直流固态断路器拓扑结构的设计与分析

现有的机械式断路器难以满足电力系统的速动性要求,而目前已开发研究的固态断路器(solid-state circuit breaker,SSCB)大部分都是用在交流系统中,利用交流的自然过零点控制其开断,不适合用于直流系统中。针对直流系统所固有的特点,利用谐振强迫换流思想,提出一种用于直流电力系统的新型断路器方案。该方案使用软开关和谐振强迫换流思想,可实现开关的软开通和快关断。给出断路器拓扑结构,分析得出其数学解析模型,并说明各个工作模态的物理过程。研制新型小功率实验样机,通过正常开通关断实验以及过载保护关断实验,验证其可靠性。实验结果证明了理论推导的正确性以及拓扑结构的可行性,可推广应用于并网及非并网的直流输配电系统。     

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。     

强制过零型高压直流断路器拓扑优化

强制过零型直流断路器作为机械式高压直流断路器的主要研究方向,技术简单成熟,动作可靠性高。笔者基于实际直流电网,对直流断路器可能遇到的最严重故障即直流线路整流侧出口短路故障进行了仿真分析,并提出现有强制过零型直流断路器拓扑的两点缺陷。在此分析基础上,提出了在换流电容两端加装避雷器、在平波电抗器两端加装吸能组件的拓扑优化策略,能有效降低换流电容电压峰值和机械开关断口电压峰值。     

一种新型混合式直流断路器

为了实现直流输电网和配电网中,直流线路故障电流快速分断,提出一种新型混合式强迫换流直流断路器拓扑。该断路器通过在通流支路中设置强迫换流回路,可在几毫秒内完成故障电流的分断,同时可实现机械开关的零电流关断;此外,即使断路器中半导体器件门极电源突然意外失电,断路器依然可以维持电流通路,从而提高了断路器的可靠性。详细分析了所提混合式断路器的工作原理和参数设计原则,并通过仿真验证了断路器能够快速分断直流故障电流。     

基于电容换流的高压直流断路器研究

柔性直流电网技术面临快速隔离直流侧故障的巨大挑战,直流断路器被认为是直流故障隔离的有效解决方案。针对高压直流断路器普遍存在的直流故障隔离速度慢、换流站侧提供短路电流的水平高等问题,提出了一种新型高压直流断路器拓扑,利用基于电容的换流支路为断路器的可靠、快速分断创造条件,能够快速隔离直流故障,有效限制短路电流水平,降低直流故障对换流阀的冲击。描述了拓扑的结构及工作原理,对故障分断过程进行了理论分析;分析了两种分断策略与拓扑参数的影响关系。通过仿真平台搭建高压直流断路器仿真模型,仿真结果验证了所提直流断路器拓扑隔离直流故障的有效性。     

自然换流技术在地铁混合型直流断路器的应用研究

直流断路器是构成直流牵引供电系统的关键设备。目前,地铁牵引供电系统多采用空气式直流断路器,关断时间较长,且关断过程对灭弧栅片烧蚀严重。对此,提出一种基于自然换流的混合型直流断路器,适用于地铁直流供电系统。分析了影响混合型直流断路器开断速度的因素,对断路器方案进行了设计,采用IGCT作为断路器的固态开关。在MATLAB/Simulink上搭建了仿真模型并进行仿真验证,结果表明基于自然换流的混合型直流断路器换流速度快,可在4 ms内完成故障电流的关断。     

混合式直流断路器的发展现状及展望

混合式直流断路器是直流电网中实现直流电流开断和故障隔离最为理想的选择之一,该文总结了混合式直流断路器的发展现状。首先,根据直流断路器的拓扑结构梳理其技术路线,并进行对比分析。然后,针对混合式直流断路器的关键技术,围绕换流方式、电力电子开关、快速机械开关、控制保护和供能、能量吸收等方面进行综述。针对大容量直流开断这一世界性难题,国内外学者已开展广泛研究,提出了创新型拓扑结构,突破了高可控高可靠的故障换流、毫秒级超快速高效斥力机构、高裕度高稳定性电力电子开关、低残压快响应的耗能装置等关键技术。接着,对混合式直流断路器的应用场景进行分析,介绍了混合式直流断路器的典型应用。中国实现了世界上首套混合式高压直流断路器和首套三端口直流断路器的工程应用,并开展了世界上电压等级最高、开断能力最强的混合式直流断路器工程应用。最后,对混合式直流断路器的发展趋势进行展望与总结,为未来混合式直流断路器的技术发展、应用拓展提供参考。     

