混合式限流斷路器階段分析及其控制策略優(yōu)化

趙曉明，葉辰之，李 霄，林獻坤，李福生，王 云，曹碧穎

(1. 上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海200082；2. 上海電氣中央研究院，上海200070)

混合式限流斷路器階段分析及其控制策略優(yōu)化

趙曉明1，葉辰之2，李 霄2，林獻坤1，李福生2，王 云2，曹碧穎2

(1. 上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海200082；2. 上海電氣中央研究院，上海200070)

針對傳統(tǒng)真空斷路器在微電網(wǎng)無縫切換時遇到的分?jǐn)嗨俣嚷膯栴}，提出基于高速機械開關(guān)和固態(tài)斷路器新型混合式交流限流斷路器的設(shè)計方案。對該斷路器在預(yù)期短路電流20 kA的工況下?lián)Q流分?jǐn)噙^程分階段進行了分析，推導(dǎo)了限流斷路器短路分?jǐn)鄷r間的計算公式, 并進行了不同關(guān)斷電感下的模擬仿真以驗證所建模型的正確性。在分析結(jié)論的基礎(chǔ)上完成了限流斷路器關(guān)鍵器件參數(shù)的設(shè)計。通過對分?jǐn)啾Ｗo控制策略的優(yōu)化，有效減小了觸頭分離時電弧的大小，提高了短路限流分?jǐn)嘈阅堋＝?jīng)仿真試驗改進后的400 V/450 A混合式限流斷路器可以將預(yù)期短路電流20 kA的故障電流限流至4 200 A以下并完成分?jǐn)啵搪贩謹(jǐn)鄷r間僅不到1 ms。

混合式限流斷路器；強迫換流；固態(tài)開關(guān)

0 引言

近幾年來由風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等分布式能源組成的微電網(wǎng)以其日漸成熟的技術(shù)和廣闊的應(yīng)用前景而備受關(guān)注,旨在保護微電網(wǎng)的新型限流短路技術(shù)成為研究熱點。微電網(wǎng)主要由儲能單元、分布式能源、負(fù)載組成，并通過PCC點與公共電網(wǎng)相連。當(dāng)公共電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，PCC點瞬間失壓，為保證負(fù)載持續(xù)可靠運行，則要求PCC點保護斷路器瞬間動作切斷微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)的連接，實現(xiàn)孤島運行；若微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)載發(fā)生故障，保護系統(tǒng)必須及時切除故障點附近，以盡可能小的區(qū)域來消除故障帶來的影響[1-3]。微電網(wǎng)正是憑借著內(nèi)部分布式能源、儲能單元與公共電網(wǎng)無縫切換配合，大幅提升了供電品質(zhì)，在保證敏感負(fù)荷的不間斷供電方面具有無可比擬的優(yōu)勢。然而現(xiàn)有傳統(tǒng)機械斷路器的分?jǐn)嗨俣群茈y實現(xiàn)微電網(wǎng)的無縫切換，這成為微電網(wǎng)無縫切換的制約瓶頸。

與傳統(tǒng)機械斷路器相比, 由功率半導(dǎo)體器件組成的固態(tài)開關(guān)具有開斷時間短、無電弧等特點[4，5]，但其容量有限、過負(fù)載能力差、導(dǎo)通損耗大等缺點限制了固態(tài)開關(guān)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對傳統(tǒng)機械斷路器和新型固態(tài)開關(guān)的缺點，將兩者合理配合，優(yōu)勢互補，構(gòu)成了一種新型斷路器，即混合式斷路器[6，7]。基于電力電子技術(shù)的混合型開關(guān)以其通態(tài)損耗小、動作速度快的特點，不僅在微電網(wǎng)中廣泛使用，同時在常規(guī)電力系統(tǒng)、柔性交流輸電、風(fēng)力發(fā)電等大功率輸配電領(lǐng)域得到應(yīng)用。以混合型斷路器為代表的新型限流斷路器已成為當(dāng)前斷路器發(fā)展的新方向。

