隨著分布式電源和電動汽車等技術(shù)的發(fā)展,直流配電微網(wǎng)成為未來發(fā)展的趨勢與方向之一。目前直流微網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)、直流保護與控制系統(tǒng)等方面是國內(nèi)外研究的熱點。智能、快速、大容量的直流斷路器是直流微網(wǎng)的關(guān)鍵保護設(shè)備,對于直流微網(wǎng)的安全運行與控制起到至關(guān)重要的作用,適用于直流微網(wǎng)的直流斷路器的關(guān)鍵技術(shù)亟待研究�；旌鲜街绷鲾嗦菲鞑捎脵C械開關(guān)與電力電子開斷單元并聯(lián),實現(xiàn)優(yōu)勢互補,克服各自缺點,既利用了機械開關(guān)通流能力強、損耗小的優(yōu)點,又發(fā)揮了電力電子開斷單元合分閘速度快的優(yōu)勢,是未來微網(wǎng)直流保護開關(guān)的發(fā)展趨勢。本文旨在研究微網(wǎng)混合式直流斷路器的電流轉(zhuǎn)移理論與應(yīng)用,為智能、快速、大容量微網(wǎng)直流斷路器的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和應(yīng)用支撐,保障直流微網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。首先分析了國內(nèi)外混合式直流斷路器的研究現(xiàn)狀,提出了微網(wǎng)混合式直流斷路器的總體結(jié)構(gòu)和硬件組成原理�；贛ayr模型和縱磁真空開關(guān)電弧電壓伏安特性,得到了電流轉(zhuǎn)移用快速真空開關(guān)的電弧模型。根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)參數(shù),建立了 IGBTs和避雷器的仿真分析模型,得到了 RCD緩沖電路參數(shù)模型。搭建混合式直流斷路器的仿真模型,理論分析了混合式直流斷路器的合分閘過程,重點研究了開斷過程中的電流轉(zhuǎn)移特性,得到電流轉(zhuǎn)移特性是影響斷路器開斷性能的重要因素這一結(jié)論。隨后搭建了小電流和大電流模擬直流電流轉(zhuǎn)移特性的試驗平臺,對電流從真空開關(guān)向IGBTs開斷單元轉(zhuǎn)移階段和從IGBTs開斷單元向RCD電路轉(zhuǎn)移階段的轉(zhuǎn)移時間、電流大小等轉(zhuǎn)移特性進行了深入、細(xì)致的試驗研究。在大電流情況下,真空開關(guān)向IGBTs開斷單元轉(zhuǎn)移時間較長,成為限制整機開斷時間的主要因素。為此,基于透明真空滅弧室搭建了大電流轉(zhuǎn)移特性模擬試驗研究平臺,研究轉(zhuǎn)移電阻、橫向磁場、開斷電流等因素對轉(zhuǎn)移特性的影響。將轉(zhuǎn)移過程分為固有轉(zhuǎn)移過程和拖尾電流轉(zhuǎn)移過程,研究了橫向磁場對轉(zhuǎn)移特性的影響,推導(dǎo)得到大電流轉(zhuǎn)移判據(jù)與數(shù)學(xué)描述表達式,為大容量混合式直流斷路器的快速開斷提供了參考依據(jù)。在上述基礎(chǔ)理論研究的基礎(chǔ)上,提出了微網(wǎng)混合式直流斷路器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,基于快速斥力機構(gòu)與永磁保持裝置構(gòu)成了快速操動機構(gòu),研制了快速操動真空開關(guān)樣機。對IGBTs并聯(lián)均流、限壓吸能電路等進行了參數(shù)設(shè)計和選型。設(shè)計了混合式直流斷路器智能控制系統(tǒng),包括母線電壓與電流信號檢測采集單元、斷路器狀態(tài)檢測及故障判斷單元、快速斥力開關(guān)和電力電子開關(guān)的動作控制單元、與外部系統(tǒng)進行信息傳遞的遠(yuǎn)程通信單元,實現(xiàn)了整機的智能化監(jiān)測與操動,完成了 400V/3kA大容量微網(wǎng)混合式直流斷路器的樣機研制。最后搭建了大電流模擬直流開斷試驗電路,對樣機的機械性能、開斷性能等進行了整機測試,驗證了整機設(shè)計的有效性和可靠性。本文通過對混合式直流斷路器的電流轉(zhuǎn)移理論與應(yīng)用的研究,針對電流轉(zhuǎn)移特性的理論分析與實驗研究,得到了電流轉(zhuǎn)移特性的數(shù)學(xué)判據(jù),得到了其合分閘特性及其控制策略,為后期樣機研制奠定了基礎(chǔ)。最終研制的微網(wǎng)混合式直流斷路器樣機,分閘響應(yīng)時間0.6ms,開斷故障電流可在2.5ms內(nèi)完成,閉合時間為微秒級。整機滿足額定電壓400V,額定電流2400A,開斷電流3kA的直流斷路器用于直流微網(wǎng)保護和多端直流微網(wǎng)的要求,且對系統(tǒng)沖擊較小,為我國智能、快速、大容量混合式直流斷路器的工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM561
【部分圖文】：

