基于直流系統(tǒng)故障保護(hù)的三端口直流斷路器拓?fù)溲芯?/h1>
2018-06-27 11:41:58劉文君俞天毅查曉明
電工電能新技術(shù) 2018年6期
陳 超， 劉文君， 俞天毅， 劉 飛， 查曉明
(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072)
1 引言
多端和網(wǎng)狀形式正逐漸地被考慮應(yīng)用于直流系統(tǒng)[1,2]。對于多端直流系統(tǒng)，在故障發(fā)生時，應(yīng)該快速有效地隔離故障部分，使系統(tǒng)的正常部分能夠保持穩(wěn)定的直流電壓繼續(xù)運行[3-5]。
機(jī)械斷路器(Circuit Breaker，CB)廣泛應(yīng)用于交流系統(tǒng)，其在閉合狀態(tài)下具有低電阻的特點，并且在關(guān)斷時可以實現(xiàn)電流隔離的作用[6,7]。然而，它用于直流系統(tǒng)時存在著滅弧困難的問題，因為直流電流沒有過零點[8]。為了使其應(yīng)用于直流系統(tǒng)，必須增加額外的電路來產(chǎn)生電流過零點[6]或者采用其他熄滅直流電弧的方法[9]。固態(tài)斷路器使用的是電力電子器件，它可以避免直流電弧這一問題[10,11]。然而，電力電子器件在運行時產(chǎn)生的大量損耗使其不適合直接用于多端直流系統(tǒng)[10]?；旌蠑嗦菲饔筛綦x開關(guān)和電力電子設(shè)備組合而成，它能夠快速中斷故障電流并隔離故障部分以進(jìn)行故障保護(hù)，同時在正常運行期間保持較低的導(dǎo)通損耗。
為了解決這些問題，提出了多端口斷路器。文獻(xiàn)[16]提出了一種多端口斷路器拓?fù)?，將多個斷路器集成于一個，該拓?fù)淇蓽p少IGBT的使用數(shù)量，但是對端口的使用有一定限制且無法實現(xiàn)能量的雙向流動，并且未給出實驗驗證。
基于以上考慮，本文提出了一種三端口直流斷路器拓?fù)?。通過集成化設(shè)計，該拓?fù)淇蓪㈦娏﹄娮悠骷臄?shù)量減少一半，同時仍然保留終端在一個端口被切斷時繼續(xù)運行的能力。
2 直流斷路器
混合直流斷路器的一種經(jīng)典拓?fù)淙鐖D1所示。其中正方形是一個電力電子(Power Electronic，PE)單元，由兩個反向串聯(lián)的IGBT組成，它能夠?qū)崿F(xiàn)雙向開斷。斷路器由上支路、下支路和一個限流電感組成。作為保護(hù)裝置的RCD緩沖電路和浪涌放電器與兩個支路并聯(lián)，并未在圖1中標(biāo)出。上支路是主傳導(dǎo)(Main Conduction，MC)支路，包含一個隔離開關(guān)T和負(fù)載換向開關(guān)LCS。在正常運行時，電流經(jīng)由MC支路流通。下支路是主分?jǐn)?Main Breaker，MB)支路，由n個PE單元串聯(lián)而成。短路電流就在下支路中斷，兩個支路中串聯(lián)的電感LCL用于限制過電流。
圖1 混合直流斷路器拓?fù)銯ig.1 Hybrid circuit breaker topology
當(dāng)在一個終端檢測到故障時，MB支路的PE單元將導(dǎo)通，再將LCS關(guān)閉以強(qiáng)制故障電流完全換向到MB支路，然后斷開隔離開關(guān)T以確保LCS故障部分完全分離，并且在之后的故障中斷中不會遭受過電壓。在LCS被安全隔離后，MB支路的PE單元同時關(guān)閉以中斷故障電流。當(dāng)故障電流衰減到零時，直流母線電壓uDC將在MB支路的PE單元中平均分配，使PE單元的IGBT不會處于過壓危險。
在如圖2所示的多端直流系統(tǒng)中，同一端子通常會有三個或更多個混合斷路器。圖2虛線框中的電路在圖3中詳細(xì)示出，它可以被視為一個三端口斷路器。由圖3可知，單獨的MB支路具有較多的電力電子組件，在實際應(yīng)用過程中會出現(xiàn)體積龐大和價格昂貴等問題。為了解決這些問題，本文提出了一種能夠?qū)B支路中的組件數(shù)量減少一半的拓?fù)?，?節(jié)將詳細(xì)介紹其電路結(jié)構(gòu)和工作原理。
圖3 同一端的混合斷路器Fig.3 Hybrid circuit breakers at one terminal
3 三端口直流斷路器拓?fù)?/h2>3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
