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。     

一种适用于混合式高压直流断路器负载换流开关的新型缓冲电路

基于混合式高压直流断路器的工作原理,提出了一种新型的负载换流开关缓冲电路。该电路通过2个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的简单控制,在混合式高压直流断路器分闸时,能阻断缓冲电容经超快速机械开关的放电通路;在混合式高压直流断路器短时间多次动作时,能保证缓冲电容每一次过电压的吸收效果,提高混合式高压直流断路器的速动性和可靠性。     

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。     

一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器

当柔性直流电网中的直流线路发生短路故障时,混合式直流断路器可以快速切断故障电流,从而实现故障隔离。然而,传统的混合式直流断路器的主断支路需要串联大量的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT),使得经济成本较高,并且现有的混合式直流断路器多不具备故障性质判别能力。为了解决混合式直流断路器的成本高以及盲目重合闸问题,该文设计了一种具备自适应重合闸能力的混合式直流断路器。该断路器通过预充电电容电压与避雷器动作电压配合,降低了避雷器的动作电压,从而减少了避雷器两端并联的IGBT数量。此外,该断路器利用永久性故障和瞬时性故障情况下充放电支路中电流幅值的差异,实现了自适应重合闸。该文首先介绍了所提混合式直流断路器的拓扑结构及工作原理,然后对故障发展过程进行分析计算并给出了断路器元件参数和数量设计的方法,最后在PSCAD/EMTDC中搭建了四端柔性直流输电系统进行仿真验证,并与现有相关方案进行了性能与经济性对比,表明了该文方案具有较好的综合性能。     

柔性直流电网直流侧故障下500kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

柔性直流电网直流侧故障下500kV混合式直流断路器暂态电流特性分析

直流断路器是解决柔性直流电网直流侧故障处理难题的有效手段,而混合式直流断路器是目前最为成熟的直流断路器技术路线之一。柔性直流电网直流侧故障发展速度快且过程复杂,研究该场景下混合式直流断路器的暂态电流特性对于断路器设计研制有着重要参考价值。在考虑短路故障后柔性直流电网真实控制保护逻辑和交、直流断路器动作时序的情况下,分析了直流断路器暂态电流流通路径的时变特性,推导了暂态电流各发展阶段的表达式,给出了断路器各支路暂态电流应力典型波形及柔性直流电网主回路参数对其影响规律,为直流断路器中绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件的选型和并联数设计提供了依据。同时,针对直流断路器主支路暂态电流应力严酷且尚无有效改善方法的问题,提出了一种基于换流站内阻尼电阻的直流断路器暂态电流抑制方法。电磁暂态仿真结果表明,所提出的方法可有效抑制故障下的直流断路器主支路暂态电流。     

直流断路器的基本原理和实现方法研究

直流断路器是直流电网的核心元件,为此,深入研究了直流断路器的基本原理和实现方法。首先从理论上论述了直流电流开断的2条基本途径;其次介绍了基于故障通路串入无穷大电阻断流法的直流断路器实现方案;接着针对基于故障通路串入电容改变直流故障电流性质法提出了3种原理上可行的技术方案;最后对比分析了几种典型直流断路器的经济性。研究结果表明：（1）开断直流故障电流的基本途径主要有2条,其一是在直流故障电流通路中串入无穷大电阻实现断流,其二是在直流故障电流通路中串入电容改变直流故障电流性质实现断流;（2）目前已运用在实际工程中的直流断路器都是基于故障通路串入无穷大电阻断流法;（3）具有故障自清除能力的模块化多电平换流器是基于故障通路串入电容改变直流故障电流性质法;（4）基于串入电容的途径,提出了3种原理上可行的直流断路器,其一是由增强型半桥子模块串联构成的直流断路器,其二是包含正常通流支路的串入电容型直流断路器,其三是包含正常通流支路和主转移支路的串入电容型直流断路器;（5）在所比较的直流断路器中,包含正常通流支路和主转移支路的串入电容型直流断路器的经济性最好。该研究结果可以为直流断路器的研发与制造提供参考。     

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...     

