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)展的一個瓶頸。為了能夠很好地突破該瓶頸，應用高壓直流輸電技術(shù)將會是一個有效的解決途徑。因為把新能源都匯聚轉(zhuǎn)換成直流電來進行并網(wǎng)傳輸對大電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性的影響相對較小，并且高壓直流輸電技術(shù)具有可以實現(xiàn)遠距離輸電、并實現(xiàn)不同電網(wǎng)間的互連、優(yōu)化整個輸電網(wǎng)絡等

2、優(yōu)點。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來看，開發(fā)適用的高壓直流斷路器很關(guān)鍵，因為高壓直流斷路器能夠及時隔離故障的設備、功率單元、線纜或者支路，對于保證高壓直流輸電系統(tǒng)的持續(xù)安全穩(wěn)定運行，高直流斷路器是至關(guān)重要的一個設備。
　　但是，相對于交流系統(tǒng)故障保護來說直流系統(tǒng)故障保護有著更加嚴峻的挑戰(zhàn)，這些嚴峻挑戰(zhàn)主要來自于下面幾點:
　　(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，這就意味著故障發(fā)生后要斷開的故障電流非常大，這對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，此時短路電流迅速升高，直流開關(guān)必須在故障電流達到最大值前（幾毫秒內(nèi)）關(guān)斷，這對直流斷路器的動作時間提出了更高要求。傳統(tǒng)的機械式斷路器來說其響應時間太長（幾十毫秒），這樣的切除速度

4、難于滿足對直流系統(tǒng)的保護要求。
　　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，因為只有快速切除故障才能保證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)故障保護難的這個問題，本文在前人的基礎上開發(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間短、控制成本低和設備損耗小的特點。本文對其進行了高壓仿真分析，并用相同的控制方法

5、對斷路器拓撲進行了低壓仿真和相應的低壓實驗驗證，通過對仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的分析，很好地驗證了這些新提出的純電力電子直流斷路器拓撲的功能的優(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，并且能夠在幾個毫秒的很短的時間內(nèi)將短路故障有效切除，這對穩(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，還可以實現(xiàn)斷路器功能。本文還實現(xiàn)了六種運行經(jīng)濟更適用于高壓直流輸電系統(tǒng)的基于純半導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)短路故障時對故障進行快速完全地切除;
　　(2)提出了一個新型的二開關(guān)組高壓直流斷路器拓撲并對其進行工作效率分析，相對于已有拓撲可以減少功耗，降低控制器難度和成本，該斷路器拓撲

7、在同一功率流方向既可實現(xiàn)升壓也可實現(xiàn)降壓，并且可以進行升壓模態(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，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驗，驗證了新提出的二開關(guān)組高壓直流斷路器拓撲在電感電流DCM狀況下同樣既可以實現(xiàn)變壓功能又可以實現(xiàn)故障隔離的功能;
　　(4)采用新的改進控制算法，基于五個經(jīng)典直流變換器拓撲提出了五種一開關(guān)組變壓型高壓直流斷路器拓撲，并對其各項功能進行了高低壓仿真分