為了將同一端子的三個斷路器集成到單個三端口斷路器中，首先需將三個MB支路的端子側(cè)與它們各自的MC支路斷開，并將它們連接在一起形成單獨的端子N0，如圖4(a)所示。當(dāng)端口1發(fā)生故障時，CB1能夠在CB1和CB2的兩個MB支路配合下關(guān)斷，每個MB支路的PE數(shù)量可以減少0.5n，如圖4(b)所示。又由于MB支路并有緩沖電容，因此會有電流流過CB3的MB支路，這將導(dǎo)致故障過電壓在CB1和CB2的MB支路不均勻地分布。因此，可以在每個MB支路都串聯(lián)一個隔離開關(guān)TS，以確保可以均等分配過電壓，如圖4(c)所示。通過上述調(diào)整，可得到一種三端口斷路器，最終的等效電路如圖4(d)所示。拓?fù)涓倪M(jìn)前后所需元件數(shù)量比較見表1。
圖4 三端口直流斷路器拓?fù)溲葑冞^程Fig.4 Derivation of topology for three-port DC circuit breaker
表1 拓?fù)涓倪M(jìn)前后所需元件數(shù)量比較Tab.1 Comparison of number of components required before and after topology improvement
從表1可知，改進(jìn)后的拓?fù)浔雀倪M(jìn)前的拓?fù)錅p少了一半的PE單元，這有助于斷路器體積的減小和成本的降低。
3.2 斷路器故障中斷策略
當(dāng)端口1發(fā)生故障時，等效電路如圖5所示。故障電流將從端口2和端口3流向端口1。為了防止故障危及整個系統(tǒng)，必須關(guān)斷端口1的MC支路，使故障中斷。故障中斷過程可以分為三個階段，每個階段涉及的電壓和電流的示意波形如圖6所示。
從數(shù)年前開始，盛京醫(yī)院雷打不動，于每月第四個周三下午，組織召開星級科室評比會。在多科室評比中，護(hù)理團(tuán)隊取得的成績一直名列前茅?！懊看潍@得星級評價都有護(hù)士。醫(yī)院電視臺《盛京TV》每月均有護(hù)士作為服務(wù)明星亮相熒屏。通過樹立模范典型，不僅營造了創(chuàng)先爭優(yōu)的氣氛，也給護(hù)理團(tuán)隊爭得了榮光?！?/p>
圖5 三端直流斷路器端口1發(fā)生故障時拓?fù)銯ig.5 Topology of fault inception at port 1 of proposed three-port DC circuit breaker
圖6 故障中斷期間波形圖Fig.6 Schematic waveforms during fault interruption
(1)階段一(t1
圖7 故障中斷階段一拓?fù)銯ig.7 Topology of fault interruption step one
(2)階段二(t2iMB1↑+iMC1↓=ip1=ip2+ip3
(1)
式中，iMB1、iMC1分別為MB1、 MC1支路的電流(A)；ip1、ip2、ip3分別為端口1、端口2、端口3的電流(A)。
圖8 故障中斷階段二拓?fù)銯ig.8 Topology of fault interruption step two
iMC1的值減小，而iMB1增加，當(dāng)iMC1達(dá)到零時，隔離開關(guān)T1斷開，將LCS1與電路隔離，避免在電流中斷時LCS1兩端產(chǎn)生過電壓。
(3)階段三(t3(2)
式中，uMB12為MB1和MB2串聯(lián)支路兩端的電壓(V)；n為PE單元的個數(shù)；uPE為單個PE單元的電壓(V)；uDC為直流母線電壓(V)；λ為端口到短路故障點的長度(m)；L為單位長度的電感值(H/m)；LCL1為端口1的限流電感值(H)；ip1為端口1的電流(A)；t為時間(s)；R為單位長度的電阻值(Ω/m)。
圖9 故障中斷階段三拓?fù)銯ig.9 Topology of fault interruption step three
圖10 故障中斷階段三等效電路Fig.10 Equivalent circuit for step three: current interruption
每個MB支路都并聯(lián)了RCD緩沖器和避雷器，可以吸收部分短路電流和限制過電壓。當(dāng)階段三完成(iMC1=ip1=0)時，故障電流將衰減到零，故障端口則從系統(tǒng)隔離出去。直流母線電壓將在兩個MB支路平均分配。
4 仿真驗證
本文所提出的三端口直流斷路器可用于中低壓直流系統(tǒng)。端口1和端口2分別接50Ω電阻，作為負(fù)載端，端口3接100kV直流電源，作為電源端。端口1在t=0.3995s時刻發(fā)生短路故障，在t=0.4s時，MB1和MB2支路導(dǎo)通，LCS1在0.01ms后關(guān)斷。故障電流從MC1支路換流至MB1和MB2支路，同時又有電流從MC2和MC3支路流過。在電流換向之后，故障電流會在MB1和MB2支路被中斷。仿真參數(shù)見表2。
