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计算机-后端-双臂架构的混合型直流断路器拓扑结构及控制策略研究.pdf
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【摘要】中提到的【双臂架构的混合型直流断路器】是一种创新设计,旨在解决高压直流输电系统中的安全保护问题。直流断路器在直流电网中至关重要,因为它们能够在故障发生时快速隔离故障点,防止短路电流造成损害。现有的直流断路器类型包括机械式、全固态和混合式,而混合式直流断路器结合了机械开关和固态开关的优点,以提高开关速度和耐压能力。 混合型直流断路器的一个关键问题是电弧熄灭和过电压控制。由于直流电流没有自然零点,传统的机械开关在分闸时难以熄灭电弧,而混合式断路器通过引入固态开关和特定的拓扑结构,可以更有效地处理这个问题。此外,切断直流电流后,系统内部可能产生过电压,需要能量吸收和耗散机制。本文提出的新方案通过加入续流二极管组,降低了直流避雷器的需求,从而减少了成本并提高了电流切断速度。 论文还讨论了【内部控制原理】,即如何判断和执行断路器的动作。新型断路器采用了【ZVS(Zero Voltage Switching)】技术,这意味着在合闸过程中固态开关可以在零电压下开通,这不仅减少了能量损耗,还延长了断路器的使用寿命。 为了验证新方案的有效性,论文通过电力系统仿真软件建立了【320kV/640MW】的直流断路器仿真模型,并与ABB公司提出的结构进行了对比。此外,还在实验室进行了【低电压小电流条件下的硬件实验】,以证明理论设计的正确性和实际应用的可能性。 这篇研究探讨了直流断路器的技术挑战,特别是混合型直流断路器的设计优化,提出了一种采用双臂架构的新型混合型断路器,该断路器具有更快的电流切断速度、更低的成本以及更长的寿命。通过仿真和实验验证,该方案展示了在高压直流输电系统中的优越性能和应用潜力。
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摘 要
I
摘 要
直流输电与交流输电相比,直流输电具有很多优势,比如线损低、不存在系统同步运
行稳定性问题等。随着近几年来的发展,多端柔性直流输配电技术和高压电压源型变换器
技术的迅速起步,直流断路器在直流电网扮演着越来越重要的角色。在故障时,直流断路
器需要在规定的时间内完成动作,切除故障以限制短路电流。因此,直流断路器是未来直
流电网发展的一个不可或缺的基础设备。目前,关于高压直流断路器的研发主要受到以下
几点的制约:在直流输电中,由于电流是没有自然过零点的,在分闸过程时直流电弧不容
易熄灭;在直流电流切断以后,直流系统中会产生过电压,使得系统中元件易损坏,同时
在故障电流切除期间,系统中存储大量的能量需要被泄放吸收;由于直流系统得阻抗非常
小,尤其是在稳态运行时只存在电阻,使得系统发生故障后,故障电流上升速度极快,这
就需直流断路器在毫秒级的时间内准确判断故障并将故障切除。目前的直流断路器研发主
要有机械式直流断路器、全固态直流断路器和混合式直流断路器三种方案。
首先,本文阐述了目前国内外直流断路器发展概况,对目前研究比较新的直流断路器
做了研究与总结。指出了目前直流断路器存在的问题,针对现有混合型直流断路器的不足,
本文提出一种双臂架构的混合型直流断路器的拓扑新方案,对此进行了深入的分析研究。
其次,详细的分析了该新型直流断路器的能量吸收耗散特性,并与 ABB 公司提出的
混合式高压直流断路器做了详细比对,介绍了该新型混合式直流断路器的内部控制原理,
推导出其动作判据。该新型直流断路器拓扑方案的突出特点是:采用了机械开关与固态开
关的混合结构,结合了固态开关开断速度快机械开关承受电压能力强的优点。同时,由于
续流二极管组的添加,较大地减小了直流避雷器(耗能元件)的电压额定等级和耗能容量,
从而减小了断路器制造成本;同时该方案进一步提高了混合式直流断路器的电流切断速
度;由于辅助回路的添加,使得断路器在合闸时能够实现固态开关组的零电压开通(Zero
Voltage Switch, ZVS),延长断路器使用寿命。
在此基础上,结合该混合型直流断路器的动作判据,在电力系统仿真软件中搭建了
320kV/640MW 的直流断路器仿真模型,并与 ABB 公司在 2012 年 11 月提出的结构进行了
详细的仿真结果对比,验证了该方案的优越性。在此研究的基础上,在实验室搭建了低电
压小电流条件下的硬件实验装置,验证了该方案理论的正确性与实际应用的可行性。
关键词:直流输电;双臂架构;混合型;直流断路器;ZVS;低成本
万方数据
东北电力大学工程硕士学位论文
II
Abstract
Compared with AC power transmission, HVDC power transmission has many advantages,
such as low line loss and no system synchronization stability. With the rapid development of
multi-end flexible DC transmission and distribution technology and high-voltage voltage source
converter technology in recent years, DC circuit breakers are playing an increasingly important
role in the DC grid. In the event of a fault, the DC circuit breaker needs to complete the action
within the specified time and remove the fault to limit the short circuit current. Therefore, the DC
circuit breaker is an indispensable basic equipment for the development of the future DC grid. At
present, the research and development of high-voltage DC circuit breakers are mainly restricted
by the following points: In DC transmission, there is no natural zero-crossing point in the DC
current, which results in the arc not easily extinguished during the opening process; after the DC
current is opened, the system will generate The voltage phenomenon can easily lead to the
component being burned out. At the same time, during the removal of the fault current, a large
amount of energy stored in the system needs to be absorbed by the discharge. Compared to the
AC system, the DC system impedance is very small (in the steady state, only the resistance).
