往复式高压直流断路器拓扑及其在直流电网中协调保护机理研究

It has been a big issue that the dc-side short-circuit fault should be cleared promptly and reliably in the overhead line (OHL) modular multilevel converter based dc grid. However, the state-of-the-art hybrid dc circuit breakers (DCCB) face the contradiction of the breaking time and breaking capacity, which ultimately transferred to the contradiction of the dc reactor capacity on the premium steady state operation and efficient transient fault current limiting. Therefore, this applicant proposes a novel reciprocating hybrid DCCB topology which can flexibly reconstructing the dc current limiting reactors, and thus the DCCB can switch among the operation modes of direct breaking, current limiting then breaking and current limiting then recover, further the contradiction of the dc reactor capacity is relieved. Beginning from the research achievements, this project will follow the regular procedure of theoretical investigation, scheme design, simulation analysis and prototype experimental tests, focusing on the solution of voltage source based DC grid transient stability boundary problems, revealing the reactor array in reciprocating hybrid DCCB reconstructed mechanism and the fault current spreading principle in DC grid and proposing a novel DCCB dominated coordination protection scheme.

架空线模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)型直流电网亟需解决严重直流故障的快速隔离和清除问题。然而，目前混合式高压直流断路器普遍存在着切断时间和切断容量之间的矛盾，并最终转化为直流电抗器容量对直流电网稳态优质运行及暂态高效限流之间的矛盾。为此，申请人提出具备限流电抗阵列灵活重构能力的往复式直流断路器拓扑，可以从原理上实现稳态低电抗和暂态高限流电抗的灵活切换，并且具备了直接切断、限流后切断和限流后恢复等多运行模式，可以从原理上有效缓解目前存在的直流电抗容量的矛盾。在已有研究基础上，本项目将通过理论研究、方案设计、仿真和实验验证的思路，重点解决电压源型直流电网的暂稳态边界问题，揭示往复式直流断路器的电抗阵列重构机理和直流电网故障电流传播演变机理，提出以新型直流断路器主导的直流电网协调保护方法。

针对混合式高压直流断路器切断时间与切断容量之间的矛盾，提出具备限流电抗阵列灵活重构能力的往复式高压直流断路器拓扑，该拓扑具有兼顾直流电网稳态优质运行及暂态高效限流的特点。因此研究往复式高压直流断路器的限流机理及其在直流电网中协调保护机理，能够为柔性直流电网的高效故障抑制与快速清除提供可行的理论依据和技术储备。.针对往复式高压直流断路器拓扑及其在直流电网中协调保护机理，开展了如下相关研究。分析了含平波电抗器与故障限流器电抗的柔性直流电网数学模型，提出了相应的柔性直流电网故障电流计算方法，揭示了关键的限流参数对柔性直流电网中故障传播规律的影响；提出了可实现稳态低电抗和暂态高电抗的灵活切换的往复式高压直流断路器拓扑及参数选取方法，设计了直接切断、限流后切断和限流后恢复等多运行模式及其相应阀段控制策略，揭示了不同控制方式下往复式高压直流断路器的限流机理，提出了低成本、低故障检测需求，低误操作概率的故障清除方案；研究了往复式高压直流断路器与具备故障清除能力的换流器协同抑制故障电流的配合方法，针对不同的故障类型，提出了故障后往复式高压直流断路器的故障恢复方法；在理论研究和仿真分析的基础上，为进一步验证往复式高压直流断路器的直流故障电流抑制与清除能力，研制了含往复式高压直流断路器的单端MMC物理实验平台。.项目为柔性直流电网的故障抑制与清除提供了理论研究基础，为高效低成本直流断路器的研制奠定理论基础。项目对柔性直流电网的稳态运行与暂态故障限流过程进行了较为全面的研究，揭示了限流电抗值对稳态运行与故障抑制的影响。所提出的往复式高压直流断路器，兼顾直流电网稳态运行、暂态高效限流与较高的经济性。所提出的往复式高压直流断路器与具备故障清除能力的换流器协同抑制故障电流的配合方法，也有很好的借鉴意义。项目取得的相关研究成果可为直流电网直流故障电流的清除提供有价值的理论指导和技术支撑。