表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters
各支路的電流波形如圖11和圖12所示。MC1支路在短路故障發(fā)生后被迅速切斷，因此，電流的峰值較小。故障電流從MC1支路換流至MB1和MB2支路，因此，MB1和MB2支路的故障電流先增大后被關(guān)斷為零。
圖11 iMC1、iMC2和iMC3波形Fig.11 Waveforms of iMC1, iMC2 and iMC3
圖12 iMB1和iMB2波形Fig.12 Waveforms of iMB1 and iMB2
MB1和MB2支路的電壓波形如圖13所示。在故障中斷的過程中，MB1和MB2支路分別出現(xiàn)了80kV的過電壓，之后便震蕩下降，直至穩(wěn)定在50kV，即兩條MB支路對電源電壓進(jìn)行分壓。
圖13 uMB1和uMB2波形Fig.13 Waveforms of uMB1 and uMB2
ip1、ip2和ip3波形如圖14所示。從圖14可以看出，在故障中斷之后，端口1處的電流衰減到零；端口2的電流有一定的波動，但未受較大的影響，在短路故障發(fā)生和結(jié)束時都可正常工作；端口3作為電源端，輸出的電流是端口1與端口2電源的總和，當(dāng)端口1被切除后，其輸出的電流與端口2的電流相同。
圖14 ip1、ip2和ip3波形Fig.14 Waveforms of ip1, ip2 and ip3
5 實驗結(jié)果
本實驗中每一條MB支路分別有2個用于關(guān)斷短路電流的IGBT。當(dāng)故障發(fā)生，兩條MB支路導(dǎo)通后，會有4個IGBT同時用于中斷短路電流。端口3作為供電端，與200V直流源相連，端口1和端口2作為負(fù)載端，分別與30Ω的電阻相連，端口1是發(fā)生短路故障的端口。實驗參數(shù)見表3。
表3 實驗參數(shù)
圖15為MC1支路的電流和電壓波形。當(dāng)端口1發(fā)生短路故障后，短路電流迅速上升，在0.2ms后，短路電流被換流至MB1和MB2支路，MC1支路被關(guān)斷。因此，短路電流在MC1支路中產(chǎn)生較小。
圖15 uMC1和iMC1波形Fig.15 Waveforms of uMC1 and iMC1
圖16和圖17為MB支路的電流波形和PE單元的電壓波形?？梢钥闯?，短路電流被換流至MB支路后繼續(xù)增大，0.2ms后被中斷為零；短路故障中斷后，單個PE單元的分壓為50V，兩個PE單元的分壓為100V，這與理論相符。
圖16 iMB和uPE波形Fig.16 Waveforms of iMB and uPE
圖17 iMB和u2PE波形Fig.17 Waveforms of iMB and u2PE
圖18～圖20為三個端口的電流波形和整個MB支路的電壓波形。端口1發(fā)生短路故障后，短路電流被中斷，端口電流震蕩后變?yōu)榱?；端?未發(fā)生故障，端口電流在故障中斷過程的1ms內(nèi)有些許波動，之后保持穩(wěn)定；端口3在故障中斷時電流震蕩，之后穩(wěn)定輸出電流，其電流值與端口2的電流值相等。
圖18 ip1和uMB波形Fig.18 Waveforms of ip1 and uMB
圖19 ip2和uMB波形Fig.19 Waveforms of ip2 and uMB
圖20 ip3和uMB波形Fig.20 Waveforms of ip3 and uMB
6 結(jié)論
本文提出了一種可應(yīng)用于多端直流系統(tǒng)的三端口直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)渫ㄟ^在一個端子處集成混合電路斷路器，能夠?qū)㈦娏﹄娮悠骷氖褂脭?shù)量減少一半，大大減小了斷路器的尺寸和成本。通過仿真和實驗驗證了該拓?fù)渑c故障中斷策略的有效性。在后面的工作中，將重點研究n端斷路器的拓?fù)溲葑円?guī)律，提出多端故障情況下的故障中斷控制策略。
參考文獻(xiàn)(References)：
[1] Beerten J, D’Arco S, Suul J A. Identification and small-signal analysis of interaction modes in VSC MTDC systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(2): 888-897.
