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中国电机工程学报 2017年第04期杂志 文档列表

中国电机工程学报杂志直流开断技术

快速直流断路器研究现状与展望966-977

摘要：快速直流断路器是实现直流电网故障元件快速隔离、构建直流电网的关键设备。该文分析了直流电力系统对快速直流断路器的需求,对空气式直流断路器、直流固态断路器、混合型直流断路器（hybrid DC circuit breaker,HDCCB）的工作原理、优缺点和研究现状进行综述,最后对快速直流断路器研发中的关键问题进行了展望。

一种固态直流限流器拓扑结构978-985

摘要：高压直流输电是未来电网的发展方向,研究一种能够在直流系统故障时限制直流电流的装置,已经成为国内外研究的热点。该文提出一种固态直流限流器拓扑结构,它具有结构简单,采用的半导体器件少,成本低,效率高,工作可靠等优点。介绍了该结构的工作原理和控制模式,推导了其数学模型,最后通过仿真验证以及和其他方案的对比研究,证明了该固态直流限流器拓扑结构的性能。分析表明该拓扑结构不但限流效果较好,电抗器也没有直流偏磁饱和问题,并且电流小,频率高,工程实现起来比较容易,可广泛应用于直流输配电领域。

混合型快速直流开断的短时短间隙电弧现象986-996

摘要：随着轨道交通、船用电力系统等直流电力系统的迅猛发展,混合型快速直流开断成为了当前电气领域的热点问题。混合型快速直流开断过程中的燃弧有着较为鲜明的特点：短时短间隙。虽然这种短时短间隙电弧现象直接影响着混合型快速直流开断的成功与否,但是就查阅文献的情况来看,其研究还未成体系。该文就该问题进行总结。首先简要地对混合型直流快速开断的电气特性进行介绍,并通过高速摄像较为直观地呈现了短时短间隙电弧现象,在概要总结了开关空气电弧国内外研究进展的基础上,提出了适合于短时短间隙电弧建模及相关研究工作的技术途径建议,最后陈述了前期就短时短间隙电弧所进行的部分工作进展。

高压直流断路器快速限流控制997-1004

摘要：高压直流断路器能够隔离系统故障,使得直流电网在一条线路发生故障时无需闭锁所有换流站,不影响其他线路的正常运行,是构建直流电网的关键设备。一种具有限流控制功能的混合式高压直流断路器,能够在系统故障时将故障端电流维持在固定值周围,为系统其他控制策略的进行争取时间。该文首先分析了高压直流断路器的无弧分断和限流控制原理,随后提出一种快速限流控制方法,加快了高压直流断路器的分断以及避雷器的投入,降低了故障电流峰值大小,减少了限流过程中避雷器吸收总能量。最后,通过PSCAD/EMTDC仿真分析,验证了该控制方法的有效性。

直流真空断路器模块的机械联动特性仿真与实验研究1005-1011

摘要：基于电磁斥力永磁机构的直流真空断路器具有操作简单、分闸速度快等优点,在高压直流短路开断中起关键作用。通过有限元分析软件对这种直流真空断路器模块的机械联动动力学特性进行了仿真分析。根据仿真结果,调整了基于电磁斥力永磁机构的直流真空断路器模块样机,并对直流真空断路器模块的机械联动配合进行了测量。该模块进行了直流短路开断实验,成功开断了8.5kA的故障电流,电流下降率为50～240A/μs,验证了该直流真空断路器模块的机械联动可行性。

10kV自然换流型混合式直流断路器中真空电弧电流转移特性研究1012-1020

摘要：围绕应用于±10kV直流配电领域中的自然换流型混合式直流断路器的电弧电流转移特性展开研究。开断过程中,机械开关支路在没有辅助换流装置的情况下,需要在真空电弧电压的作用下实现电流向主关断支路的转移。文中建立了真空电弧电流转移的数学模型,确定了电弧电压、转移回路电感电阻参数、电力电子支路的导通压降是影响真空电弧电流转移的主要因素。实验方面首先对具有不同触头结构及材料的真空灭弧室进行了电弧电压测量,实验表明真空电弧电压可以同电力电子支路进行配合;在此基础上,采用IGBT作为电力电子支路开关,进行真空电弧电流向电力电子支路的转移实验,并研究了回路电感电阻参数对于转移特性的影响;最后,设计实现了10kV自然换流型混合式直流断路器,并对开断进行了实验：真空灭弧室电弧电流在1.5ms内完全转移到电力电子支路,关断电流3.6kA、关断过电压21.4kV,验证了该方案的可行性。

