微网混合式直流断路器电流转移理论及应用研究

摘要

随着分布式电源和电动汽车等技术的发展，直流配电微网成为未来发展的趋势与方向之一。目前直流微网的发电系统、储能系统、能量管理系统、并网系统、直流保护与控制系统等方面是国内外研究的热点。智能、快速、大容量的直流断路器是直流微网的关键保护设备，对于直流微网的安全运行与控制起到至关重要的作用，适用于直流微网的直流断路器的关键技术亟待研究。混合式直流断路器采用机械开关与电力电子开断单元并联，实现优势互补，克服各自缺点，既利用了机械开关通流能力强、损耗小的优点，又发挥了电力电子开断单元合分闸速度快的优势，是未来微网直流保护开关的发展趋势。本文旨在研究微网混合式直流断路器的电流转移理论与应用，为智能、快速、大容量微网直流断路器的工程应用提供理论基础和应用支撑，保障直流微网系统安全稳定运行。
　　首先分析了国内外混合式直流断路器的研究现状，提出了微网混合式直流断路器的总体结构和硬件组成原理。基于Mayr模型和纵磁真空开关电弧电压伏安特性，得到了电流转移用快速真空开关的电弧模型。根据相应的技术参数，建立了IGBTs和避雷器的仿真分析模型，得到了RCD缓冲电路参数模型。搭建混合式直流断路器的仿真模型，理论分析了混合式直流断路器的合分闸过程，重点研究了开断过程中的电流转移特性，得到电流转移特性是影响断路器开断性能的重要因素这一结论。
　　随后搭建了小电流和大电流模拟直流电流转移特性的试验平台，对电流从真空开关向IGBTs开断单元转移阶段和从IGBTs开断单元向RCD电路转移阶段的转移时间、电流大小等转移特性进行了深入、细致的试验研究。在大电流情况下，真空开关向IGBTs开断单元转移时间较长，成为限制整机开断时间的主要因素。为此，基于透明真空灭弧室搭建了大电流转移特性模拟试验研究平台，研究转移电阻、横向磁场、开断电流等因素对转移特性的影响。将转移过程分为固有转移过程和拖尾电流转移过程，研究了横向磁场对转移特性的影响，推导得到大电流转移判据与数学描述表达式，为大容量混合式直流断路器的快速开断提供了参考依据。
　　在上述基础理论研究的基础上，提出了微网混合式直流断路器的整体结构设计方案，基于快速斥力机构与永磁保持装置构成了快速操动机构，研制了快速操动真空开关样机。对IGBTs并联均流、限压吸能电路等进行了参数设计和选型。设计了混合式直流断路器智能控制系统，包括母线电压与电流信号检测采集单元、断路器状态检测及故障判断单元、快速斥力开关和电力电子开关的动作控制单元、与外部系统进行信息传递的远程通信单元，实现了整机的智能化监测与操动，完成了400V/3kA大容量微网混合式直流断路器的样机研制。最后搭建了大电流模拟直流开断试验电路，对样机的机械性能、开断性能等进行了整机测试，验证了整机设计的有效性和可靠性。
　　本文通过对混合式直流断路器的电流转移理论与应用的研究，针对电流转移特性的理论分析与实验研究，得到了电流转移特性的数学判据，得到了其合分闸特性及其控制策略，为后期样机研制奠定了基础。最终研制的微网混合式直流断路器样机，分闸响应时间0.6ms，开断故障电流可在2.5ms内完成，闭合时间为微秒级。整机满足额定电压400V，额定电流2400A，开断电流3kA的直流断路器用于直流微网保护和多端直流微网的要求，且对系统冲击较小，为我国智能、快速、大容量混合式直流断路器的工程应用提供了理论基础和技术支撑。

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 直流微网保护技术发展现状

1．3 混合式直流断路器国内外发展现状

1．4 本文主要研究内容

2 混合式直流断路器电流转移理论建模与仿真

2．1 混合式直流断路器结构及组成原理

2．2 混合式直流断路器理论建模

2．2．1 机械开关支路电弧模型

2．2．2 IGBT开断单元模型

2．2．3 缓冲电路模型

2．2．4 限压吸能支路中避雷器模型

2．2．5 混合式直流断路器仿真模型

2．3 混合式直流断路器仿真结果及分析

2．3．1 合分闸过程分析

2．3．2 电流转移过程

2．4 本章小结

3 混合式直流断路器的电流转移特性模拟试验

3．1 小电流转移特性

3．1．1 试验电路

3．1．2 RC放电等效直流源

3．1．3 电容器组充电回路

3．1．4 混合式直流断路器动作控制

3．2 小电流转移特性试验测试

3．2．1 第一阶段：快速真空开关到IGBT的电流转移特性

3．2．2 第二阶段：IGBT到RCD的电流转移特性

3．3 大电流转移特性

3．3．1 试验电路

3．3．2 电流转移的判据

3．3．3 转移电阻大小的影响

3．3．4 横向磁场的影响

3．3．5 改进转移判据推导

3．4 本章小结

4 混合式直流断路器样机研制

4．1 混合式直流断路器结构设计

4．2 快速斥力真空开关设计

4．2．1 斥力驱动装置设计

4．2．2 金属驱动盘和斥力线圈盘参数对斥力特性的影响

4．2．3 永磁保持装置

4．2．4 快速真空开关样机

4．3 电力电子开断单元设计

4．3．1 并联IGBTs单元

4．3．2 并联IGBTs单元均流仿真分析

4．3．3 驱动信号的影响

4．3．4 IGBTs杂散参数对动态均流的影响

4．3．5 串联电感均流

4．3．6 限压电路

4．4 智能控制系统设计

4．4．1 智能控制系统电路设计

4．4．2 智能控制系统控制方案设计

4．5 本章小结

5 混合式直流断路器样机试验验证

5．1 样机机械特性测试

5．2 大容量直流开断试验测试

5．2．1 直流开断实验电路

5．2．2 混合式直流断路器大电流开断试验

5．3 本罩小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介