新型电容缓冲式混合直流断路器开断特性的研究

摘要

柔性直流电网能够将风能、太阳能等新能源发电基地可靠地接入电力系统，最大限度地提高新能源电力利用率，建设柔性直流电网成为国内外推进能源转型的重要内容，也是应对气候变化的重要途径之一。直流断路器属于柔性直流电网的关键设备，研制可靠实用的中高压直流断路器已成为解决构建柔性直流电网主要技术瓶颈的有效方案。在各类方案中，电容缓冲式混合直流断路器具备结构简单，控制方便的特点。
　　本文基于电容缓冲式混合直流开断方案的基本拓扑结构，提出一种新型电容缓冲式混合直流断路器方案。设计了直流电流开断实验方案，实验成功验证了新型开断原理，证明了相对传统无弧开断模式的优越性。但进一步分析发现，换流暂态过程中的换流速度di/dt和IGBT电压尖峰会影响新型原理的开断可靠性。通过搭建PSCAD/EMTDC仿真模型，对开断可靠性影响因素进行仿真分析。仿真结果表明，不可控的寄生电容和杂散电感等参数会导致换流速度 di/dt高达数 kA/us，IGBT电压尖峰超出系统额定电压，同时缓冲电容大小决定了恢复电压上升率du/dt，进而分别影响到机械开关的熄弧和IGBT的安全工作。若机械开关在换流后不能正常熄弧，即介质绝缘恢复速度低于系统恢复电压上升速度du/dt，则初始恢复电压全部加在IGBT上，不利于减小通态损耗。针对上述开断特性存在的问题和影响因素提出了一种改进措施，即在 IGBT两端并联RC电路，同时合理设计换流支路电感。仿真和实验论证表明，该改进方案能够将影响机械开关熄弧的di/dt和du/dt参数均控制在安全范围以内，同时显著减小IGBT电压尖峰。最后对新型电容缓冲式混合直流断路器的换流过程进行了电路分析和公式推导，得到了换流速度di/dt、恢复电压du/dt和IGBT电压尖峰的近似表达式，形成了通用的关键参数匹配原则，并给出了该方案直流断路器的整体参数设计流程。基于上述通用参数匹配原则和设计流程，以深圳10kV/1kA柔性直流配电系统示范工程为例，设计并研制了满足工程需求的10kV直流断路器样机，并成功完成了3.6kA电流的开断实验。
　　通过对新型电容缓冲式混合直流断路器开断特性的研究和改进，其电流开断环境得到了极大地改善，保证了电流开断可靠性。同时通过电路分析得到了参数匹配方法，具有一定的通用性，为应用于不同直流系统中的电容缓冲式混合直流断路器的样机参数设计提供了理论指导。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 直流断路器的研制现状

1.3 电容缓冲式混合直流断路器

1.4 本文的主要工作

2 新型电容缓冲式混合直流断路器开断特性的实验研究

2.1 新型电容缓冲式混合直流断路器的工作原理

2.2 直流断路器开断特性的实验研究

2.3 开断特性的可靠性分析

2.4 本章小结

3 新型电容缓冲式混合直流断路器开断特性的影响分析与改进

3.1 开断可靠性的影响因素仿真分析

3.2 开断特性改进措施与效果验证

3.3 开断特性中的关键参数匹配研究

3.4 本章小结

4 新型电容缓冲式混合直流断路器的应用

4.1 10kV直流系统仿真模型

4.2 直流断路器在直流系统中的工作过程仿真分析

4.3 10kV直流断路器样机

4.4 本章小结

5 工作总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位论文期间发表的论文