压延迟时长σu等作为反映不同故障或缺陷的电气特征参量,并总结了不同故障状态对于断路器内部均压、均流、吸能特性的影响情况。结果表明,对于不同类型的组件故障,故障特征参量有较大的差异,可以体现内部组件及支路的均压、均流特征,反映不同组件故障状态特性。