新型電力電子高壓直流斷路器的建模與仿真.pdf

1、隨著世界對(duì)能源需求量的日益增加，石油、煤、天然氣等傳統(tǒng)化石能源最終將消耗完。為此開發(fā)風(fēng)能、太陽能等新型能源必將是未來的發(fā)展趨勢。然而目前新能源的發(fā)展中由于其并入大電網(wǎng)的不穩(wěn)定性成了制約發(fā)展的一個(gè)瓶頸。為了能夠很好地突破該瓶頸，應(yīng)用高壓直流輸電技術(shù)將會(huì)是一個(gè)有效的解決途徑。因?yàn)榘研履茉炊紖R聚轉(zhuǎn)換成直流電來進(jìn)行并網(wǎng)傳輸對(duì)大電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性的影響相對(duì)較小，并且高壓直流輸電技術(shù)具有可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電、并實(shí)現(xiàn)不同電網(wǎng)間的互連、優(yōu)化整個(gè)輸電網(wǎng)絡(luò)等

2、優(yōu)點(diǎn)。另外，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展提高，高壓直流輸電技術(shù)成本越來越低，性能越來越高。從高壓直流輸電的特點(diǎn)來看，開發(fā)適用的高壓直流斷路器很關(guān)鍵，因?yàn)楦邏褐绷鲾嗦菲髂軌蚣皶r(shí)隔離故障的設(shè)備、功率單元、線纜或者支路，對(duì)于保證高壓直流輸電系統(tǒng)的持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，高直流斷路器是至關(guān)重要的一個(gè)設(shè)備。
　　但是，相對(duì)于交流系統(tǒng)故障保護(hù)來說直流系統(tǒng)故障保護(hù)有著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這些嚴(yán)峻挑戰(zhàn)主要來自于下面幾點(diǎn):
　　(1)高壓直流輸電系統(tǒng)在短路電

3、壓和電流都沒有過零點(diǎn)，這就意味著故障發(fā)生后要斷開的故障電流非常大，這對(duì)直流斷路器的絕緣和滅弧提出了更高的技術(shù)要求，電路中的剩余能量的消耗也是非常關(guān)鍵和亟待解決的問題。
　　(2)由于高壓直流輸電的電壓高，傳輸?shù)墓β蚀?，發(fā)生短路后，電路中的阻抗突然降到最低，此時(shí)短路電流迅速升高，直流開關(guān)必須在故障電流達(dá)到最大值前（幾毫秒內(nèi)）關(guān)斷，這對(duì)直流斷路器的動(dòng)作時(shí)間提出了更高要求。傳統(tǒng)的機(jī)械式斷路器來說其響應(yīng)時(shí)間太長（幾十毫秒），這樣的切除速度

4、難于滿足對(duì)直流系統(tǒng)的保護(hù)要求。
　　所以為了仍然保證系統(tǒng)的持續(xù)安全穩(wěn)定可靠輸電，需要開發(fā)一些切斷快速的高壓直流斷路器，因?yàn)橹挥锌焖偾谐收喜拍鼙ＷC短路電流在可接受的峰值范圍內(nèi)得到有效控制和隔離。
　　為了解決直流輸電系統(tǒng)故障保護(hù)難的這個(gè)問題，本文在前人的基礎(chǔ)上開發(fā)了幾種新型的基于純電力電子的非隔離型高壓直流斷路器，這樣的斷路器具有切除故障電流時(shí)間短、控制成本低和設(shè)備損耗小的特點(diǎn)。本文對(duì)其進(jìn)行了高壓仿真分析，并用相同的控制方法

5、對(duì)斷路器拓?fù)溥M(jìn)行了低壓仿真和相應(yīng)的低壓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，很好地驗(yàn)證了這些新提出的純電力電子直流斷路器拓?fù)涞墓δ艿膬?yōu)越性。優(yōu)越性主要表現(xiàn)在它們綜合了直流斷路器和直流變壓器的功能，并且能夠在幾個(gè)毫秒的很短的時(shí)間內(nèi)將短路故障有效切除，這對(duì)穩(wěn)定可靠的直流輸電具有非常重要的意義。
　　本文提出了一種新的輔助控制算法應(yīng)用在高壓直流斷路器中，確保短路故障的快速有效切除。提出了一種簡單的控制模式，實(shí)現(xiàn)在同一功率流方向，既可

6、以升壓降壓，又可以在升壓與降壓模態(tài)之間切換，還可以實(shí)現(xiàn)斷路器功能。本文還實(shí)現(xiàn)了六種運(yùn)行經(jīng)濟(jì)更適用于高壓直流輸電系統(tǒng)的基于純半導(dǎo)體器件的高壓直流斷路器。論文的主要研究成果綜述如下:
　　(1)提出了新的改進(jìn)控制算法，可以確保變壓型高壓直流斷路器在輸電系統(tǒng)短路故障時(shí)對(duì)故障進(jìn)行快速完全地切除;
　　(2)提出了一個(gè)新型的二開關(guān)組高壓直流斷路器拓?fù)洳?duì)其進(jìn)行工作效率分析，相對(duì)于已有拓?fù)淇梢詼p少功耗，降低控制器難度和成本，該斷路器拓?fù)?/p>

7、在同一功率流方向既可實(shí)現(xiàn)升壓也可實(shí)現(xiàn)降壓，并且可以進(jìn)行升壓模態(tài)與降壓模態(tài)之間的切換，為直流靈活可靠供電提供好的平臺(tái)，更適用于高壓直流輸電系統(tǒng);
　　(3)通過理論仿真分析和低壓實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了新提出的二開關(guān)組高壓直流斷路器拓?fù)湓陔姼须娏鱀CM狀況下同樣既可以實(shí)現(xiàn)變壓功能又可以實(shí)現(xiàn)故障隔離的功能;
　　(4)采用新的改進(jìn)控制算法，基于五個(gè)經(jīng)典直流變換器拓?fù)涮岢隽宋宸N一開關(guān)組變壓型高壓直流斷路器拓?fù)?，并?duì)其各項(xiàng)功能進(jìn)行了高低壓仿真分