• 头条单向直流断路器的拓扑与保护策略:结构简单,开断快速
    2021-07-26 作者:杨田 刘晓明 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语混合式直流断路器是构建柔性直流电网的重要装备,由于大量使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等电力电子元件,制造成本高。沈阳工业大学电气工程学院、天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员杨田、刘晓明、吴其、陈海、李龙女,在2020年《电工技术学报》增刊1上撰文,提出一种采用单向开断的混合式直流断路器拓扑结构和适用于多端口直流电网(MTDC)的隔离保护策略。研究结果证明,单向直流断路器可准确识别故障电流,并快速开断故障线路,其拓扑结构和保护策略可满足系统保护的快速性和可靠性要求。

    采用直流输电技术可以有效提高可再生能源利用率,降低线路损耗,增加传输容量与传输距离。随着柔性直流技术(Voltage Source Converter High Voltage Direct Current, VSC-HVDC)的发展,构建多端口直流电网已成为电力系统发展新的趋势。

    直流电网中的故障可分为两类:直流侧故障和交流侧故障。为隔离直流侧故障以降低对系统的威胁,采用直流断路器开断是一种经济和可靠的方案。由于直流电流没有过零点,开断直流故障电流较之开断交流电流更加困难;另一方面,由于直流断路器广泛使用电力电子元件,导致直流断路器的成本较高。直流断路器等关键技术是制约直流电网发展的瓶颈之一。

    目前直流断路器主要分为基于常规开关的机械型直流断路器、基于纯电力电子元件的固态直流断路器和介于两者之间的混合式直流断路器。直流系统对开断的速动性有较高要求,而机械式直流断路器受自身开断原理制约,需要一定的熄弧时间;固态断路器开断速度快,但需要串联大量的电力电子器件,因而存在通态损耗大等缺陷。

    混合式直流断路器集合了两者的优势,这类断路器已经应用于“张北”直流电网等工程中。可以预见,混合式直流断路器作为构建直流电网保护的关键元件,有着广阔的发展前景。

    混合式断路器普遍采用双方向开断方式(简称双向断路器),图1为ABB公司提出的混合式双向直流断路器拓扑,由剩余电流断路器(Residual DC Breaker, RB)、超快速机械隔离开关(Ultra-Fast Mechanical Disconnector, UFD)、负载转移开关(Load Commutation Switch, LCS)、主断路器(Main Breaker, MB)、避雷器组(Surge Arrestor, SA)等组成。其中MB由多个开关单元串联而成,MB和LCS包括若干正、反向串联的IGBT及反并联二极管,因此可以开断正反两方向电流。

    单向直流断路器的拓扑与保护策略:结构简单,开断快速

    图1 混合式双向直流断路器拓扑结构

    系统正常运行时MB开断,电流由UFD导通;发生短路时,MB导通,LCS断开,短路电流被转移至MB中,然后MB开断;短路电流转移至SA;最终短路电流下降至残余电流动作阈值时RB开断,将故障线路与主电网相隔离。

    由于MB需承受较大的直流电压,要串联多组IGBT。随着直流电网的日渐复杂,系统内的线路也将随之增加,每一条线路的两端都需安装断路器,因此断路器数量将日益庞大,昂贵的成本将成为制约直流电网发展的主要障碍。

    为在保证可靠开断能力的前提下降低制造成本,沈阳工业大学、天津工业大学的研究人员提出一种新型单向开断方式的混合式直流断路器(简称单向直流断路器)拓扑与用于多端口直流电网的单向开断隔离护策略。

    单向直流断路器的拓扑与保护策略:结构简单,开断快速

    图2 单向直流断路器拓扑结构

    为了验证单向直流断路器以及保护策略的有效性,使用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了单向直流断路器和三端口直流电网模型,模拟了使用单向直流断路器和相应的保护策略开断不同类型短路故障。

    结果表明,单向直流断路器的拓扑结构更简单,可以实现准确识别和快速开断故障电流。保护策略满足系统隔离保护的要求,证明了单向直流断路器的拓扑结构和保护策略的可行性。相较常规双向断路器,单向直流断路器的拓扑结构在保证可靠性的前提下,将断路器中IGBT的数量降低了一半,提升了IGBT的利用率,可以有效降低制造成本,有助于线路复杂的柔性直流电网的发展。

    以上研究成果发表在2020年《电工技术学报》增刊1,论文标题为“单向直流断路器拓扑与保护策略分析”,作者为杨田、刘晓明、吴其、陈海、李龙女。

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