根據(jù)電流轉(zhuǎn)移機理不同，可將電流轉(zhuǎn)移型直流斷路器分為兩類，分別是是無源換流逡逑型和有源換流型。通過電流轉(zhuǎn)移產(chǎn)生自激振蕩或強迫電流過零，為機械開關(guān)創(chuàng)造人工過逡逑零點，實現(xiàn)機械開關(guān)在電流過零點完成開斷［３７，３８］。圖１．５為有源型和自激振蕩型直流斷逡逑路器的電路原理圖。逡逑邐邐邐ｌｏｏ＾ｇ邐逡逑ｈ邐ｒ－邋ＺｎＯ邐ｃ邋Ｉ逡逑——＞邐［－ｙ－｝邐邋ｓｉ＾邐卞逡逑流回路逡逑ａ．＿＿％——＾邐ｉ逡逑ｒ逡逑Ｈ邋Ｃ｜｜邐‘逡逑（ａ）自激型直流斷路器邐（ｂ）有源型直流斷路器逡逑圖１．５傳統(tǒng)機械式直流斷路器原理圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ＤＣ邋ｃｉｒｃｕｉｔ邋ｂｒｅａｋｅｒ逡逑－６－逡逑

圖１．邋１０邋ＺＶＳ－ＨＤＧＣＢ分?jǐn)噙^程示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．１０邋Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ＺＶＳ－ＨＤＣＣＢ逡逑如圖１．１０所示，T刻發(fā)生短路故障時，ＺＶＳ型ＨＤＣＣＢ的控制系統(tǒng)向機械開關(guān)發(fā)逡逑送分閘動作信號，經(jīng)過分閘響應(yīng)時間＾機械開關(guān)內(nèi)觸頭分離，電弧開始燃燒，觸頭間建逡逑立有效的電弧電壓，電弧電壓作用下?lián)Q流支路被導(dǎo)通，電流逐漸向換流支路轉(zhuǎn)移，（２時逡逑刻換流過程結(jié)束，機械開關(guān)內(nèi)電流ｈ降低至零，電弧熄滅，隨后機械開關(guān)內(nèi)介質(zhì)強度迅逡逑速恢復(fù)，經(jīng)過短暫延時，待機械開關(guān)恢復(fù)一定耐壓水平，在／３時刻控制電力電子器件關(guān)逡逑斷，換流支路電流＾開始向限壓吸能支路轉(zhuǎn)移，此時直流斷路器兩端的恢復(fù)過電壓》迅逡逑速上升，換流支路的電流＆在／４時刻降低至零，屯流完全轉(zhuǎn)移至限壓吸能支路，此后限逡逑壓吸能支路逐漸耗散短路電流能量，將故障電流／’ｍｏｖ降低至零，ＨＤＣＣＢ完成故障電流逡逑分?jǐn)�。Ｗ�?

針對艦艇直流區(qū)域配電的快速保護需求，荷蘭Ｄｅｌｆｔ大學(xué)的Ｐｏｌｍａｎ等人基于ＩＧＢＴｓ逡逑和快速斥力開關(guān)設(shè)計了額定參數(shù)６００Ｖ／６ｋＡ，完全開斷時間〗．２ｍｓ的ＺＶＳ型ＨＤＣＣＢ［６３］，逡逑樣機的結(jié)構(gòu)和原理如圖１．１邋１所示。文獻［６０］對樣機ＩＧＢＴｓ的均流特性、開斷過程中恢復(fù)逡逑過電壓的抑制措施、樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計、樣機工作性能等問題開展研究，并通過試驗驗證了逡逑其設(shè)計方案的有效性。瑞士工業(yè)電子實驗室的Ｍｅｙｅｒ等人利用高速電磁斥力開關(guān)和逡逑ＩＧＣＴ，研制出應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域的１．５ｋＶ／４ｋＡＨＤＣＣＢ＿，該ＨＤＣＣＢ樣機的電路原逡逑理和結(jié)構(gòu)如圖］．１２所示。文獻［６１］針對快速斥力機構(gòu)的響應(yīng)特性開展研究，通過縮短其逡逑響應(yīng)時間來提升混合式直流斷路器的工作性能，其研制的快速斥力開關(guān)的固有延時約為逡逑１８０畔（開斷５ｋＡ短路電流），限流開斷短路電流的最大時間僅３００叫。逡逑Ｄ＾ｉ邋．邐，邋Ｔ．邋￣￣￣ｆｅ－ｉ逡逑／�。�，邋／ＭＯＶ邋＂邐／�。插濉卞义希裕殄澹阱澹儒澹郑簦插义希危樱螅龋撸镥义�，－Ｔ－＾——￣￣￣￣￣——逡逑Ｄ４邐ＭＣ邐Ｄ２

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