基于耦合负压原理的10 kV直流负荷开关设计

为满足柔性直流配电系统负荷电流频繁投切对开关操作寿命的高要求,解决直接采用直流断路器方案成本高、体积大的难题,文中研究了一种基于耦合负压原理的直流负荷开关方案。首先对其拓扑和工作原理进行了介绍,然后设计了基于双动结构和电磁斥力机构的主支路快速机械开关、基于耦合负压装置的换流单元和采用反串联拓扑的电力电子开关阀单元,最后,根据苏州某换流站工程需求,研制出10 kV耦合负压型直流负荷开关样机并进行试验验证。结果表明：所研制的10 k V直流负荷开关可在3 ms内开断额定电流和最大开断电流,且能连续动作,体积为目前国内同等参数最小,并具有低损耗、高机械寿命和高可靠性的优点,完全满足工程要求,同时为后续直流负荷开关产品的开发提供了参考。     

适用于高压柔性直流的混合式直流断路器

动态均压难、小电流下分断时间过长及经济性不高是制约混合式直流断路器应用和推广的因素,为此,提出一种适用于高压柔性直流的改进型混合式高压直流(HVDC)断路器拓扑方案.介绍了主支路电子开关和转移支路电子开关拓扑结构,并对关键元件设计给出了理论分析和说明.最后研制了500 kV混合式HVDC断路器样机,并搭建样机运行试验系...     

变压器辅助换流的谐振极型软开关逆变器

为提高逆变器的运行效率,提出了一种变压器辅助换流的谐振极型软开关逆变电路拓扑结构。该拓扑结构用高频变压器来辅助换流,没有设置串联在直流母线间的均压电容,解决了中性点电位变化问题。该逆变器的主开关和辅助开关均能完成软开关动作,并且所承受的电压都不高于直流电源电压。给出了一个开关周期内逆变器在不同工作模式下的等效电路图,详细阐述了该逆变器的工作过程,给出了软开关实现条件,并建立起了辅助电路损耗的数学模型,讨论了谐振参数对辅助电路损耗的影响。最后制作了一台4 k W的单相实验样机,实验结果表明逆变器中的开关器件都工作在软开关条件下。该有源谐振极型软开关逆变器可以有效提高效率,减小开关损耗。     

一种新的特高压断路器合成试验回路

特高压断路器试验方法的研究是特高压输电工程发展的基础。该文根据合成试验回路的基本原理，提出了一种新的适用于特高压断路器大容量试验的新型合成试验回路。给出了该试验回路的详细拓扑结构，介绍了回路的工作原理。根据描述开断电弧特性的麦依尔(Mayr)方程，建立参数化的PSCAD电弧电阻模型。在此基础上，对回路的开断试验过程进行仿真，得到了T100试验时的电流电压波形。对暂态恢复电压、电流过零前的变化率等进行分析，并与ABB的增强型并联引入回路(EPIC回路)和IEC试验标准进行比较。结果表明，该回路可以满足特高压断路器的开断试验要求，并具有足够高的试验等价性。     

一种新型限流式高压直流断路器拓扑

首先简要回顾了直流断路器的国内外研究现状及优缺点,在此基础上提出了一种带有限流功能的高压直流断路器拓扑。该拓扑采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为主开关器件,具有断路、限流等功能,并具有通态损耗小、关断电流大、电压等级高的优点;可灵活配置支路数量以调节每个支路的工作电流及故障下的限流效果,进而避免或减少大容量场合下IGBT的直接并联。PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果表明该断路器具有良好的限流、断路性能,故障电流上升率及峰值相比于现有方案得以明显降低,验证了理论分析的正确性和方案的可行性。     

500 kV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。实验结果验证了整流型混合式高压直流断路器电路拓扑的可行性和有效性     