基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器

为了提高混合式直流断路器的开断能力,降低半导体器件的使用成本,提出了一种基于串联晶闸管强迫过零关断技术的具备双向开断能力的混合式直流断路器拓扑方案。在分析关断过程的基础上,推导了串联晶闸管阀与二极管阀组件反向恢复过程中均压回路的参数设计方法,然后以10 k V样机为例,开展了主支路和转移支路器件选型与参数设计,并搭建了10 k V直流断路器原理样机及其实验回路。研究结果表明：正常运行时,主支路由机械开关和少量的全控型半导体器件串联构成,其损耗较小;在开断电流时,故障电流首先转移至晶闸管阀支路,再通过放电回路注入反向电流迫使晶闸管阀过零关断,最后通过耗能支路吸收系统感性能量。原理样机实现了直流电压10 k V下短路电流峰值为8.8 k A的过零快速关断、且开断时间小于3 ms;转移支路可通过调整半导体器件的串联数量和选型大幅提升直流断路器的电压等级和故障电流耐受能力;串联二极管阀能在大电流关断暂态过程中抑制晶闸管器件的反向恢复过电压,降低晶闸管器件的损坏风险;在混合式直流断路器的换流和关断阶段,无需针对串联的晶闸管器件调整触发时间与匹配参数。综上所述,所提出的混合式直流断路器具有快速直流短路故障清除能力,可以作为未来柔性高压直流输电系统组网的工程实施方案之一。     

基于耦合电感的直流故障限流器

柔性直流电网存在故障电流上升速度快、幅值高,感性元件储存能量大等问题,这造成故障电流难以分断,并且使得直流断路器的耗能支路承受巨大压力。为了限制故障电流峰值并且降低直流断路器耗能压力,提出一种基于耦合电感的直流故障限流器。当发生短路故障时,该故障限流器利用电感耦合特性等效投入电阻与电容组成的限流支路,以实现无延时的故障限流;当直流断路器分断故障电流时,该故障限流器利用耗能电阻耗散耦合电感储存的能量,从而分担直流断路器耗能压力,以达到降低避雷器容量需求、加快故障电流分断速度的目的。大量电磁暂态仿真结果表明,所提故障限流器具有良好的限流效果,能极大降低直流断路器的耗能压力。且该故障限流器制造成本低,易于实现。     

具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC

具有直流故障阻断能力的模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输配电技术的重要支撑设备。针对传统半桥型MMC无法阻断直流短路故障的问题,通过结合现有的故障阻断方案,提出了具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC。该拓扑增加了断流支路、桥臂阻断支路以及能量吸收支路。直流故障发生后,通过断开断流支路,一方面主动转移故障电流,另一方面实现桥臂电流的换向,进而利用半桥子模块吸收MMC内部故障能量。同时,能量吸收支路中的全桥子模块在闭锁过程中也投入电容以吸收线路侧的故障能量,从而实现了短路故障的快速阻断。文中通过建立电流主动转移型MMC拓扑,详尽分析了故障阻断机理,并在MATLAB/Simulink中搭建了单端100 kV/25电平仿真模型,验证了该拓扑的可行性与有效性。     

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。     

基于真空断路器与SF6断路器串联的新型混合式高压直流断路器理论分析

提出基于真空断路器与SF_6断路器串联的混合式高压直流断路器新型拓扑结构,在传统强迫过零直流开断的基础上,提出以高压串联晶闸管组件续流支路创造主开关电压零休的思路,进而提高主开关的动态介质恢复强度。分析了新型混合式高压直流断路器的拓扑结构、工作原理、工作过程,得到其电压零休时间的数学描述和动态电压分布协同调控措施。然后基于连续过渡模型和改进Mayr模型搭建了新型混合式高压直流断路器的仿真电路,分析得到续流支路限流电阻、电感、振荡回路参数等对电压零休时间、反向暂态恢复电压的影响规律。     

基于负直流电压控制的MMC快速无闭锁故障穿越策略

传统半桥子模块无法阻断直流短路电流,基于新型子模块的闭锁式故障穿越策略则存在换流器不可控、系统重启过程复杂等缺点,降低了模块化多电平换流器的可靠性。为此提出了一种基于负直流电压控制的无闭锁故障穿越策略,在直流侧短路后通过调制波下移将直流电压控制为负值,从而实现直流故障电流的快速清除。此外,针对无闭锁故障穿越过程中输出正负电平子模块之间电容电压不均衡的问题,提出了双排序控制算法以实现电容电压的快速均衡,同时设计了从故障发生至换流器重启整个过程中系统的无闭锁故障穿越流程。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,基于负直流电压控制的无闭锁穿越策略可快速阻断直流故障电流,在此过程中子模块电容电压保持均衡,可实现换流器的快速重启。     