按照關(guān)斷原理，混合型斷路器可分為自然換流型和強迫換流型兩種。文獻[7-8]闡述了混合型限流斷路器應(yīng)用在直流場合，與微電網(wǎng)交直流并用場合的性能要求有所不同。文獻[9]針對傳統(tǒng)強迫換流型斷路器在關(guān)斷高上升率短路電流時遇到的問題，提出了與本文相類似的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但存在換流過程過于復(fù)雜，器件成本高的不足。本文在文獻[10]提出的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做了進一步改進，針對低壓場合, 開展了400 V/450 A混合式限流斷路器樣機的設(shè)計研發(fā)工作，得到了固態(tài)關(guān)斷電路基本器件關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計方法。本文最后對原有的短路電流關(guān)斷控制策略進行了調(diào)整優(yōu)化，大大提高了斷路器短路限流關(guān)斷性能，為混合式限流斷路器在微電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 新型混合式交流限流斷路器

1.1 限流斷路器的基本原理

圖1為額定400 V/450 A混合式限流斷路器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由高速斥力開關(guān)SW、由晶閘管構(gòu)成的固態(tài)關(guān)斷電路、壓敏電阻MOV三者并聯(lián)而成。

圖1 混合型限流斷路器主電路

主回路電流正向發(fā)生短路時，混合型限流斷路器檢測到短路發(fā)生后立即向高速開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號，在經(jīng)過100 μs的機械響應(yīng)延時時間后，開關(guān)動靜觸頭開始分離并產(chǎn)生電弧。電弧燃燒少許時間后觸發(fā)晶閘管T1導(dǎo)通，由于反向電弧電壓的存在，二極管D1反向截止，換流電容通過晶閘管T1和二極管D1放電，反向流經(jīng)斥力開關(guān)，與斥力開關(guān)原有電流

對沖，使流經(jīng)斥力開關(guān)的總電流下降至零，實現(xiàn)斥力開關(guān)觸頭間電弧的強迫切斷，主回路電流從斥力開關(guān)換流到固態(tài)關(guān)斷電路上。隨著斥力開關(guān)反向弧壓的消失，二極管D1導(dǎo)通，電容通過二極管D1繼續(xù)放電，使斥力開關(guān)兩端電壓近乎為零，為高速開關(guān)觸頭間介質(zhì)預(yù)留一定的介質(zhì)強度恢復(fù)時間，防止斥力開關(guān)觸頭間外加過電壓后擊穿重燃弧導(dǎo)致關(guān)斷失敗。待電容電壓反向后，二極管D1反向截止，電容串聯(lián)接入主回路，斥力開關(guān)承受電容接入主回路時產(chǎn)生的過電壓。當(dāng)斥力開關(guān)兩端電壓達到壓敏電阻MOV的壓敏電壓時，MOV導(dǎo)通，吸收回路中的剩余能量，主回路電流最終在MOV的限壓吸能作用下關(guān)斷。

1.2 限流斷路器的短路電流分?jǐn)噙^程

圖2是本文設(shè)計的額定400 V/450 A混合型限流斷路器短路關(guān)斷的仿真結(jié)果，下面結(jié)合圖2對斷路器關(guān)斷過程進行詳細(xì)說明。

圖2 混合型限流斷路器短路分?jǐn)嗖ㄐ?/p>

(1)檢測階段： t0～t1

正常工作下，短路檢測單元時監(jiān)測主回路電流大小。當(dāng)短路發(fā)生、電流超過3倍額定電流時，短路檢測單元向系統(tǒng)控制單元發(fā)送短路保護信號。系統(tǒng)控制單元收到短路保護信號后，立即向斥力開關(guān)發(fā)送分?jǐn)嘀噶睢Ｔ?0 kA的預(yù)期短路電流工況下，此階段短路電流的上升率di/dt=8.6 A/μs。

(2)延時階段：t1～t2

斥力開關(guān)收到分?jǐn)嘀噶詈螅瑫?jīng)過100 μs的延時時間，開關(guān)觸頭才開始動作。在此期間，靜態(tài)開關(guān)沒有任何信號觸發(fā)和機構(gòu)動作，短路電流依舊繼續(xù)急劇上升。

