参数等效模型可以用于_华北电力大学 陈宁、齐磊 等：适用于柔性直流电网操作过电压分析的混合式高压直流断路器端口等效模型...

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本期精选

2020年第6期

适用于柔性直流电网操作过电压分析的混合式高压直流断路器端口等效模型 陈宁，齐磊，崔翔，魏晓光，陈龙龙 DOI：10.13336/j.10 03-6520.hve.20200615039浏览全文

研究背景

柔性直流电网中的高压直流断路器在分断时会产生较大的操作过电压，这是工程设计时换流站和线路绝缘配合的关键参数。计算操作过电压的常用方法是进行电磁暂态仿真，直流断路器模型是仿真的基础。根据调研，在文献中最常采用的直流断路器模型是详细模型或集成模型。这两种模型具有较高的仿真精度，但是在建模时必须知道断路器具体的内部组件结构和各元件参数。在柔性直流电网工程过电压与绝缘配合设计阶段，可能断路器也处于研制阶段，所以建模时无法得到准确的断路器内部参数，导致设计和研究人员很难准确建立上述两种模型。在这种情况下应考虑建立断路器的端口等效模型。但是目前直流断路器端口等效模型的电路结构与参数确定方法均存在不足，难以满足工程过电压与绝缘配合设计阶段的建模需要。为解决这一问题，本文提出了一种新的端口等效模型，并详细阐述了本文模型的结构、动作策略以及参数确定方法。

要点

本文针对主流的混合式高压直流断路器，提出了用于柔性直流电网操作过电压仿真的断路器端口等效模型，如图1所示。S₁、S₂为时控开关，断路器闭合时2 个开关也闭合。当断路器开始分断后，S₁的动作时刻为T₁，T₁约等于电网故障判断时间与断路器内部机械开关动作时间之和。S₂则在S₁分断后检测C_t支路电流i_t降为0时分断。C_t为电容，用于等效转移支路子模块中的电容，C_t可由断路器第2 次换流时间、断路器最大分断电流、断路器内避雷器残压计算得到。模型中用非线性电阻等效了耗能支路避雷器。

图1 本文提出的端口等效模型

在实验室开展了断路器的短路电流分断试验，并利用提出方法建立了试验断路器的仿真模型，仿真结果与试验结果如图2所示。对比图中本文模型仿真结果和试验结果可知，本文提出的建模方法在仿真直流断路器操作过电压时具有较高的仿真精度，过电压峰值误差最大仅为3.1%。此前研究中常用的详细模型仿真结果基本与试验结果基本吻合。

图2 仿真结果与试验结果对比

最后，利用张北柔性直流电网验证了本文模型在柔直电网仿真中的适用性。多次仿真中，本文模型仿真得到的过电压峰值与详细模型仿真结果最大仅相差3.3%。

图3不同模型对康保站母线电压的仿真结果对比

主要结论

1)针对3种主流的混合式直流断路器——二极管全桥型、整流型和IGBT串联型，本文提出了1种建模便利的端口等效模型，该模型仅用2个时控开关、1个电容和1个非线性电阻即还原了整台断路器的端口特性。 2)本文模型的1个突出优点是，在建模时不需要断路器内部结构参数，直接降低了工程在进行过电压与绝缘配合设计时的参数获取难度。 3)在实验室开展了500 kV直流断路器的短路电流分断试验和张北工程的仿真。试验和仿真结果均证明了本文建模方法的有效性。在所有试验与电网仿真中，本文模型仿真过电压时的最大误差仅为3.3%。因此本文模块可以较为准确地仿真直流断路器的操作过电压。

引文信息：

陈　宁，齐　磊，崔　翔，魏晓光，等. 适用于柔性直流电网操作过电压分析的混合式高压直流断路器端口等效模型[J]. 高电压技术，2020，46(6)：2175-2184

作者及团队介绍

齐磊，教授、博士生导师。现任华北电力大学电气与电子工程学院副院长，兼任中国电机工程学会电工理论与新技术专委会委员、秘书长。主要从事先进输电技术及装备、电力系统电磁兼容、电磁场理论及其应用等研究工作。先后主持国家智能电网技术与装备重点专项课题1项、国家自然科学基金项目3项、国家“973”与“863”子课题3项，以及国家电网公司、南方电网公司科技项目20余项。公开发表学术论文100余篇，被SCI/EI收录的学术论文90余篇，授权国家发明专利20余项。先后获得国家科学技术进步奖特等奖1项，省部级一等奖2项、二等奖2项，以及国家电网特高压直流输电示范工程重要贡献奖、中国电力优秀青年工程师奖。

陈宁，2019年在华北电力大学获得博士学位，研究方向为柔性直流系统过电压仿真与分析，现就职于国网能源研究院有限公司。新能源电力系统国家重点实验室先进输电团队介绍：团队紧密围绕大功率电力电子器件及其集成装备的自主研制开展应用基础研究。近5年，团队承担了智能电网联合基金重点项目1项、国家重点研发计划课题3项。通过与国内科研单位深度合作，攻克了压接型IGBT器件封装的多芯片并联均流、多物理场均衡调控、绝缘优化设计等难题，并应用于3.3 kV/1 500 A及3.3 kV/3 000 A压接型IGBT器件的自主研制；在先进输电装备方面，攻克了特高压直流换流阀百余支晶闸管与组件规模化串联的瞬态电压均衡，柔性直流换流阀紧凑化设计下电、磁、热等多物理场调控，以及直流断路器低感设计、电磁骚扰抑制、串联均压等难题，并应用于±800 kV/±1 100 kV直流换流阀、±320 kV/±500 kV/±800 kV柔性直流换流阀、±200 kV/±500 kV直流断路器的自主研制。作为第一完成单位获得省部级一等奖1项，作为参与单位获得国家科学技术进步特等奖1项、国家技术发明二等奖1项、省部级奖5项。

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