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摘 要

由于当今社会新能源技术的迅猛发展和传统化石能源的日渐短缺，多端直流输电系统及直流电网技术正日渐崛起，并展现出其独有的优势。简要介绍了现今高压直流的电网发展情况进行，并分析直流电网的短路电流特性。对高压直流电网中产生的常见短路故障进行了原理分析。以及在直流系统中发生的短路问题相对应的策略。简要介绍了现在直流电网中处理短路故障的技术。对现阶段直流电网中常用的三种断路器的功能及优缺点进行简要概述。系统地分析了三种混合式高压直流断路器的拓扑结构的特点。使用PLECS仿真软件对三种混合式高压直流断路器拓扑结构进行仿真验证，并对仿真结果进行了分析。

关键词：高压直流电网 短路故障 断路器 拓扑结构 仿真

Abstract

Due to the rapid development of new energy technologies and the growing shortage of traditional fossil fuels, multi-end DC transmission systems and DC grid technologies are gradually emerging, and show their unique advantages. A brief introduction to the development of high-voltage direct current power grids is now provided, and short-circuit current characteristics of the DC power grid are analyzed. The principle analysis of common short-circuit faults in the high-voltage DC power grid is carried out. The corresponding strategy for short circuit problems in DC systems and the technology for handling short-circuit faults. The functions, advantages and disadvantages of the three types of circuit breakers commonly used in DC power grids are briefly summarized. The characteristics of the topology of the three new hybrid HVDC circuit breakers are systematically analyzed. Using PLECS and Simulink simulation software, three hybrid HVDC circuit breaker topologies were simulated and verified, and the simulation results were analyzed.

KEY WORDS: High voltage DC grid, Short circuit, breaker, topology, simulation

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 研究背景 2

1.1.1 现代高压直流电网发展现状简介 2

1.1.2 直流电网及其故障简介 2

1.2 研究现状 2

1.2.1 机械式高压直流断路器 2

1.2.2 固态高压直流断路器 3

1.2.3 混合式高压直流断路器 4

1.3 研究内容amp;章内小结 5

第二章 直流输电系统及电网技术 6

2.1 直流输电技术 6

2.2 直流电网和交流电网的区别 6

2.3 直流电网短路电流特性 6

2.3.1 双端直流系统中VSC的故障分析 6

2.3.2 多端直流系统中VSC的故障分析 10

2.4 本章小结 17

第三章 直流断路器拓扑方案 18

3.1混合式HVDC CB拓扑方案 18

3.1.1 方案简介 18

3.1.2 原理分析 19

3.1.3 PLECS仿真模型 19

3.2半桥型MMC无避雷器高压直流断路器 22

3.2.1 电路简介 22

3.2.3 原理解释 23

3.2.3 PLECS 仿真模型 24

3.3电容换流型直流断路器方案 27

3.3.1 电路简介 27

3.3.2 原理解释 28

3.3.3 PLECS 仿真模型 28

3.4 本章小结 31

第四章 总结与展望 32

致谢 33

参考文献 34

绪论

研究背景

1.1.1 现代高压直流电网发展现状简介

近些年来，随着传统化石能源短缺情况的加剧以及环境污染等问题的日渐突出，生物质能、风能、太阳能，地热能等清洁型可再生能源的迅速发展。直流电网技术可以做到间歇式绿色新能源大规模接入的突出优点使其发展情况正越来越受到人们的关注。

高压直流输电以其独特的优势得到了广泛的重视和应用，是解决可再生能源大规模接入的重要途径之一。高压直流输电系统适用于超高压、大容量、远距离输电的情况。在2009年时，±800kV线路从云南省至广东省的直流工程正式完成投运。目前世界上已经成功投入运行的高压直流输电工程多达90多个，总容量超过了70 000MW，而我国的高压直流输电系统技术世界规模最大，电压等级世界最高，是我国电力系统组成的重要一部分。

随着近年来IGBT等全控型功率半导体器件的技术的不断地进步，基于VSC的技术也日渐成熟，就目前而言，由两端直流输电系统拓展至多端输电系统网络进一步形成直流电网，进而使整个直流输电网络拥有更好的稳定性和更加灵活高效的控制力已经成为了人们的普遍共识。在关于如何去处理高压直流线路的短路故障问题上，两端直流输电系统与多端输电系统网络采用的策略并不相同。前者一般需要采用先闭锁换流站再分断交流侧断路器的方式来清除故障，而对于后者而言则必须通过加装断路器来切除故障线路并使其退出电网系统，通过这种方式就可以避免电网的大面积停运，从而确保系统的安全运行的稳定性。

1.1.2 直流电网及其故障简介

我们在发展直流断路器这一路途上的技术攻关的难点，最主要的有两个部分：第一点，在高压直流电力系统中不像交流电电力系统，在交流电的每个周期都会存在电流过零点，而直流电路中的电流缺乏自然过零点。这样一来也就意味着无法使用现阶段在交流断路器中所广泛使用的原理及元件，也意味着无法使用现今生产交流断路器的生产车间进行生产，这就为直流断路器的大规模生产设计增加了难度；第二点，在直流电路系统中的感性元件中存储了巨大的能量，在遇到短路故障时，需要及时通断，而在这时电感性元件会释放能量导致其开关难以顺利进行开闭。这一现象十分明显地增大了直流故障电流的开断难度。

高压直流断路器的研制对于多端直流电源供电系统而言至关重要，因为如果没有高压直流断路器，当发生短路故障时无法将故障电路立即断开，给整个直流电网带来的后果将是灾难性的。所以，随着直流供电技术的发展，如果要推广高压直流电网，安全性就是关键。深入研究高压直流断路器的重要性已经越来越凸显其重要性了。

1.2 研究现状

直流断路器的拓扑原理复杂，种类多样。本文根据直流断路器中核心开断元件的不同，可以将高压直流断路器分为3 类：机械式直流断路器、全固态直流断路器以及混合式直流断路器 ^[4] 。

1.2.1 机械式高压直流断路器

作为最先出现的直流断路器种类。机械式直流断路器的缺点十分明显：每次分断过程中均会产生电弧，而电弧的产生会导致开关触头的材质受到损害，直流电弧相比于交流电弧更加难以熄灭，电弧产生的高温也会有一系列的不良效应，会降低直流断路器的使用寿命，增大维护成本；同时也由于其自身分断速度及分断能力的限制，使其难以满足高压直流电网中的快切要求。

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