基于自然换流的混合式断路器的研究

论文摘要

随着电力系统的迅速发展、电网容量的提高,断路器作为电力系统系统控制器之一,必须能够对电网进行可靠、迅速的控制。本论文对一种新型断路器——混合式电力电子断路器进行了研究。混合式电力电子断路器在传统机械式断路器的基础上利用电力电子器件构建电力电子换流装置,可以有效地提高机械式断路器的开关速度和使用寿命。在大量查阅相关技术文献的基础上,本文简要地描述了混合式电力电子断路器研究的背景意义、性能上的优越性以及整个系统的工作原理,对混合式断路器在国内外的研究现状进行了介绍,对混合式断路器研究目前存在的问题进行了综合论述,并据此提出了本论文要研究的内容。本文首先讨论了装置中电力电子器件选择的理论依据,重点分析比较了GTO、IGBT和IGCT三种电力电子器件的性能,并结合装置的实际要求,最终选用IGCT作为核心器件来构成混合式断路器的电力电子换流装置。为了分析IGCT动作性能,利用ORCAD软件建立了IGCT的2T-3R子电路模型,得出了IGCT端部伏安特性的仿真波形;从IGCT的门极驱动单元的结构出发,详细分析了门极驱动原理。其次,本文重点讨论了混合式断路器对电路故障的检测部分。在总结短路电流检测的几种传统方法后,研究了一种基于带通滤波器的硬件检测电路的性能,提出了一种基于反馈神经网络的短路故障检测方法,并对其性能进行了仿真研究。仿真结果表明,该方法可快速有效地检测出短路故障电流,对提高断路器的响应速度很有意义。最后,对以IGCT为核心器件的混合式断路器的整体电路进行了设计,并通过一系列仿真分析对其动作特性进行了仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题研究目的及意义
• 1.1.2 各类断路器的比较
• 1.2 混合式断路器的发展概况
• 1.2.1 混合式断路器的换流方案
• 1.2.2 混合式断路器的研究与应用
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第2章 电力电子器件的选择与分析
• 2.1 门极可关断晶闸管
• 2.1.1 GTO 的结构和工作原理
• 2.1.2 GTO 的动态特性
• 2.2 绝缘栅双极型晶体管
• 2.2.1 IGBT 结构与工作原理
• 2.2.2 IGBT 的基本特性
• 2.3 集成门极换流晶闸管
• 2.3.1 IGCT 结构与工作原理
• 2.3.2 IGCT 的基本特性
• 2.4 GTO、IGBT、IGCT 的比较
• 2.5 混合式断路器用电力电子器件的选择
• 2.6 本章小结
• 第3章 IGCT 的仿真模型和门极驱动
• 3.1 IGCT 的仿真模型
• 3.1.1 IGCT 的建模思想
• 3.1.2 IGCT 原理性电学模型的建立
• 3.2 IGCT 的门极硬驱动
• 3.2.1 IGCT 的门极硬驱动原理
• 3.2.2 隔离与光纤接口的设计
• 3.2.3 门极供电及短路保护
• 3.3 本章小结
• 第4章 混合式断路器中的电流检测
• 4.1 前言
• 4.2 检测方法概述
• 4.2.1 基于正弦模型的算法
• 4.2.2 基于傅氏变换的算法
• 4.2.3 其它基于交流信号特性的算法
• 4.3 基于带通滤波器的短路电流检测方法
• 4.3.1 检测原理与基本电路
• 4.3.2 电路仿真与结果分析
• 4.4 基于神经网络的短路电流检测
• 4.4.1 检测原理与方法
• 4.4.2 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 混合式断路器的性能分析和仿真研究
• 5.1 混合式断路器的性能分析
• 5.2 混合式断路器的工作与运行条件
• 5.3 IGCT 的保护
• 5.3.1 电压箝位和di/dt 吸收电路
• 5.3.2 IGCT 的过热保护
• 5.4 混合式断路器的实现与仿真
• 5.4.1 混合式断路器的结构设计
• 5.4.2 混合式断路器动作特性仿真
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