大电流真空电弧阳极熔蚀过程的热力学仿真研究1021-1027

摘要：在大电流真空电弧开断过程中,阳极现象对于能否成功开断具有重要影响。当电弧电流超过阈值时,阳极表面温度将超过材料熔点,从而在阳极局部形成熔池。阳极熔池中的液态金属蒸发出的金属蒸汽及喷溅出的液滴将极大的提高弧后击穿的概率,并可能造成开断失败。该文建立了大电流真空燃弧过程中阳极熔池的流体流动和传热模型,着重研究真空大电流电弧对于阳极表面的熔蚀、变形以及相应的温度分布的变化。模型考虑了从电弧等离子体到阳极表面的传热以及表面材料在热流作用下的相变过程,将磁流体仿真结果获得的热流密度和压力分布作为阳极熔池流动和传热的仿真的边界条件,并采用有限体积法仿真获得阳极表面破坏过程以及温度分布的变化规律。仿真结果给出了不同电流下的温度分布和由电弧引起的阳极表面破坏情况,发现考虑熔池中液态金属流动和变形的仿真模型所获得的表面温度分布更加均匀,解释了实验中触头表面温度的均匀分布现象,证明液态金属的流动是影响温度分布的重要因素。所获得模型更为准确地描述了大电流真空电弧作用下的阳极现象,为评估真空断路器的开断能力提供了理论依据。

新型直流固态限流断路器设计与分析1028-1036

摘要：采用功率半导体器件实现的固态断路器（solid state circuit breaker,SSCB）具有无弧、快速、精确的分断性能,应用前景十分广阔。该文在传统固态断路器基础上提出了一种基于集成门极换流晶闸管（integrated gate commutated thyristor,IGCT）和普通晶闸管（silicon controlled rectifier,SCR）的新型直流固态限流断路器（solid state current limiting circuit breaker,SSCLCB）技术方案,能显著减小小电流分断时间,改善主开关IGCT并联工作的可靠性,提高断路器功率等级,并完成了1500V/4000A断路器原理样机的初步设计。在理想直流系统中的限流分断过程仿真结果表明,断路器能在50μs时间内实现13k A、20A/μs短路电流的换流分断,并将短路电流峰值限制在17k A以内。样机试验结果显示,4000A正常工作电流直接分断时间不超过10μs,并在50μs内完成了13k A短路电流的换流分断,验证了新型直流固态限流断路器技术方案的正确性和实际应用的可行性。

一种含限流限压功能的混合式直流断路器方案1037-1044

摘要：基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）的多端柔性直流输电（multi-terminal DC,MTDC）是新能源并网和消纳的重要手段,而高压直流断路器是构建MMC-MTDC的核心设备之一。在现有混合式直流断路器（hybrid DC circuit breaker,HDCCB）的基础上,提出一种改进的具备限流限压功能的HDCCB技术方案。改进HDCCB的主断路器支路由包含电力电子断流单元、RC缓冲单元和避雷器单元的子模块组成。每个子模块具备独立的电流切除、电压建立和能量吸收能力,可以在分断过程中充分利用快速隔离开关的绝缘能力,有效抑制MMC-MTDC直流短路故障电流的上升率,减小HDCCB在切除故障电流时的过电压应力,降低耗能组件的能量吸收。理论分析和PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所提出的改进HDCCB技术方案的可行性和有效性。