[2] 吳俊勇，裴叢仙子，邊國潮(Wu Junyong, Pei Congxianzi, Bian Guochao).光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)中柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的優(yōu)化運行控制策略研究(Study on control strategy for optimum operation of soft normally-open points (SNOPs) in distribution network with PV generation)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2017，36(9):20-28.
[3] Li R, Xu L, Yao L. DC fault detection and location in meshed multiterminal HVDC systems based on DC reactor voltage change rate[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2017, 32(3): 1516-1526.
[4] 牛耕，孔力，周龍，等(Niu Geng, Kong Li, Zhou Long, et al.).含分布式電源的配電網(wǎng)的供電恢復(fù)技術(shù)研究綜述(Review of power service restoration of distribution network with distributed generation)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2017，36(9): 51-62.
[5] 楊麗君, 魏玲玲, 盧志剛，等(Yang Lijun, Wei Lingling, Lu Zhigang, et al.).考慮可中斷負(fù)荷的配電網(wǎng)分區(qū)動態(tài)故障恢復(fù)(Fault partition dynamic recovery strategy for distribution network considering interruptible loads)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2016, 35(8): 73-80.
[6] Shukla A, Demetriades G D. A survey on hybrid circuit-breaker topologies[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 30(2): 627-641.
[7] 羅永捷，李耀華，李子欣，等(Luo Yongjie, Li Yaohua, Li Zixin, et al.).多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障保護(hù)策略(DC short-circuit fault protection strategy of multi-terminal HVDC systems)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(12): 1-6.
[8] Liu W, Yang H, Liu F, et al. An improved RCD snubber for solid-state circuit breaker protection against bus fault in low-voltage DC microgrid[A]. 2015 IEEE 2nd International Future Energy Electronics Conference (IFEEC) [C]. 2015. 1-5.
[9] Bachmann B, Mauthe G, Ruoss E, et al. Development of a 500kV airblast HVDC circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1985, PAS-104 (9): 2460-2466.
[10] Li R, Wang Z X, Holliday D, et al. DC circuit breaker requirements in multi-terminal HVDC systems[A]. 8th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives [C]. 2016. 1-6.
[11] Tahata K, Uda R, Kuroda K, et al. Mitigation on requirement of DCCB by DC reactor for multi-terminal HVDC operation[A]. 12th IET International Conference on AC and DC Power Transmission[C]. 2016. 1-6.
[12] Hassanpoor A, H?fner J, Jacobson B. Technical assessment of load commutation switch in hybrid HVDC breaker[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(10):5393-5400.
[13] Zheng S, Wang Y, Wu X, et al. The voltage sharing of commercial IGBTs in series with passive components[A]. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition[C]. 2011. 3008-3012.
[14] Monadi M, Koch-Ciobotaru C, Luna A, et al. A protection strategy for fault detection and location for multi-terminal MVDC distribution systems with renewable energy systems[A]. International Conference on Renewable Energy Research and Application[C]. 2014. 496-501.
[15] 杜少飛, 謝文超, 朱永強(qiáng)，等(Du Shaofei, Xie Wenchao, Zhu Yongqiang, et al.).并網(wǎng)型直流微電網(wǎng)主動協(xié)調(diào)控制方法研究(Research on active coordination control method for grid-connected DC microgrid)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2017, 36(6): 30-38.
[16] Mokhberdoran A, Van Hertem D, Silva N, et al. Multiport hybrid HVDC circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(1): 309-320.
