高压直流断路器及其关键技术

直流输(配)电与交流输(配)电相比,具有线损低、不存在系统同步运行稳定性问题等一系列优点。近年来,随着电压源型高压变流器和高压柔性直流输(配)电技术的迅速发展,高压柔性多端直流输(配)电系统及输(配)电网的工程化应用关键技术(装备)研究受到了国内外业界的高度重视,其中之一就是高压直流断路器的研发。高压直流断路器面临诸多技术难点：直流电流没有自然过零点,直流电弧不易熄灭,直流断路器需解决开断时的灭弧难题；直流系统阻抗(稳态时只有电阻)较之交流系统要小得多,其短路电流增长极快(尤其在基于VSC型换流器构成的直流系统情况下更为突出),直流断路器需解决快速准确判断故障并开断短路电流的难题。 本文首先详细阐述了直流断路器的技术概况以及国内外的研究现状。分析了机械式、全固态与混合式这三类直流断路器的拓扑结构、工作原理和优缺点及国内外研究情况,指出基于机械开关并联固态开关结构的混合式直流断路器具有开断快速可控、无(微)弧无响声、开关寿命长、可靠性高、通态损耗小及无需专用冷却设备等一系列优点,应作为高压直流断路器的主要发展方向。本文进一步针对直流断路器研发中所需要涉及的关键技术进行了论述与总结,分为：电弧理论模型分析与建立,电力电子器件串、并联关键技术研究以及直流断路器中所涉及的辅助回路设计等三个方面进行了阐述。为之后提出一种新型的混合式直流断路器拓扑结构提供了相应的理论依据与技术支持。 本文在此已有研究的基础上,提出了一种新型限流式混合直流断路器的拓扑方案,该方案的突出特点是：采用电力电子复合开关——固态开关部分基于全控(IGBT)半控(SCR)型电力电子器件混合构成,充分利用全控型功率器件的快速可控性及半控型器件容量大(耐压水平高)、价格便宜的优点,以降低高压混合式直流断路器的电力电子功率器件串联数量；采用特殊设计的限流电路,在故障发生时抑制短路电流的上升速率,从而降低了对故障判断灵敏性和机械开关速动性的要求,以及装置工程化实现的技术难度。并针对此新型限流式混合直流断路器进行了拓扑改进,根据不同的优化要求,提出了三个拓扑改进方案。其一,针对电流开断双向性问题,提出了具有双向开断能力的拓扑改进方案；其二,通过在机械开关回路上串联入小电感结构,为固态开关在短路时快速提供正向导通压降,实现加快短路时固态开关导通的目的,同时也起到保证固态开关稳定导通的作用；其三,采用将机械开关与少量IGBT进行串联的结构,利用此串联IGBT可在分闸时迅速动作,从而满足固态开关的建压条件,加速换流过程进行,且IGBT结构可保证机械开关的无电弧动作,减低对机械开关的技术要求。 本文对所提出的新型限流式混合直流断路器的参数设计原则及复合开关的配置方法进行了详细的推导,并详细分析了其工作原理,与动作特性。并利用PSCAD仿真软件,对所提出的三种拓扑结构进行了详细的计算机建模仿真分析,验证了各方案的理论分析内容。且在实验室搭建基于所提出的新型限流式混合直流断路器基本拓扑的小电压小电流实验室原理样机,通过进行小电压小电流实验,对此拓扑结构进行实验验证。仿真与实验结果证明,采用本文所述方法进行限流式混合直流断路器的设计,不仅可以在直流电路发生短路故障时有效限制短路电流上升率,降低短路电流开断难度,还可以显著减少器件串联数量,从而达到降低装置体积与成本的目的。