一种基于Buck/Boost电路的新型微逆变器功率解耦电路

针对微逆变器中存在的二次功率扰动问题,提出了一种新型四开关功率解耦电路。详细分析了基于Buck/Boost电路的新型功率解耦电路的4种工作模式,推导了采用脉冲能量调制控制策略原理,并对电路关键参数进行设计。该电路并联在逆变器交流输出侧,不仅能够明显抑制母线电压和直流输入侧电流中的二次纹波,而且可以将大电解电容替换成小容量长寿命的薄膜电容。最后,仿真实验验证了该拓扑的有效性和合理性。     

适用于直流电网的预限流型直流断路器拓扑

为提高多端直流电网在直流故障下的运行可靠性,同时降低对直流断路器分断能力的要求,提出了一种适用于直流电网的预限流型直流断路器拓扑,当电网出现过电流时预先将限流回路投入,并根据故障检测结果决定切除故障线路或恢复正常运行。该拓扑使用辅助电容和半控型器件晶闸管实现了限流电感的快速投切与故障电流快速切除,能有效抑制故障电流,并具备一定的经济性。为验证所提拓扑在预限流和快速分断方面的可行性,在PSCAD/EMTDC中搭建了四端直流电网仿真模型,并通过仿真结果验证了所提拓扑在抑制故障电流、隔离故障线路方面的有效性。     

具备潮流控制功能的多端口混合式直流断路器

针对多端柔性直流电网的故障保护和潮流控制问题,该文提出一种具备潮流控制功能的多端口混合式直流断路器,由通流支路、主断路器支路两部分构成。当系统正常稳态运行时,该断路器具有潮流控制功能,可用于调节支路潮流;系统发生故障后,相当于混合式直流断路器,用于切断故障电流。建立了具备潮流控制功能的多端口混合式直流断路器拓扑,阐述了稳态和暂态运行机理,并进行经济性分析。最后,在PSCAD仿真平台搭建了四端直流输电系统,验证了所提拓扑在潮流控制和故障切除方面具有良好的性能。     

单级Cuk集成式升压逆变器的电路拓扑研究

针对低输入电压的逆变场合,提出一种单级Cuk集成式升压逆变器拓扑结构。其通过共用功率元件,将传统逆变器与2个Cuk变换电路集成,并借助改变电容放电路径实现升压逆变。与其他单级升压逆变结构相比,该结构所用器件少,结构紧凑且对称。介绍了该逆变器的电路结构,分析了不同导电模式下的电路工作状态以及升压网络的临界状态,最后在理论分析的基础上,对集成式逆变拓扑进行了仿真和实验验证,验证了该逆变器理论分析的正确性。该变换器具有升压能力高、集成度高的优点。     

对零电流过渡功率变换电路的讨论

对零电流过渡（ＺＣＴ）功率变换电路的基本拓扑结构进行了分析和讨论,简要地介绍了各个时间段的电路的工作情况,对主功率开关和辅助开关的开关条件进行分析,指出了ＺＣＴ－ＰＷＭＢｏｏｓｔ电路的优点及存在的不足。为弥补此电路存在的缺点,提出了改进的拓扑结构,对改进的电路拓扑进行了讨论,可以看到功率开关的开关条件得到了改善,完全实现了软开通和软关断。     

一种大功率电子镇流器的LCLC谐振逆变电路设计

在大功率照明领域,以高压钠灯和金卤灯为代表的HID灯依然是主流的选择。在大功率HID灯电子镇流器中,逆变环节是一个重要的环节。针对常用的LCC谐振逆变电路的效率提升问题,提出了一种新型的LCLC谐振逆变电路。在保证ZVS的条件下,通过参数设计和开关频率设定,可以实现近似的零电流开关。文中给出了无源参数的设计方法及实验结果。     

双电容混合型直流断路器

在混合型直流断路器的基础上采用电流转移法,针对高压直流系统短路故障问题提出了一种双电容混合型高压直流断路器的拓扑模型。不仅能让高速机械开关在零压零流的条件下安全无弧分断,附带自充电功能,而且可以大幅度降低单电容直流断路器分断时的反向充电电压,从而缩短了拓扑运行时间。对拓扑运行中的各个临界阶段进行数学公式推导,通过仿真验证数学推导结果的正确性。分析结果表明,该拓扑模型可以实现上述各功能,具有一定的可行性。