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淺析斷路器的畢業(yè)論文
隨著國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的展開(kāi)，在電力傳輸上具有低損耗、無(wú)需同步;光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等并網(wǎng);地區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)、地區(qū)孤島供電等方面比傳統(tǒng)配電系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)的中低壓柔性直流輸電系統(tǒng)將是配電網(wǎng)主要發(fā)展方向。推進(jìn)中低壓柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)發(fā)展技術(shù)難點(diǎn)之一就是具有快速開(kāi)斷能力的直流斷路器�，F(xiàn)階段中低壓柔性直流輸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電流開(kāi)斷的方法主要有閉鎖換流器中的換流閥和在交流側(cè)用交流斷路器開(kāi)斷兩種。用這兩種方法不但會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)停運(yùn)情況而且也會(huì)對(duì)并列運(yùn)行的交流輸電系統(tǒng)造成嚴(yán)重沖擊，降低了供電可靠性。
因此，成功研制中壓斷路器可以有效推動(dòng)中低壓柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)的發(fā)展。直流斷路器的開(kāi)斷相比于交流斷路器的開(kāi)斷來(lái)說(shuō)要困難的多，因?yàn)橹绷麟娏鞑煌诮涣麟娏鞔嬖谧匀贿^(guò)零點(diǎn)，直流電弧比交流電弧要難于熄滅;而且直流輸電系統(tǒng)的線路阻抗與交流輸電系統(tǒng)相比，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者，因此直流輸電系統(tǒng)的一旦發(fā)生故障，其故障電流增長(zhǎng)速度比交流系統(tǒng)的故障電流要快的多;此外，在開(kāi)斷的過(guò)程中，在直流系統(tǒng)電感中存儲(chǔ)的能量，需要斷路器來(lái)吸收�，F(xiàn)階段研發(fā)出的直流斷路器主要分為：利用傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)斷的純機(jī)械式直流斷路器、利用電力電子器件(SCR、GTO、IGBT等)開(kāi)斷的全固態(tài)直流斷路器，以及將兩者相結(jié)合的混合式直流斷路器三種。其中混合式直流斷路器將純機(jī)械式和純固態(tài)式的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，具有導(dǎo)通損耗低;開(kāi)斷速度快、特性好的特性，成為了近年來(lái)直流斷路器領(lǐng)域的主要研究方向。給出了傳統(tǒng)純機(jī)械式直流斷路器、使用電力電子開(kāi)關(guān)的全固態(tài)直流斷路器以及兩者結(jié)合后衍生的混合式直流斷路器的工作原理，給出了其拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，并分析了各個(gè)類型斷路器存在的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)，通過(guò)Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出方案的可行性。
三種直流斷路器結(jié)構(gòu)
1、純機(jī)械式直流斷路器因?yàn)橹绷麟娏鞑煌诮涣麟娏鞔嬖谧匀贿^(guò)零點(diǎn)，直流電弧比交流電弧要難于熄滅。在低壓直流系統(tǒng)中開(kāi)斷小電流，通過(guò)提高直流電弧的電壓、增加限流電阻數(shù)量以等方法可以實(shí)現(xiàn)直流電弧的強(qiáng)迫熄滅。但在中高壓直流系統(tǒng)中，低壓直流系統(tǒng)熄弧方法受到一定的局限性，通過(guò)對(duì)交流斷路器進(jìn)行改造可以實(shí)現(xiàn)中高壓直流系統(tǒng)的熄弧，一般的改造方法有疊加LC振蕩電路或者能量吸收電路。美國(guó)的GE公司的曾提出了一種機(jī)械式直流斷路器，采用的熄弧方法是增加LC振蕩換流電路，圖1給出了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，無(wú)論交流斷路器的操作機(jī)構(gòu)是液壓還是彈簧的，其分閘在時(shí)間18～65ms之間，合閘時(shí)間在60～150ms之間，這對(duì)于故障電流增長(zhǎng)速度比交流系統(tǒng)要快的多的直流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，開(kāi)斷時(shí)間較長(zhǎng)，不能快速切斷短路電流，隔離故障點(diǎn)，容易擴(kuò)大事故面積。
2、全固態(tài)直流斷路器因使用半控型或全控型電力電子開(kāi)關(guān)(SCR，基于SCR研發(fā)的半控型斷路器具有常態(tài)壓降低、開(kāi)斷容量大、控制策略簡(jiǎn)單、整體價(jià)格低以及可靠性較高的優(yōu)點(diǎn);但在開(kāi)斷直流電流時(shí)需要疊加LC振蕩電路作為換流回路，制造出人為過(guò)零點(diǎn)，使電路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化，同時(shí)增大了斷路器的整體體積;SCR較低工作頻率使得斷路器的開(kāi)斷速度也較低�；贕TO研發(fā)的全控型斷路器優(yōu)點(diǎn)與基于SCR研發(fā)的半控型斷路器類似，且開(kāi)斷速度比后者要高;但GTO的常態(tài)壓降要比SCR高，較高的門極驅(qū)動(dòng)功率也需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路。基于IGBT研發(fā)的全控型斷路器與基于GTO研發(fā)的全控型斷路器優(yōu)點(diǎn)基本相同，且其開(kāi)斷速度更快，但I(xiàn)GBT的容量卻比GTO小，這就意味著開(kāi)斷同樣的電流需要串聯(lián)的IGBT數(shù)量要多于GTO，且IGBT的價(jià)格也高于GTO;比IGBT性能更好的IGCT因?yàn)槌杀具^(guò)高也使全固態(tài)型直流斷路器的成本過(guò)高而不適于推廣。
