高压直流断路器是保障直流电网系统安全、稳定运行的关键设备之一。对机械式高压直流断路器、全固态高压直流断路器和混合式高压直流断路器的技术概况和国内外研究现状进行详细介绍,通过对比分析可知,混合式高压直流断路器结合了机械开关和电力电子器件两者的优点,动作时间快、通态损耗小、工作可靠性高,具有很重要的研究意义。提出一种基于全控型电力电子器件的混合式高压直流断路器拓扑结构,其结构主要包括限流电感、主通流支路、主分断支路、吸能支路及交流断路器。该拓扑方案采用对称结构,不仅能够实现电流的双向通断,而且减少器件数量,降低设备成本;主通流支路采用机械开关和IGBT开关串联,通流能力强,通态损耗低。分析该直流断路器短路分断原理和时序动作过程,对直流断路器的特征参数短路电流进行理论推导,并提出限流电感、主分断支路和避雷器参数设计原则。对主分断支路在分断短路电流过程中涉及的IGBT串联均压、并联均流技术进行研究,分析串联运行IGBT不均压、并联运行IGBT不均流原因。基于主分断支路IGBT处于低频开关状态的特性提出RCD缓冲电路均压措施,并针对RCD缓冲电路缓冲电容和关断时间矛盾的问题,提出改进式RCD缓冲均压电路;针对并联运行IGBT不均流问题提出栅极电阻补偿法。在仿真软件中进行建模仿真,验证该均压、均流措施的可行性。在仿真软件中,搭建带混合式高压直流断路器的两端高压直流输电系统等效模型,对比仿真分析限流电感、避雷器参数对直流断路器分断性能的影响,并对直流断路器短路工况下动作过程和电流转移过程进行仿真,验证前文理论。在实验室搭建了小功率的直流断路器原理样机,在低电压小电流条件下进行实验,验证直流断路器电流转移和能量吸收原理。仿真和实验结果表明,提出的混合式高压直流断路器不仅能有效切除短路故障,而且减少器件数量,降低成本,减小装置体积。
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