限流式混合直流断路器优化设计及样机研究

发布时间：2017-05-25 14:17

  本文关键词：限流式混合直流断路器优化设计及样机研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：可再生清洁能源发电的大规模接入需要发展柔性直流(输/配电)系统。但在柔性直流系统中,当直流侧发生短路故障,由于其较低的系统阻抗,短路电流将会迅速上升并达到很高水平。采用交流侧断路器来切除故障电流需要的时间长达30～100ms,会对电压源型换流器(VSC)造成损害,交流开关将全部跳闸来熄灭架空线上的故障电弧或者隔离直流电缆上的故障区域。因此适用于柔性直流系统的高压直流断路器及其相应的快速开断技术己成为限制直流系统发展的瓶颈问题。本文在前人研究成果的基础上,首先对国内外目前讨论较多的三类直流断路器(机械式、全固态、混合式)的拓扑、特点进行了简要分析比较,认为混合式直流断路器依靠机械开关导通正常电流、固态开关(电力电子开关器件)关断故障电流,同时具备前两者的优点,可控性高、通态损耗低、开断无弧光、可靠性高；并对一种基于自然换流型的限流式混合直流断路器进行研究,提出在机械开关支路串联小电感回路的方式对原拓扑进行结构优化,分析其工作特性、开断原理以及能量转移和释放过程,作为样机实验的依据；然后对此种拓扑的关键技术进行研究：结合柔性直流输电工程分析直流断路器短路参数要求,提出一套断路器中固态开关支路的均压、均流电路,以保护电力电子器件安全、可靠运行,并对断路器其他辅助回路进行研究设计,完成实验室样机的参数整定；接着在仿真平台PSCAD上对提出的混合式直流断路器和均压、均流电路进行建模仿真,通过仿真验证拓扑特点及可行性,并验证均压均流策略的有效性；最后搭建实验室样机,选用NI控制器,对控制系统软件、硬件结构进行设计,并对所提出的混合式直流断路器进行实验验证。仿真与实验结果表明,改进后的限流式混合直流断路器能够在短路切除过程中辅助固态开关支路导通,加速机械开关支路电流向固态开关支路转移,降低了对机械开关的要求,同时小电感在正常运行时不会产生多余的损耗,也无需冷却系统；限流电路可以有效限制流过直流线路的短路故障电流的上升率,可以改善开关支路分断直流短路电流的工作条件；辅助回路可以有效保护装置本体以免开关支路切断直流回路时产生的操作过电压对装置本体造成绝缘损害。
【关键词】：柔性直流(输/配电)系统 混合式直流断路器 小电感回路 均压、均流电路 建模与仿真 样机研究
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM561
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 课题目的与研究意义12-13
• 1.2 国内外研究现状与发展趋势13-18
• 1.2.1 高压直流断路器的概述与发展13-15
• 1.2.2 振荡过零型混合直流断路器的研究现状15-16
• 1.2.3 自然换流型混合直流断路器的研究现状16-18
• 1.3 本文的主要工作18-19
• 第二章 混合式直流断路器主回路研究19-34
• 2.1 限流式直流断路器拓扑结构研究19-21
• 2.1.1 限流式直流断路器拓扑19
• 2.1.2 限流式直流断路器工作原理19-20
• 2.1.3 限流式直流断路器特性20-21
• 2.2 混合式直流断路器拓扑改进21-25
• 2.2.1 机械开关串联小电感的直流断路器主拓扑21-22
• 2.2.2 小电感工作特性22-24
• 2.2.3 高速斥力开关24-25
• 2.3 改进拓扑开断原理研究25-33
• 2.3.1 机械开关电弧理论25-27
• 2.3.2 改进拓扑合闸特性分析27-28
• 2.3.3 改进拓扑正常分闸特性分析28-30
• 2.3.4 改进拓扑短路故障开断原理分析30-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 混合式直流断路器参数设计及辅助回路研究34-48
• 3.1 直流断路器短路参数研究34-36
• 3.2 均压、均流技术及参数设计36-44
• 3.2.1 均压、均流电路拓扑结构36-39
• 3.2.2 均压原理分析及参数设计39-41
• 3.2.3 均流原理分析及参数设计41-44
• 3.3 元件参数设计44-46
• 3.3.1 限流支路参数设计44
• 3.3.2 小电感回路参数设计44-45
• 3.3.3 限压阀设计45-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第四章 混合式直流断路器样机研究48-64
• 4.1 控制系统硬件设计48-53
• 4.1.1 控制系统整体结构48-49
• 4.1.2 NI模块49-50
• 4.1.3 光电转换模块50-52
• 4.1.4 驱动模块52-53
• 4.2 控制系统软件设计53-59
• 4.2.1 控制系统主程序流程53-54
• 4.2.2 子模块流程54-57
• 4.2.3 人机界面57-59
• 4.3 主接线和设备59-62
• 4.3.1 电气主接线59-60
• 4.3.2 设备参数60-61
• 4.3.3 样机实物61-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第五章 混合式直流断路器仿真和实验研究64-77
• 5.1 直流断路器开断原理仿真64-69
• 5.1.1 改进式混合直流断路器分闸仿真研究64-67
• 5.1.2 小电感回路对比仿真研究67-69
• 5.2 均压、均流电路仿真研究69-72
• 5.2.1 均压效果仿真研究70-71
• 5.2.2 均流效果仿真研究71-72
• 5.3 样机实验波形72-76
• 5.3.1 直流断路器分闸波形73-74
• 5.3.2 直流断路器模拟短路分闸波形74-75
• 5.3.3 均压、均流实验验证波形75-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第六章 总结与展望77-79
• 6.1 全文总结77-78
• 6.2 待研究的问题78-79
• 参考文献79-84
• 攻读硕士学位期间主要科研成果84

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