电容换流型直流断路器及其在直流电网的应用1045-1052

摘要：直流断路器技术是直流电网发展的技术瓶颈。现有的混合型高压直流断路器存在成本高的缺陷,现有的机械式直流断路器开断速度慢、可靠性低。为解决上述弊端,提出一种电容换流型高压直流断路器及其改进型拓扑,分析了其工作原理,研究了该直流断路器的内部元器件参数设计要求。通过改进辅助支路和主支路的拓扑接线,该文提出的直流断路器可大大降低硬件成本。在PSCAD/EMTDC仿真平台中分别搭建了单端仿真模型和四端直流电网仿真模型,仿真验证了所设计直流断路器的技术可行性。

磁收缩效应型液态金属限流器起弧特性研究1053-1061

摘要：基于磁收缩效应的液态金属限流器具有体积小、结构简单、自检测故障和自恢复的优点,在未来中低压系统中具有良好的应用前景。采用高速摄影技术对液态金属收缩动态过程进行观测,并对其弧前时间进行测量,通过所建立的仿真模型对该物理过程进行分析研究。采用以上方法对不同因素下的液态金属起弧特性进行了全面研究,包括初始自由液面高度、隔板通孔孔壁粗糙程度及预期电流上升率等关键因素。研究结果表明：液态金属磁收缩过程往往同时包括源于液面凹陷的收缩及通孔液柱直接收缩两个过程。通过研究获得了两个过程的规律及影响,为未来限流器结构设计与性能优化提供依据。

航空270V混合式断路器分断瞬态特性及实验研究1062-1070

摘要：270V高压直流供电系统成为航空航天领域新的发展趋势,而直流短路电流的可靠分断是制约航空高压直流应用的关键因素。文中对比分析目前航空系统中采用的直流开断技术,设计了一种新型混合断路器。首先,基于混合断路器的控制时序理论分析分断瞬态过程及特性,给出缓冲支路电容选取方法及压敏电阻选取原则。其次,对所设计的新型拓扑结构进行仿真分析,深入研究缓冲和吸收瞬态过程。仿真结果表明,分断过程中设计的新型拓扑结构,具有有效抑制电源侧过电压的能力。随后研制额定100A,可靠分断2200A短路电流的小型化新型混合断路器样机。最后,实验研究混合断路器的分断特性,实验结果验证了换流、缓冲吸收瞬态过程,并得出IGBT过流失效是影响该混合断路器分断性能的主要因素。

低气压下串联直流电弧故障电磁辐射幅值及频率特性1071-1079

摘要：为了检测低气压下串联直流电弧故障,搭建了低气压下直流电弧故障试验平台,研究了不同试验条件下的直流故障电弧电磁辐射特性。利用四阶Hilbert分形天线检测直流电弧故障的电磁辐射信号,在11个气压下（96,86,76,66,56,46,36,26,16,6和0.6k Pa）对4种电极材料（黄铜、紫铜、不锈钢和铝）进行了串联直流电弧故障试验,并在低气压下对不同直径（1～7mm）和形状（尖形和平形）的黄铜电极进行了试验研究。考虑了电极移动速度对电磁辐射特性的影响。对各种试验条件下采集到的电磁辐射脉冲幅值进行了统计分析,并对电磁辐射脉冲进行了快速傅里叶变换,提取出特征频率。试验结果表明：直流电弧电磁辐射脉冲幅值随着气压、电极直径、形状和电极移动速度的改变而变化,并且具有方向性;而电磁辐射脉冲的特征频率范围（36～41MHz）与气压、电极直径、形状和电极速度无关,将其作为检测串联直流电弧故障的特征量具有一定的适用性。

微型断路器短路开断过程中电极烧蚀特性仿真研究1080-1087

摘要：短路开断过程中电极烧蚀严重影响微型断路器开断性能和使用寿命,因此研究短路开断过程中微型断路器电极烧蚀特性具有重要意义。该文建立了电极烧蚀模型,该模型综合考虑了电极材料相变、电弧与电极表面之间的能量平衡关系以及烧蚀过程中边界的移动问题。测量了电弧在动静触头之间的停滞时间以及电弧电流波形,并基于二者获得了电极烧蚀过程中的电弧电流波形,将该电流波形作为模型的输入电流,利用该文电极烧蚀模型计算了短路电流为3k A时电极的温度分布,烧蚀体积和烧蚀质量,并与实验测得的烧蚀质量数据进行了对比,验证了模型的正确性和有效性。此外,基于该模型分析了短路电流为3k A时电弧停滞时间以及氧化锡质量分数对电极烧蚀质量的影响,结果表明在0.5～1ms范围内随着电弧停滞时间的增加,触头烧蚀质量近似线性增加,并且斜率约为7.06mg/ms;对于氧化锡质量分数分别为8%、10%和12%的银氧化锡材料,随着电极材料中氧化锡质量分数的增加,电极烧蚀质量增加比较平缓,整体上三种不同电极材料的烧蚀质量在4.5～4.8mg之间。