猜你喜歡
一種端口故障的解決方案科學(xué)家(2021年24期)2021-04-25 13:25:34 基于限流可行方案邊界集的最優(yōu)支路投切能源工程(2020年6期)2021-01-26 00:55:22 端口阻塞與優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò)安全和信息化(2017年6期)2017-11-23 08:36:18 跟蹤導(dǎo)練（二）（5）時代英語·高二(2017年4期)2017-08-11 11:54:16 千里移防，衛(wèi)勤保障不中斷解放軍健康(2017年5期)2017-08-01 06:27:44 多支路兩跳PF協(xié)作系統(tǒng)的誤碼性能電信科學(xué)(2016年9期)2016-06-15 20:27:30 利用支路參數(shù)的狀態(tài)估計法辨識拓?fù)溴e誤電測與儀表(2016年13期)2016-04-11 11:21:20 初識電腦端口電腦迷(2015年6期)2015-05-30 08:52:42 生成樹協(xié)議實例探討職業(yè)·中旬(2015年4期)2015-05-30 05:54:49 多并聯(lián)支路型可控電抗器短路電抗對支路電抗和電流的影響電工技術(shù)學(xué)報(2014年7期)2014-11-15 05:53:48
陳 超， 劉文君， 俞天毅， 劉 飛， 查曉明
(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072)
1 引言
多端和網(wǎng)狀形式正逐漸地被考慮應(yīng)用于直流系統(tǒng)[1,2]。對于多端直流系統(tǒng)，在故障發(fā)生時，應(yīng)該快速有效地隔離故障部分，使系統(tǒng)的正常部分能夠保持穩(wěn)定的直流電壓繼續(xù)運行[3-5]。
機(jī)械斷路器(Circuit Breaker，CB)廣泛應(yīng)用于交流系統(tǒng)，其在閉合狀態(tài)下具有低電阻的特點，并且在關(guān)斷時可以實現(xiàn)電流隔離的作用[6,7]。然而，它用于直流系統(tǒng)時存在著滅弧困難的問題，因為直流電流沒有過零點[8]。為了使其應(yīng)用于直流系統(tǒng)，必須增加額外的電路來產(chǎn)生電流過零點[6]或者采用其他熄滅直流電弧的方法[9]。固態(tài)斷路器使用的是電力電子器件，它可以避免直流電弧這一問題[10,11]。然而，電力電子器件在運行時產(chǎn)生的大量損耗使其不適合直接用于多端直流系統(tǒng)[10]?；旌蠑嗦菲饔筛綦x開關(guān)和電力電子設(shè)備組合而成，它能夠快速中斷故障電流并隔離故障部分以進(jìn)行故障保護(hù)，同時在正常運行期間保持較低的導(dǎo)通損耗。
為了解決這些問題，提出了多端口斷路器。文獻(xiàn)[16]提出了一種多端口斷路器拓?fù)?，將多個斷路器集成于一個，該拓?fù)淇蓽p少IGBT的使用數(shù)量，但是對端口的使用有一定限制且無法實現(xiàn)能量的雙向流動，并且未給出實驗驗證。
基于以上考慮，本文提出了一種三端口直流斷路器拓?fù)?。通過集成化設(shè)計，該拓?fù)淇蓪㈦娏﹄娮悠骷臄?shù)量減少一半，同時仍然保留終端在一個端口被切斷時繼續(xù)運行的能力。
2 直流斷路器
混合直流斷路器的一種經(jīng)典拓?fù)淙鐖D1所示。其中正方形是一個電力電子(Power Electronic，PE)單元，由兩個反向串聯(lián)的IGBT組成，它能夠?qū)崿F(xiàn)雙向開斷。斷路器由上支路、下支路和一個限流電感組成。作為保護(hù)裝置的RCD緩沖電路和浪涌放電器與兩個支路并聯(lián)，并未在圖1中標(biāo)出。上支路是主傳導(dǎo)(Main Conduction，MC)支路，包含一個隔離開關(guān)T和負(fù)載換向開關(guān)LCS。在正常運行時，電流經(jīng)由MC支路流通。下支路是主分?jǐn)?Main Breaker，MB)支路，由n個PE單元串聯(lián)而成。短路電流就在下支路中斷，兩個支路中串聯(lián)的電感LCL用于限制過電流。
圖1 混合直流斷路器拓?fù)銯ig.1 Hybrid circuit breaker topology
當(dāng)在一個終端檢測到故障時，MB支路的PE單元將導(dǎo)通，再將LCS關(guān)閉以強(qiáng)制故障電流完全換向到MB支路，然后斷開隔離開關(guān)T以確保LCS故障部分完全分離，并且在之后的故障中斷中不會遭受過電壓。在LCS被安全隔離后，MB支路的PE單元同時關(guān)閉以中斷故障電流。當(dāng)故障電流衰減到零時，直流母線電壓uDC將在MB支路的PE單元中平均分配，使PE單元的IGBT不會處于過壓危險。
在如圖2所示的多端直流系統(tǒng)中，同一端子通常會有三個或更多個混合斷路器。圖2虛線框中的電路在圖3中詳細(xì)示出，它可以被視為一個三端口斷路器。由圖3可知，單獨的MB支路具有較多的電力電子組件，在實際應(yīng)用過程中會出現(xiàn)體積龐大和價格昂貴等問題。為了解決這些問題，本文提出了一種能夠?qū)B支路中的組件數(shù)量減少一半的拓?fù)?，?節(jié)將詳細(xì)介紹其電路結(jié)構(gòu)和工作原理。
圖3 同一端的混合斷路器Fig.3 Hybrid circuit breakers at one terminal
3 三端口直流斷路器拓?fù)?/h2>3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