Therefore, the short circuit current rises rapidly. This requires the DC circuit breaker to
accurately cut the fault within milliseconds and remove the fault. The current research and
development of DC circuit breakers include mechanical DC circuit breakers, all-solid-state DC
circuit breakers, and hybrid DC circuit breakers.
Firstly, this article describes the current development of DC circuit breakers in domestic and
foreign, and studies and summarizes new DC circuit breakers currently under study. The current
problems of DC circuit breakers are pointed out. In view of the shortcomings of the existing
hybrid DC circuit breakers, this paper presents a new type of DC circuit breaker topology
scheme and control strategy.
Secondly, a detailed analysis and comparison of the hybrid energy HVDC circuit breaker
proposed by ABB and the energy absorption characteristics of the new DC circuit breaker
proposed in this paper are introduced. The internal control principle of the hybrid DC circuit
breaker is introduced and deduced. Out of its action criteria. The outstanding feature of this new
type of DC circuit breaker topology is that a hybrid structure of a mechanical switch and a solid
state switch is used. While retaining the good static characteristics of the mechanical switch and
the good dynamic characteristics of the solid state switch, the rated voltage and the energy
consumption capacity of the DC arrester is greatly reduced. Thereby reducing the manufacturing
cost of the circuit breaker; at the same time, the program further increases the current cut-off
万方数据
Abstract
III
speed of the hybrid DC circuit breaker; due to the addition of the auxiliary circuit, the life of the
circuit breaker is extended by realizing the Zero Voltage Switch (ZVS) of the solid state switch
group at closing.
Based on the said theory, combined with the action criteria of the hybrid DC circuit breaker,
a 320kV/640MW DC circuit breaker simulation model was built in the power system simulation
software, and compared the simulation results with the structure proposed by ABB in November
2012 to verify the superiority of the program. Furthermore, a hardware experiment device under
low-voltage (50V) low-current conditions was built in the laboratory, which verified the
theoretical correctness and feasibility of the practical application.
Keywords: direct-current power transmission; double-bridge; hybrid; fast DC circuit
breaker; ZVS; low cost
万方数据
东北电力大学工程硕士学位论文
IV
目 录
摘 要 .......................................................................................................................................... I
Abstract .......................................................................................................................................... II
第 1 章 绪 论 ......................................................................................................................... 1
1.1 课题背景及研究的目的和意义 ..................................................................................... 1
1.1.1 课题的背景 ............................................................................................................. 1
1.1.2 课题研究的目的和意义 ......................................................................................... 2
1.2 国内外直流断路器的发展状况 ..................................................................................... 3
1.2.1 机械式直流断路器发展状况 ................................................................................. 3
1.2.2 固态式直流断路器发展状况 ................................................................................. 5
1.2.3 混合式直流断路器发展状况 ................................................................................. 6
1.3 本文的主要研究内容 ................................................................................................... 11
第 2 章 混合型直流断路器拓扑结构及工作原理分析 ........................................................... 13
2.1 ABB 公司提出的混合式高压直流断路器 .................................................................. 13
2.2 双臂架构的混合型直流断路器拓扑结构及控制策略 ............................................... 13
2.2.1 拓扑结构 ............................................................................................................... 13
2.2.2 控制策略 ............................................................................................................... 14
2.3 不同应用系统下的拓扑分析 ....................................................................................... 16
2.3 双臂架构的混合型直流断路器工作原理分析 ........................................................... 18
2.3.1 分闸过程分析 ....................................................................................................... 18
2.3.2 合闸过程分析 ....................................................................................................... 21
2.4 ABB 公司提出的混合式高压直流断路器工作原理分析 .......................................... 22
2.4.1 分闸过程分析 ....................................................................................................... 22
2.4.2 合闸过程分析 ....................................................................................................... 23
2.5 本章小结 ....................................................................................................................... 24
第 3 章 混合型直流断路器能量吸收特性及动作判据 ............................................................ 25
3.1 ABB 公司提出的混合式直流断路器能量吸收泄放过程分析 .................................. 25
3.2 双臂架构的混合型直流断路器能量吸收泄放过程分析 ........................................... 26
3.3 内部控制 ....................................................................................................................... 27
3.3.1 原件的控制时序 ................................................................................................... 27
3.3.2 原件的动作判据 ................................................................................................... 28
3.4 本章小结 ....................................................................................................................... 30
万方数据
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programmh
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