新型地铁用直流断路器建模与仿真

地铁用直流断路器是牵引供电系统总体保护的关键设备,然而在开断故障电流时,内部机械触头会引起强烈电弧而造成设备受损。提出一种新混合式拓扑,采用电力电子开关转移故障电流,缓冲支路抑制过电压和吸能支路限制电流上升率,实现地铁用直流断路器快速无弧的故障电流开断。在新型拓扑基础上分析了各支路的数学模型,在Matlab/Simulink平台上搭建系统仿真模型,并验证新型地铁用直流断路器的电流转移特性,结果证实该拓扑具有好的转移特性,切除故障时间明显少于传统式地铁用直流断路器。     

直流微网混合式直流断路器电流转移特性研究

混合式直流断路器的电流转移特性对其快速开断及控制策略有着重要意义,文中通过分析混合式直流断路器的工作原理,利用Mayr电弧模型、IGBT、RCD缓冲电路和避雷器模型等建立了混合式直流断路器仿真分析模型,分析了不同外电路参数和转移支路参数下的电流转移特性。搭建了直流微网模拟短路试验平台,进行了混合式直流断路器的开断特性试验,重点研究了电压400 V,不同故障电流(低于200 A)及不同参数下的电流转移特性。试验结果验证了仿真分析模型,为后期快速开断的直流微网混合式断路器提供了可参考的依据。     

一种基于电容可控振荡换流的新型直流断路器EI北大核心CSCD

直流输配电网在远距离大容量电能传输、大规模新能源并网和源–网–荷协调控制等领域发挥重要作用。直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)作为直流系统实现故障隔离的核心装备,目前还面临开断能力受限、成本高昂等问题,制约其在直流输配电系统中的广泛应用。该文首先提出一种新型电容可控振荡换流原理与拓扑电路,其通过激发电容振荡升压以实现振荡电流的快速提升,从而实现电流的转移与开断;然后对电容振荡换流机理进行数学分析,阐述所提直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)拓扑构成与基本原理,并给出核心参数理论设计约束边界。最后,仿真分析20k V/3ms/15k A DCCB技术性能,论证所提拓扑的可行性与技术特点。研究结果表明,所提拓扑损耗低,可快速实现双向短路电流开断,与混合式DCCB相比,所提拓扑全控器件使用数量少、应力小,整体技术经济性能优异,具备良好的应用前景。     

适用于直流电网的晶闸管型直流断路器

高压直流电网发生直流故障后,直流断路器可以快速隔离故障区域、保证非故障区域的正常运行。晶闸管型直流断路器具有成本低、容量大等特点,但是在电容预充电、二次开断等方面仍存在改进空间。为了进一步改进晶闸管型直流断路器的工作性能,提出一种具有新型拓扑结构的晶闸管型直流断路器,其基本原理是通过合理的拓扑设计和控制策略将故障电流转移到电容支路。介绍了所提直流断路器的预充电、开断电流和二次开断的具体步骤;通过建立电容放电期间的状态方程组,分析了内部电感和电容的参数设计原则,从而在确保开断可靠性的同时提高器件利用效率。最后,在PSCAD/EMTDC仿真软件里搭建了四端直流电网模型,通过仿真验证了所提直流断路器的工作性能。仿真与分析结果表明,与现有晶闸管型直流断路器相比,所提直流断路器无需外部预充电电源且充分考虑了二次开断能力,同时具有精确的参数设计方法从而实现器件的最大化利用。     

柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案

基于柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决中国新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一,而高压直流断路器是构建直流电网的核心设备之一。从多端直流系统发生直流侧短路故障的机理及故障电流的发展趋势入手,以舟山5端柔性直流输电工程为例,分析了发生最严酷短路故障时,直流母线上故障电流的特性,基于分析结果提出了直流电网对直流断路器的需求;结合对现有直流断路器技术路线的对比分析,提出了一种适用于柔性直流输电网的新型快速直流断路器技术方案,并通过仿真分析验证了所提出的新型直流断路器能够满足柔性直流输电网快速切除故障电流的需求。     

电流转移型高压直流断路器

混合式高压直流断路器是目前处理直流电网故障较为认可的一种方式,但其存在造价昂贵、使用个数多等问题。为有效解决此类弊端,提出一种电流转移型高压直流断路器,并对其故障隔离控制时序进行了研究。电流转移型高压直流断路器借鉴了混合式高压直流断路器的关键部件和设计理念,将直流母线以及与其相连的混合式直流断路器进行了整合,以整体概念对断路器进行了再设计,优化了设备利用价值。在保证同等直流故障处理能力的前提下,相比混合式高压直流断路器,其投资成本大幅度降低。为验证电流转移型高压直流断路器的有效性,在PSCAD/EMTDC内建立了一个三端单极直流网络模型。仿真结果验证了电流转移型高压直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。