為了將同一端子的三個斷路器集成到單個三端口斷路器中，首先需將三個MB支路的端子側(cè)與它們各自的MC支路斷開，并將它們連接在一起形成單獨的端子N0，如圖4(a)所示。當(dāng)端口1發(fā)生故障時，CB1能夠在CB1和CB2的兩個MB支路配合下關(guān)斷，每個MB支路的PE數(shù)量可以減少0.5n，如圖4(b)所示。又由于MB支路并有緩沖電容，因此會有電流流過CB3的MB支路，這將導(dǎo)致故障過電壓在CB1和CB2的MB支路不均勻地分布。因此，可以在每個MB支路都串聯(lián)一個隔離開關(guān)TS，以確保可以均等分配過電壓，如圖4(c)所示。通過上述調(diào)整，可得到一種三端口斷路器，最終的等效電路如圖4(d)所示。拓?fù)涓倪M(jìn)前后所需元件數(shù)量比較見表1。
圖4 三端口直流斷路器拓?fù)溲葑冞^程Fig.4 Derivation of topology for three-port DC circuit breaker
表1 拓?fù)涓倪M(jìn)前后所需元件數(shù)量比較Tab.1 Comparison of number of components required before and after topology improvement
從表1可知，改進(jìn)后的拓?fù)浔雀倪M(jìn)前的拓?fù)錅p少了一半的PE單元，這有助于斷路器體積的減小和成本的降低。
3.2 斷路器故障中斷策略
當(dāng)端口1發(fā)生故障時，等效電路如圖5所示。故障電流將從端口2和端口3流向端口1。為了防止故障危及整個系統(tǒng)，必須關(guān)斷端口1的MC支路，使故障中斷。故障中斷過程可以分為三個階段，每個階段涉及的電壓和電流的示意波形如圖6所示。
從數(shù)年前開始，盛京醫(yī)院雷打不動，于每月第四個周三下午，組織召開星級科室評比會。在多科室評比中，護(hù)理團(tuán)隊取得的成績一直名列前茅?！懊看潍@得星級評價都有護(hù)士。醫(yī)院電視臺《盛京TV》每月均有護(hù)士作為服務(wù)明星亮相熒屏。通過樹立模范典型，不僅營造了創(chuàng)先爭優(yōu)的氣氛，也給護(hù)理團(tuán)隊爭得了榮光?！?/p>
圖5 三端直流斷路器端口1發(fā)生故障時拓?fù)銯ig.5 Topology of fault inception at port 1 of proposed three-port DC circuit breaker
圖6 故障中斷期間波形圖Fig.6 Schematic waveforms during fault interruption
(1)階段一(t1 圖7 故障中斷階段一拓?fù)銯ig.7 Topology of fault interruption step one (2)階段二(t2 iMB1↑+iMC1↓=ip1=ip2+ip3 (1) 式中，iMB1、iMC1分別為MB1、 MC1支路的電流(A)；ip1、ip2、ip3分別為端口1、端口2、端口3的電流(A)。 圖8 故障中斷階段二拓?fù)銯ig.8 Topology of fault interruption step two iMC1的值減小，而iMB1增加，當(dāng)iMC1達(dá)到零時，隔離開關(guān)T1斷開，將LCS1與電路隔離，避免在電流中斷時LCS1兩端產(chǎn)生過電壓。 (3)階段三(t3 (2) 式中，uMB12為MB1和MB2串聯(lián)支路兩端的電壓(V)；n為PE單元的個數(shù)；uPE為單個PE單元的電壓(V)；uDC為直流母線電壓(V)；λ為端口到短路故障點的長度(m)；L為單位長度的電感值(H/m)；LCL1為端口1的限流電感值(H)；ip1為端口1的電流(A)；t為時間(s)；R為單位長度的電阻值(Ω/m)。 圖9 故障中斷階段三拓?fù)銯ig.9 Topology of fault interruption step three 圖10 故障中斷階段三等效電路Fig.10 Equivalent circuit for step three: current interruption 每個MB支路都并聯(lián)了RCD緩沖器和避雷器，可以吸收部分短路電流和限制過電壓。當(dāng)階段三完成(iMC1=ip1=0)時，故障電流將衰減到零，故障端口則從系統(tǒng)隔離出去。直流母線電壓將在兩個MB支路平均分配。 本文所提出的三端口直流斷路器可用于中低壓直流系統(tǒng)。端口1和端口2分別接50Ω電阻，作為負(fù)載端，端口3接100kV直流電源，作為電源端。端口1在t=0.3995s時刻發(fā)生短路故障，在t=0.4s時，MB1和MB2支路導(dǎo)通，LCS1在0.01ms后關(guān)斷。故障電流從MC1支路換流至MB1和MB2支路，同時又有電流從MC2和MC3支路流過。在電流換向之后，故障電流會在MB1和MB2支路被中斷。仿真參數(shù)見表2。 表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters 各支路的電流波形如圖11和圖12所示。MC1支路在短路故障發(fā)生后被迅速切斷，因此，電流的峰值較小。故障電流從MC1支路換流至MB1和MB2支路，因此，MB1和MB2支路的故障電流先增大后被關(guān)斷為零。 圖11 iMC1、iMC2和iMC3波形Fig.11 Waveforms of iMC1, iMC2 and iMC3 圖12 iMB1和iMB2波形Fig.12 Waveforms of iMB1 and iMB2 MB1和MB2支路的電壓波形如圖13所示。在故障中斷的過程中，MB1和MB2支路分別出現(xiàn)了80kV的過電壓，之后便震蕩下降，直至穩(wěn)定在50kV，即兩條MB支路對電源電壓進(jìn)行分壓。 圖13 uMB1和uMB2波形Fig.13 Waveforms of uMB1 and uMB2 ip1、ip2和ip3波形如圖14所示。