新型电力电子高压直流断路器的建模与仿真

摘要

随着世界对能源需求量的日益增加，石油、煤、天然气等传统化石能源最终将消耗完。为此开发风能、太阳能等新型能源必将是未来的发展趋势。然而目前新能源的发展中由于其并入大电网的不稳定性成了制约发展的一个瓶颈。为了能够很好地突破该瓶颈，应用高压直流输电技术将会是一个有效的解决途径。因为把新能源都汇聚转换成直流电来进行并网传输对大电网稳定性和可靠性的影响相对较小，并且高压直流输电技术具有可以实现远距离输电、并实现不同电网间的互连、优化整个输电网络等优点。另外，随着电力电子技术的发展提高，高压直流输电技术成本越来越低，性能越来越高。从高压直流输电的特点来看，开发适用的高压直流断路器很关键，因为高压直流断路器能够及时隔离故障的设备、功率单元、线缆或者支路，对于保证高压直流输电系统的持续安全稳定运行，高直流断路器是至关重要的一个设备。
　　但是，相对于交流系统故障保护来说直流系统故障保护有着更加严峻的挑战，这些严峻挑战主要来自于下面几点:
　　(1)高压直流输电系统在短路电压和电流都没有过零点，这就意味着故障发生后要断开的故障电流非常大，这对直流断路器的绝缘和灭弧提出了更高的技术要求，电路中的剩余能量的消耗也是非常关键和亟待解决的问题。
　　(2)由于高压直流输电的电压高，传输的功率大，发生短路后，电路中的阻抗突然降到最低，此时短路电流迅速升高，直流开关必须在故障电流达到最大值前（几毫秒内）关断，这对直流断路器的动作时间提出了更高要求。传统的机械式断路器来说其响应时间太长（几十毫秒），这样的切除速度难于满足对直流系统的保护要求。
　　所以为了仍然保证系统的持续安全稳定可靠输电，需要开发一些切断快速的高压直流断路器，因为只有快速切除故障才能保证短路电流在可接受的峰值范围内得到有效控制和隔离。
　　为了解决直流输电系统故障保护难的这个问题，本文在前人的基础上开发了几种新型的基于纯电力电子的非隔离型高压直流断路器，这样的断路器具有切除故障电流时间短、控制成本低和设备损耗小的特点。本文对其进行了高压仿真分析，并用相同的控制方法对断路器拓扑进行了低压仿真和相应的低压实验验证，通过对仿真结果和实验结果的分析，很好地验证了这些新提出的纯电力电子直流断路器拓扑的功能的优越性。优越性主要表现在它们综合了直流断路器和直流变压器的功能，并且能够在几个毫秒的很短的时间内将短路故障有效切除，这对稳定可靠的直流输电具有非常重要的意义。
　　本文提出了一种新的辅助控制算法应用在高压直流断路器中，确保短路故障的快速有效切除。提出了一种简单的控制模式，实现在同一功率流方向，既可以升压降压，又可以在升压与降压模态之间切换，还可以实现断路器功能。本文还实现了六种运行经济更适用于高压直流输电系统的基于纯半导体器件的高压直流断路器。论文的主要研究成果综述如下:
　　(1)提出了新的改进控制算法，可以确保变压型高压直流断路器在输电系统短路故障时对故障进行快速完全地切除;
　　(2)提出了一个新型的二开关组高压直流断路器拓扑并对其进行工作效率分析，相对于已有拓扑可以减少功耗，降低控制器难度和成本，该断路器拓扑在同一功率流方向既可实现升压也可实现降压，并且可以进行升压模态与降压模态之间的切换，为直流灵活可靠供电提供好的平台，更适用于高压直流输电系统;
　　(3)通过理论仿真分析和低压实验，验证了新提出的二开关组高压直流断路器拓扑在电感电流DCM状况下同样既可以实现变压功能又可以实现故障隔离的功能;
　　(4)采用新的改进控制算法，基于五个经典直流变换器拓扑提出了五种一开关组变压型高压直流断路器拓扑，并对其各项功能进行了高低压仿真分析和低压实验验证，经验证得出其均可以很好地实现变压及快速切除短路故障电流的功能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 新能源并网

1．2．2 HVDC输电技术

1．2．3 现代电力电子功率器件与DC／DC变压器

1．2．4 高压直流断路器

1．3 研究目标及方法

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究方法

1．4 主要研究内容

1．5 本文章节安排及主要创新

1．5．1 章节安排

1．5．2 主要创新

第2章 基于新型DC／DC变换器拓扑的高压直流断路器

2．1 引言

2．2 新型高压直流断路器拓扑原理分析

2．2．1 拓扑结构

2．2．2 拓扑工作原理

2．3 新型高压直流断路器拓扑控制策略分析

2．3．1 传统的双闭环控制策略

2．3．2 改进后的双闭环控制策略

2．3．3 故障时等效电路和总衰减时间分析

2．4 新型高压直流断路器拓扑建模

2．4．1 参数选择

2．4．2 搭建仿真系统

2．5 新型高压直流断路器拓扑仿真分析

2．5．1 采用传统控制器时的仿真分析

2．5．2 采用改进后的控制器时的仿真分析

2．6 新型高压直流断路器拓扑低压仿真和实验验证

2．6．1 实验平台搭建

2．6．2 采用传统控制器时的低压仿真和实验验证

2．6．3 采用改进后的控制器时的低压仿真和实验验证

2．7 本章小结

第3章 基于新型DC／DC变换器拓扑的高压直流断路器DCM状态下仿真和低压实验

3．1 引言

3．2 新型高压直流断路器DCM状态下原理分析

3．3 新型高压直流断路器DCM状态下建模

3．3．1 参数选择

3．3．2 搭建仿真系统

3．4 新型高压直流断路器拓扑DCM状态下仿真分析

3．4．1 采用传统控制器时的仿真分析

3．4．2 采用改进后的控制器时的仿真分析

3．5 新型高压直流断路器拓扑低压仿真和实验验证

3．5．1 采用传统控制器时的低压仿真和实验验证

3．5．2 采用改进控制器的低压仿真和实验验证

3．6 本章小结

第4章 基于新型DC／DC变换器拓扑的高压直流断路器工作效率分析

4．1 引言

4．2 变压型高压直流断路器应用于输电系统

4．2．1 高压直流输电系统拓扑图

4．2．2 高压断路器拓扑开关组串并联及均压均流技术

4．3 既有拓扑效率分析

4．3．1 四开关组拓扑高压直流断路器的工作效率分析

4．3．2 三开关组拓扑高压直流断路器的工作效率分析

4．4 新型拓扑效率分析

4．4．1 二开关组拓扑高压直流断路器的工作效率分析

4．4．2 一开关组拓扑高压直流断路器的工作效率分析

4．5 本章小结

第5章 基于DC／DC变换器拓扑的其他一开关组新型高压直流断路器

5．1 引言

5．2 其他一开关组断路器拓扑原理

5．2．1 拓扑结构

5．2．2 拓扑工作原理

5．3 其他一开关组断路器拓扑仿真分析

5．3．1 采用传统控制器时的仿真分析

5．3．2 采用改进后的控制器时的仿真分析

5．4 其他一开关组高压直流断路器拓扑低压仿真和实验验证

5．4．1 低压实验方案

5．4．2 低压仿真和实验验证

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要研究成果

6．2 需要进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的论文及专利