限流式高压直流电源断路器拓扑如何实现限流和断路效果?

首要扼要回顾了直流电源断路器的国内外研讨现状及优缺点,在此基础上提出了一种带有限流功用的高压直流电源断路器拓扑。
 
该拓扑选用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为主开关器材,具有断路、限流等功用,并具有通态损耗小、关断电流大、电压等级高的长处;可灵敏配置支路数量以调理每个支路的作业电流及毛病下的限流效果,进而避免或削减大容量场合下IGBT的直接并联。
 
PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果表明该断路器具有杰出的限流、断路功能,毛病电流上升率及峰值比较于现有计划得以显着下降,验证了理论剖析的正确性和计划的可行性。
 
高压直流电源(High VoltageDirect Current,HVDC)输电因为具有许多长处,已成为近年来的研讨热门。现在国内外对柔性多端高压直流电源输电体系、直流电源电网的研讨日益深化。由多端直流电源输电体系开展而来的直流电源电网是一种新式的电力传输网络,每个沟通体系经过换流站与直流电源体系相连,各直流电源线路可以自在衔接,相互作为冗余运用。
 
相对于双端或多端直流电源输电体系,直流电源电网有以下长处:削减了换流站的数量进而下降了本钱与损耗,一个线路退出运转不会形成任何一个换流站的中断运转;每个换流站以不同的功率并网运转;每个沟通接入点的能量交换可以被灵敏操控。
 
但是,直流电源电网的完成有必要一起满足高效能、高可靠性、高可控性,因为直流电源线路的自在衔接特性,一旦发作毛病,如不把毛病线路阻隔,将影响全网的安全运转,这时具有毛病穿越才干的换流站已不能满足要求,所以高压直流电源断路器必不可少。
 
直流电源断路器与沟通断路器的作业进程有很大不同,首要原因是直流电源电流没有过零点,给关断作业形成很大的困难,并且直流电源体系若发作毛病,毛病电流的上升速率远比沟通体系的大。毛病过电流会对体系设备形成破坏,所以需求有更快的毛病切除速度,一起需求迅速吸收储存在体系电感中的能量。
 
现在有许多文献和专利提出了不同的高压直流电源断路器计划。呈现最早的是机械式高压直流电源断路器,首要由机械开关、反向电流发作电路、能量吸收回路组成。
 
该型断路器首要分为自激振动过零点型、预充电振动过零点型。自激振动型具有结构简略、易于操控、本钱低的特色,但需求几十毫秒后才干形成人工过零点;预充电振动型可在数毫秒之内分断,但需求添加电容器充电回路,设备繁复、操控完成杂乱。
 
20世纪70年代呈现了选用晶闸管的全固态高压直流电源断路器,80年代跟着门极可关断晶闸管(Gate-Turn-offThyristor,GTO)、绝缘栅双极晶体管(Insulation Gate Bipolar Transistor, IGBT)等全控型器材的呈现,给全固态直流电源断路器提供了新的器材挑选。
 
1987年,美国研制的200V/15A全固态直流电源断路器运用GTO作为主开关器材; 1999年,Houston大学研宣布电压等级为500V的固态直流电源断路器;2005年,美国电力电子体系研讨中心(CPES)将固态直流电源断路器样机的电压/电流等级提高到4.5kV/4kA。文献 [10-13]对固态高压直流电源断路器进行了研讨,但因为这几种结构通态损耗较大,本钱较高,所以实用性较差,约束了其在高压范畴的使用。
 
为了兼顾机械式断路器的低损耗与固态断路器的高分断速度的优势,文献[14]提出了混合型直流电源断路器,该型断路器的特色是,在正常作业时导通低损耗通路,需求堵截电路时先将电流由低损耗通路搬运到电力电子断流回路,然后再关断电力电子器材,将电流再次搬运到能量吸收回路。
 
ABB 公司在2012年研宣布了电压等级320kV,额外电流为2kA的混合式高压直流电源断路器,其结构如图1所示,首要由两个支路组成:榜首支路、第二支路(包括能量吸收回路)。
 
其中榜首支路具有低通态损耗的特性,在正常运转时导通,以下降断路器的运转损耗,毛病发作时经过开关操控将电流由榜首支路搬运到第二支路,随后关断该支路中的电力电子器材,体系能量由能量吸收回路耗散掉。
 
ABB研制的混合式高压直流电源断路器结构
图1  ABB研制的混合式高压直流电源断路器结构

ABB混合式高压直流电源断路器没有选用限流开断技能,且在检测到毛病发作后需先进行电流搬运操作,电流顺利搬运且阻隔开关彻底翻开后才干执行断路操作。考虑到毛病点有可能间隔较远、信号传输推迟以及检测算法耗时等要素,准确的毛病检测时刻一般大于2ms,且快速阻隔开关动作时刻需2ms。
 
因为直流电源体系毛病电流上升率远大于沟通体系,且IGBT的过电流才干有限,毛病电流将超过该型断路器的关断上限,约束了该型断路器的额外电压电流等级,且能量吸收仍需求一定的时刻。因而该拓扑无法满足当时直流电源输电高电压、大电流的开展需求。适用于高电压、大电流场合的直流电源断路器的研制现已得到了高度的重视。
 
本文提出了一种限流式高压直流电源断路器拓扑,选用IGBT作为主开关器材,具有模块化的特色,可灵敏挑选支路数量以增大断路才干并减小每个电力电子器材的作业电流。
 
比较于现有高压直流电源断路器拓扑,该拓扑可以在疑似毛病发作(如直流电源电流上升率骤变,直流电源侧平波电抗器两头电压骤变,但此时也有可能仅仅小的扰动)时发动限流操作,按捺毛病电流上升率,待毛病准确判定时进行断路操作或康复正常运转状况,所以更适用于高电压、大电流的场合。
 
一起因为多个支路的存在,每个支路流过的电流较小,然后可避免或削减IGBT直接并联运用,具有关断速度快的特色;随后建立了该拓扑的等效电路图,并对其进行了剖析和研讨;最终将其与现有干流断路器结构进行了比照剖析,并经过仿真验证了该拓扑可以快速地进行限流和断路操作,且断路和限流瞬间各个器材所接受的电压电流应力都在所设计的范围内。
 
定论
 
本文对高压直流电源断路器的拓扑进行了研讨,在剖析了ABB混合式高压直流电源断路器的基础上提出了一种限流式固态高压直流电源断路器,建立了所提断路器在每个作业状况的数学模型,并对其进行详细剖析,得出所提拓扑具有以下特色:
 
1)可以快速下降直流电源体系中的毛病电流值以及毛病电流上升率,若不限流,依据仿真体系的毛病电流上升率,在现在技能条件下关断时毛病电流可达27kA,而限流操作下毛病电流最大值为12kA。所以限流操作可以容许更长的毛病检测时刻,避免误判并保证体系设备特别是换流阀不呈现过电流。
 
2)各电感支路功率器材的电流应力小,通态损耗随支路数量增大而下降。
 
3)可对电感支路数进行优化以在断路器功能与造价之间进行折中。
 
4)在高电压大容量场合,因为限流的效果,该断路器的总IGBT运用量相对于ABB与全球动力互联网研讨院的计划得以下降。

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