從圖14可以看出，在故障中斷之后，端口1處的電流衰減到零；端口2的電流有一定的波動，但未受較大的影響，在短路故障發(fā)生和結(jié)束時都可正常工作；端口3作為電源端，輸出的電流是端口1與端口2電源的總和，當(dāng)端口1被切除后，其輸出的電流與端口2的電流相同。 圖14 ip1、ip2和ip3波形Fig.14 Waveforms of ip1, ip2 and ip3 本實驗中每一條MB支路分別有2個用于關(guān)斷短路電流的IGBT。當(dāng)故障發(fā)生，兩條MB支路導(dǎo)通后，會有4個IGBT同時用于中斷短路電流。端口3作為供電端，與200V直流源相連，端口1和端口2作為負(fù)載端，分別與30Ω的電阻相連，端口1是發(fā)生短路故障的端口。實驗參數(shù)見表3。 表3 實驗參數(shù) 圖15為MC1支路的電流和電壓波形。當(dāng)端口1發(fā)生短路故障后，短路電流迅速上升，在0.2ms后，短路電流被換流至MB1和MB2支路，MC1支路被關(guān)斷。因此，短路電流在MC1支路中產(chǎn)生較小。 圖15 uMC1和iMC1波形Fig.15 Waveforms of uMC1 and iMC1 圖16和圖17為MB支路的電流波形和PE單元的電壓波形?？梢钥闯?，短路電流被換流至MB支路后繼續(xù)增大，0.2ms后被中斷為零；短路故障中斷后，單個PE單元的分壓為50V，兩個PE單元的分壓為100V，這與理論相符。 圖16 iMB和uPE波形Fig.16 Waveforms of iMB and uPE 圖17 iMB和u2PE波形Fig.17 Waveforms of iMB and u2PE 圖18～圖20為三個端口的電流波形和整個MB支路的電壓波形。端口1發(fā)生短路故障后，短路電流被中斷，端口電流震蕩后變?yōu)榱?；端?未發(fā)生故障，端口電流在故障中斷過程的1ms內(nèi)有些許波動，之后保持穩(wěn)定；端口3在故障中斷時電流震蕩，之后穩(wěn)定輸出電流，其電流值與端口2的電流值相等。 圖18 ip1和uMB波形Fig.18 Waveforms of ip1 and uMB 圖19 ip2和uMB波形Fig.19 Waveforms of ip2 and uMB 圖20 ip3和uMB波形Fig.20 Waveforms of ip3 and uMB 本文提出了一種可應(yīng)用于多端直流系統(tǒng)的三端口直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)渫ㄟ^在一個端子處集成混合電路斷路器，能夠?qū)㈦娏﹄娮悠骷氖褂脭?shù)量減少一半，大大減小了斷路器的尺寸和成本。通過仿真和實驗驗證了該拓?fù)渑c故障中斷策略的有效性。在后面的工作中，將重點研究n端斷路器的拓?fù)溲葑円?guī)律，提出多端故障情況下的故障中斷控制策略。 參考文獻(xiàn)(References)： [1] Beerten J, D’Arco S, Suul J A. Identification and small-signal analysis of interaction modes in VSC MTDC systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(2): 888-897. [2] 吳俊勇，裴叢仙子，邊國潮(Wu Junyong, Pei Congxianzi, Bian Guochao).光伏并網(wǎng)配電網(wǎng)中柔性環(huán)網(wǎng)開關(guān)的優(yōu)化運行控制策略研究(Study on control strategy for optimum operation of soft normally-open points (SNOPs) in distribution network with PV generation)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2017，36(9):20-28. [3] Li R, Xu L, Yao L. DC fault detection and location in meshed multiterminal HVDC systems based on DC reactor voltage change rate[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2017, 32(3): 1516-1526. [4] 牛耕，孔力，周龍，等(Niu Geng, Kong Li, Zhou Long, et al.).含分布式電源的配電網(wǎng)的供電恢復(fù)技術(shù)研究綜述(Review of power service restoration of distribution network with distributed generation)[J].電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2017，36(9): 51-62. [5] 楊麗君, 魏玲玲, 盧志剛，等(Yang Lijun, Wei Lingling, Lu Zhigang, et al.).考慮可中斷負(fù)荷的配電網(wǎng)分區(qū)動態(tài)故障恢復(fù)(Fault partition dynamic recovery strategy for distribution network considering interruptible loads)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2016, 35(8): 73-80. [6] Shukla A, Demetriades G D. A survey on hybrid circuit-breaker topologies[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 30(2): 627-641. [7] 羅永捷，李耀華，李子欣，等(Luo Yongjie, Li Yaohua, Li Zixin, et al.).