3、混合式直流斷路器混合型直流斷路器采用的關(guān)斷原理是電流轉(zhuǎn)移法來(lái)實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的開(kāi)斷，綜合了傳統(tǒng)純機(jī)械式靜態(tài)特性和全固態(tài)式動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)其不同的電流轉(zhuǎn)移方式，可將其分為自然換流型和強(qiáng)制換流型。自然換流型固態(tài)開(kāi)關(guān)的構(gòu)成多由GTO、IGBT和IGCT等構(gòu)成，其開(kāi)斷原理為：當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的電弧電壓大于電力電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電壓時(shí)，電力電子開(kāi)關(guān)被觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)電弧不斷被拉大以后，電弧上的壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電力電子開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)壓降，主電路中的大部分電流都向支路上轉(zhuǎn)移。最終使得主開(kāi)關(guān)在很小的電流下進(jìn)行分?jǐn)�，因此其開(kāi)斷電流能力取決于固態(tài)開(kāi)關(guān)所使用的電力電子器件。圖3給出了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。強(qiáng)制換流型開(kāi)斷原理為：斷路器開(kāi)斷之前，利用外部充電電源給電容C預(yù)先充完電。斷路器分?jǐn)嚯娐窌r(shí)，打開(kāi)高速機(jī)械開(kāi)關(guān)，與此同時(shí)，觸發(fā)固態(tài)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。電容C給機(jī)械開(kāi)關(guān)反向沖擊振蕩電流，該電流與機(jī)械開(kāi)關(guān)的電弧電流相迭加產(chǎn)生的振蕩電流在電弧拉長(zhǎng)的某一時(shí)刻時(shí)，主電路上迭加的振蕩電流產(chǎn)生強(qiáng)迫型過(guò)零點(diǎn)，電弧被熄滅。電弧熄滅以后電源不斷給電容C充電，當(dāng)電容C的電壓大于氧化物避雷器的閾值電壓時(shí)，電流全部向避雷器轉(zhuǎn)移。完成直流電路的分?jǐn)嗳蝿?wù)。圖4給出了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
現(xiàn)階段的電力電子開(kāi)關(guān)的單管功率不高，多管串、并聯(lián)的控制電路復(fù)雜，存在一定的技術(shù)問(wèn)題，且多管串、并聯(lián)后的散熱也影響斷路器的整體功能，綜上所述，本文提出一種增加限流電路后使用單管IGCT作為固態(tài)開(kāi)關(guān)的中壓混合式斷路器。
改進(jìn)后的混合直流斷路器
改進(jìn)后的混合直流斷路器其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。其在分?jǐn)喽搪冯娏鞯墓ぷ髟頌椋寒?dāng)線路上發(fā)生短路故障后，限流電路立即抑制線路中的短路電流上升;當(dāng)檢測(cè)電路識(shí)別出短路電流超過(guò)斷路器動(dòng)作設(shè)定值后，即向機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)信號(hào)，向IGCT發(fā)出導(dǎo)通信號(hào)，機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作，動(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生電弧，當(dāng)電弧電壓達(dá)到IGCT的觸發(fā)電壓后，IGCT即導(dǎo)通，此時(shí)電弧電壓即被控制在IGCT的導(dǎo)通壓降，由于此時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭間的電阻大于IGCT的內(nèi)阻，短路電流將從IGCT中流過(guò)。機(jī)械開(kāi)關(guān)即在IGCT的導(dǎo)通壓降和極小電流下分?jǐn)�。�?dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)完全分?jǐn)嗪蠹聪騃GCT出關(guān)斷信號(hào)，IGCT關(guān)斷后，緩沖吸收回路中的RT、CT即減緩關(guān)斷電壓的上升速度，保證IGCT不被損壞，短路電流被強(qiáng)迫轉(zhuǎn)移至MOV中消耗。分?jǐn)嗾ｋ娏髋c分?jǐn)喽搪冯娏髟硐嗨�，這里不做贅述。
仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證
根據(jù)圖4所示的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)在Matlab/Simlink中建立仿真模型，仿真模型中參數(shù)設(shè)置如表1所示。仿真結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)發(fā)生短路后，系統(tǒng)電流快速上升并在0.75ms時(shí)到達(dá)100A，此時(shí)斷路器動(dòng)作，1.25ms時(shí)IGBT導(dǎo)通，開(kāi)始換流。由圖6可以看出系統(tǒng)電流在3.8ms時(shí)下降到0A，完成開(kāi)斷故障系統(tǒng)的任務(wù)。
結(jié)束語(yǔ)
給出了傳統(tǒng)純機(jī)械式直流斷路器、使用電力電子開(kāi)關(guān)的全固態(tài)直流斷路器以及兩者結(jié)合后衍生的混合式直流斷路器的工作原理，給出了其拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，并分析了各個(gè)類型斷路器存在的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)，得出了混合式直流斷路器具有傳統(tǒng)純機(jī)械式靜態(tài)特性和全固態(tài)式動(dòng)態(tài)特性性的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段直流斷路器的主要研究對(duì)象。在現(xiàn)有的混合式直流斷路器研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，通過(guò)使用新型電力電子開(kāi)關(guān)和增加限流電路的方法提高了斷路器的性能，與現(xiàn)有的斷路器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)斷短路電流時(shí)間短，具有較好的可控性，開(kāi)斷短路電流時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭產(chǎn)生的電弧小甚至沒(méi)有電弧產(chǎn)生，正常導(dǎo)通狀態(tài)損耗小。通過(guò)Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。
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