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直流断路器知识

适用于直流电网的组合式高压直流断路器

作者:   发布时间:2016-3-9

基于模块化多电平换流器(MMC)的高压直流输电(HVDC)技术是目前学术研究的热点。相比于交流电网,直流系统的阻尼相对较低,其故障发展更快,控制保护的难度更大。在现有的MMC-HVDC工程中,MMC多由半桥子模块构成。半桥子模块需要的电力电子器件少,造价低,但由于其不具有直流故障自清除能力,因此直流线路需采用故障率低但造价昂贵的直流电缆。若将此拓扑用于多端直流输电系统以及直流电网,会使工程造价变得昂贵。


针对上述问题目前存在两种解决思路:


1)替换半桥子模块,采用具有直流故障清除能力的子模块,如全桥子模块、箝位双子模块或其他变型子模块。从目前的研究成果来看,任何其他类型的子模块都需要采用更多的电力电子器件,这一方面增加了投资成本,另一方面将引入更多的运行损耗。运行损耗的增加降低了工程效益,增加了全寿命周期成本。


2)仍采用半桥子模块,但在直流线路上引入直流断路器来处理直流故障。就目前研发现状而言,基于常规机械开关和电力电子器件的混合式高压直流断路器最具大规模商业化应用的前景。然而,该断路器造价昂贵,经济性差。在直流系统中,为有效切除故障电流,每条直流线路两端都需要安装直流断路器。为保证输电的可靠性,在未来的直流系统中,网状结构的直流电网将成为主流。此时直流线路的条数将明显多于换流站个数,直流断路器的安装个数亦将大大增加,这将导致直流电网的造价成倍增加。


未来直流电网的可行度很大程度上依赖于系统对于直流故障的承受能力。因此,针对现有技术所存在的问题,本文提出一种组合式高压直流断路器结构,并对其相应的控制时序进行了研究。


主要创新点


本文提出的组合式直流断路器参考混合式直流断路器的设计理念,并对其各主要部件进行重新配置并加以改进。该断路器具有与混合式直流断路器相同的故障清除速度,但投资成本大幅降低。与现有的两种直流故障处理方案相比,本文所提出的方案在采用架空线路的直流电网中具有更强的适用性。


解决的问题和意义


本文详细讨论了两种常用的直流故障处理方案,并在此基础上提出了一种组合式高压直流断路器结构及其直流故障处理策略。本文提出的组合式高压直流断路器以ABB公司提出的混合式直流断路器为设计背景,对其主要设备进行重新配置并加以改进。该断路器由主动短路式断流开关、隔离开关、电流转移开关、超快速机械开关以及辅助放电电路组成,可在保证直流故障处理速度的前提下大大降低设备投资,具有良好的经济性。


在PSCAD/EMTDC内建立了典型直流网络模型,仿真结果验证了组合式直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。与现有策略相比,该方案更适用于由架空线连接的多端直流系统以及直流电网。特别是在直流线路较为复杂、站间连接较为紧密时,这种优势会体现得更为明显。后续研究


后续研究方向为组合式高压直流断路器的故障处理方案与协调控制策略。


主要图表


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