多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障保護(hù)策略(DC short-circuit fault protection strategy of multi-terminal HVDC systems)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(12): 1-6. [8] Liu W, Yang H, Liu F, et al. An improved RCD snubber for solid-state circuit breaker protection against bus fault in low-voltage DC microgrid[A]. 2015 IEEE 2nd International Future Energy Electronics Conference (IFEEC) [C]. 2015. 1-5. [9] Bachmann B, Mauthe G, Ruoss E, et al. Development of a 500kV airblast HVDC circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1985, PAS-104 (9): 2460-2466. [10] Li R, Wang Z X, Holliday D, et al. DC circuit breaker requirements in multi-terminal HVDC systems[A]. 8th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives [C]. 2016. 1-6. [11] Tahata K, Uda R, Kuroda K, et al. Mitigation on requirement of DCCB by DC reactor for multi-terminal HVDC operation[A]. 12th IET International Conference on AC and DC Power Transmission[C]. 2016. 1-6. [12] Hassanpoor A, H?fner J, Jacobson B. Technical assessment of load commutation switch in hybrid HVDC breaker[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(10):5393-5400. [13] Zheng S, Wang Y, Wu X, et al. The voltage sharing of commercial IGBTs in series with passive components[A]. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition[C]. 2011. 3008-3012. [14] Monadi M, Koch-Ciobotaru C, Luna A, et al. A protection strategy for fault detection and location for multi-terminal MVDC distribution systems with renewable energy systems[A]. International Conference on Renewable Energy Research and Application[C]. 2014. 496-501. [15] 杜少飛, 謝文超, 朱永強(qiáng)，等(Du Shaofei, Xie Wenchao, Zhu Yongqiang, et al.).并網(wǎng)型直流微電網(wǎng)主動協(xié)調(diào)控制方法研究(Research on active coordination control method for grid-connected DC microgrid)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2017, 36(6): 30-38. [16] Mokhberdoran A, Van Hertem D, Silva N, et al. Multiport hybrid HVDC circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(1): 309-320.4 仿真驗證
5 實驗結(jié)果
6 結(jié)論
猜你喜歡
科學(xué)家(2021年24期)2021-04-25 13:25:34能源工程(2020年6期)2021-01-26 00:55:22網(wǎng)絡(luò)安全和信息化(2017年6期)2017-11-23 08:36:18時代英語·高二(2017年4期)2017-08-11 11:54:16解放軍健康(2017年5期)2017-08-01 06:27:44電信科學(xué)(2016年9期)2016-06-15 20:27:30電測與儀表(2016年13期)2016-04-11 11:21:20電腦迷(2015年6期)2015-05-30 08:52:42職業(yè)·中旬(2015年4期)2015-05-30 05:54:49電工技術(shù)學(xué)報(2014年7期)2014-11-15 05:53:48