中国电机工程学报杂志智能电网

解耦变换模式下智能配电网快速状态估计算法1088-1095

摘要：提出一种解耦变换模式下的智能配电网快速状态估计算法,基于修正功率解耦思想,将配电网中支路功率量测、负荷量测、虚拟伪量测、电流幅值量测解耦变换表达。进一步对解耦变换后的功率量测和电流幅值量测作保留非线性变换,使得量测方程线性化,从而简化迭代求解。该文算法以网络节点电压幅值、相角对其初值的变化量为状态变量,利用配电网中多种量测,将功率量测解耦迭代表达,求解规模降低,同时适用于含新能源接入的不同阻抗比配电网络。变换后量测雅克比矩阵常数化,状态估计中无需重复计算,进一步提高求解速度。通过标准测试系统和实际配电系统算例分析,从估计正确性、算法收敛情况、计算时间三方面验证该方法实用性。

一种适于有源配电网随机动态仿真的滚动投影积分方法1096-1105

摘要：可再生能源的大量接入和先进用电技术的不断推广使有源配电系统的随机特性愈发显著,这种复杂的随机扰动会对系统的规划、运行和分析计算产生不可忽视的影响。因此,一种准确、高效并且考虑随机扰动影响的仿真方法对有源配电系统随机特性的分析研究至关重要。该文通过将确定性投影积分算法和混合随机数值积分算法相结合,同时融入滚动式多随机轨迹仿真思想,提出了一种同时考虑有源配电系统随机特性和多时间尺度特征的滚动投影积分仿真方法,并以低压有源配电系统算例为例,通过与确定性仿真和EulerMaruyama算法比较,验证了文中算法的正确性和有效性。

基于动态阻抗的源–网–荷耦合特性分析方法1106-1113

摘要：基于非线性动态系统理论,定义了电力系统节点动态阻抗矩阵及节点被动波动、节点主动波动和网络波动3个指标,进而提出了一种基于动态阻抗的源–网–荷耦合特性分析方法,可定量研究电力系统中源–网–荷各组成部分之间的动态耦合关系及其变化规律和主导影响因素。节点被动波动指标揭示了某节点或区域易受其他节点或区域影响的程度,节点主动波动指标描述了某节点或区域易对其他节点或区域产生影响的程度,两者综合反映了节点或区域与整个网络间的电气耦合联系,分别体现了自稳性和致稳性,并与整个系统的潮流分布和源–网–荷的电气耦合联系特性息息相关。通过IEEE39节点和某省电网实际系统仿真检验了该文方法的正确性和指标的有效性。

高水电比重系统电力电量平衡混合整数二次规划模型及算法研究1114-1124

摘要：清洁能源战略的提出凸显了高水电比重系统电力电量平衡以及调度优化方案研究的重要性。该文基于水文特征和水电站发电特性拟合出水电转换曲线的分段线性函数;并通过引入0-1辅助变量,计及水与电的相互关联作用、水与电各自在地域上与时间上的耦合关系、水电与火电的协调调峰能力以及水电机组的振荡区间等约束,提出互斥技术和权值技术构建含六类0-1变量的混合整数二次规划（mixed integer quadratic programming,MIQP）模型。最后提出动态启发式算法（dynamic heuristic algorithm,DHA）和有效集割平面算法（active set cutting plane method,ASCPM）,借助混合整数规划求解器对某测试系统进行验证,结果表明,所提模型及算法能够有效地处理高水电比重系统电力电量平衡问题并获得机组调度优化方案。