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柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案.pdf

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第３７卷第１５期Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１５ ２０１３年８月１０日Ａｕｇ．１０，２０１３ ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１３０５３００１２ 柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案 魏晓光，高冲，罗湘，周万迪，吴亚楠 （国网智能电网研究院，北京市１０２２００） 摘要：基于柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决中国新能源并网和消纳问题的有效技 术手段之一，而高压直流断路器是构建直流电网的核心设备之一。从多端直流系统发生直流侧短 路故障的机理及故障电流的发展趋势入手，以舟山５端柔性直流输电工程为例，分析了发生最严酷 短路故障时，直流母线上故障电流的特性，基于分析结果提出了直流电网对直流断路器的需求；结 合对现有直流断路器技术路线的对比分析，提出了一种适用于柔性直流输电网的新型快速直流断 路器技术方案，并通过仿真分析验证了所提出的新型直流断路器能够满足柔性直流输电网快速切 除故障电流的需求。 关键词：直流输电；直流电网；短路故障；直流断路器 ０引言路电流，必须采用断开交流侧断路器的方法来分断 故障电流。因此为快速限制并切断故障电流，以维 随着一次能源的短缺和环境恶化问题的不断加 持直流电网安全稳定运行并保护电网中的关键设 剧，世界各国已经认识到能源的利用与开发必须从 备，高压直流断路器成为有效甚至唯一技术手段［９］。 传统能源向绿色可再生清洁能源过渡。基于常规直 在高压直流断路器研究方面，国外公司和研究 流及柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术 机构的研究工作开展较早，并且已经成功地实现了 是解决新能源并网和消纳问题的有效技术手段之 理论设计向工程实践的转化。在基于常规交流断路 一［１－５］。采用大功率绝缘栅双极型晶体管（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ 器的机械式直流断路器研制方面，日立公司和ＡＢＢ ｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）、脉宽调制技术 公司分别研制了２５０ｋＶ／８ｋＡ（额定电压／额定开断 （ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＷＭ）和多电平控制技 电流，下同）和５００ｋＶ／４ｋＡ的产品并成功应用于 术，基于自换相电压源换流器（ｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅ 多端ＣＳＣ－ＨＶＤＣ工程，但开断用时约为３５ｍｓ，无 ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＶＳＣ）的ＨＶＤＣ（ＶＳＣ－ＨＶＤＣ），特别是基 法满足基于ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的直流电网的需求。在基 于模块化多电平换流器（ｍｏｄｕｌａｒｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ 于纯电力电子器件的固态断路器研制方面，美国 ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＭＭＣ）的ＨＶＤＣ（ＭＭＣ－ＨＶＤＣ）近十年 ＣＰＥＳ已研制出２．５ｋＶ／１．５ｋＡ和４．５ｋＶ／４ｋＡ样 得到了迅猛发展。与基于电流源换流器（ｃｕｒｒｅｎｔ 机，开断用时约为３００ｓ，但由于固态断路器的损耗 ｓｏｕｒｃｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＣＳＣ）的ＨＶＤＣ技术相比，ＶＳＣ－μ 较大，尚未在高压大容量领域得到工程化应用。在 ＨＶＤＣ技术具有无功功率、有功功率可独立控制， 基于常规机械开关和电力电子器件的混合式断路器 无需滤波及无功补偿设备，可向无源负荷供电，潮流 研制方面，ＡＢＢ公司于２０１２年底成功完成了样机 翻转时电压极性不改变等优势。因此ＶＳＣ更适合 研制，并通过了试验［１０］；公司也于年 用于构建多端直流输电及直流电网［６－８］。Ａｌｓｔｏｍ２０１３ 完成了样机研制，但目前两台样机的分断能力较低， 然而，由于直流系统的阻尼相对较低，相比于交 扩容试验预计年年底完成。国内方面，西安交 流系统，直流系统的故障发展更快，控制保护难度更２０１３ 通大学、南方电网公司、中国电力科学研究院等高 大。同时对基于ＩＧＢＴ的柔性直流输电系统来说， 校、企业和科研院所均在积极推进该项技术的发展， 一旦直流侧发生故障，由于ＩＧＢＴ中反并联二极管 但尚无样机研制成功的相关报道。 的存在，通常无法采用闭锁换流器的方法来限制短 本文从多端直流输电系统发生直流侧短路故障 的机理及故障电流的发展趋势入手，以舟山５端柔 收稿日期：２０１３－０５－３０；修回日期：２０１３－０６－２８。性直流输电工程为例，分析了发生最严酷短路故障 国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目情况下，直流母线上故障电流的特性，基于分析结果 （）。 ５１２６１１３０４７１提出了基于ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的直流电网对直流断路器 —５９— ２０１３，３７（１５） 的需求，同时在对现有直流断路器技术路线进行对锁，因此第２阶段起始时的电流峰值与ＩＧＢＴ闭锁 比分析的基础上，提出一种新型直流断路器技术方的时间有直接关系。直流侧短路总短路电流示意如 案，并通过仿真分析验证了所提出的新型直流断路图２所示。 器能够满足基于ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的直流电网的需求。 １柔性直流输电网故障电流分析 １．１直流电网直流