(3)燃弧階段：t2～t3

斥力開關(guān)觸頭分開，動靜觸頭之間產(chǎn)生電弧，此時在動靜觸頭之間會建立起20 V的電弧電壓，此階段會持續(xù)20 μs。電弧對主電路電流電壓變化沒有顯著影響。

(4)強迫換流階段：t3～t4

斥力開關(guān)動靜觸頭電弧燃燒20 μs后(控制單元向斥力開關(guān)發(fā)送關(guān)斷信號120 μs后)，控制單元發(fā)送晶閘管導(dǎo)通信號，晶閘管導(dǎo)通，關(guān)斷電容C依次通過二極管D2、斥力開關(guān)SW、晶閘管T1、電感L所在回路放電。由于此階段斥力開關(guān)動靜觸頭之間的電弧電壓依然存在，導(dǎo)致二極管D1反向截止，因此電容電流全部通過斥力開關(guān)，與斥力開關(guān)原有的短路電流對沖至零，實現(xiàn)斥力開關(guān)的強迫換流。當(dāng)高速斥力主回路電流降為零時，其兩端電壓為零，動靜觸頭之間的電弧電流完成分?jǐn)唷?/p>

(5)介質(zhì)恢復(fù)階段：t4～t5

斥力開關(guān)完成分?jǐn)嗪螅P(guān)斷電容通過二極管D1、晶閘管T1，電感L所在回路繼續(xù)放電，電容電壓繼續(xù)下降至零。此階段主回路電流完全從二極管D2通過，主回路電流繼續(xù)上升。此階段為高速開關(guān)提供了必要的介質(zhì)強度恢復(fù)時間，防止高速開關(guān)動靜觸頭在限流階段恢復(fù)電壓的作用下重燃弧。

(6)限流階段：t5～t6

當(dāng)電容放電完畢、電容電壓降為零時，二極管D1反向截止，電容C與MOV并聯(lián)接入主回路，此時電容即將反向充電，因此電感被二極管D3短接。在接入電容的作用下，主回路阻抗明顯增大，主回路電流上升速率開始變緩，斷路器兩端電壓(亦等于電容反充電電壓)上升。隨著斷路器兩端電壓(電容反充電電壓)增大至源電壓，主回路電流達到峰值，主回路電流從此開始減小。在整個限流階段，斷路器兩端電壓(電容反充電電壓)持續(xù)上升。若在此期間斷路器兩端電壓始終低于MOV的壓敏電壓，則MOV支路不導(dǎo)通，主回路電流自然過零，靜態(tài)開關(guān)完成換流分?jǐn)嗳^程。若在此期間斷路器兩端電壓達到壓敏電壓，MOV阻抗瞬間減小，MOV支路導(dǎo)通，進入MOV關(guān)斷階段。

(7)MOV換流階段：t6～t7

當(dāng)斷路器兩端電壓達到MOV壓敏電壓時，MOV電阻瞬間減小，主回路電流從晶閘管T1、電容C、二極管D2所在回路轉(zhuǎn)移到MOV支路，導(dǎo)致固態(tài)關(guān)斷電路電流減小，MOV支路電流增大，直至主回路電流完全轉(zhuǎn)移到壓敏電阻支路。

(8)MOV關(guān)斷階段：t7～t8

固態(tài)關(guān)斷電路電流降為零時，電容電壓停止反向充電，主回路電流全部流經(jīng)MOV，限流斷路器通過MOV吸收剩余能量。最終主回路電流在MOV的作用下減小至零，限流斷路器開關(guān)完成短路關(guān)斷全過程。

2 限流斷路器參數(shù)設(shè)計

2.1 短路關(guān)斷總時間分析與驗證

混合型斷路器短路關(guān)斷過程如圖3所示。當(dāng)主回路電流上升到動作設(shè)定值Iset時，給高速斥力開關(guān)SW發(fā)出分閘信號，SW經(jīng)過一定機械延時tm后，動靜觸頭在時刻開始分離，觸頭間立刻形成電弧。為了保證換流過程開始時斥力開關(guān)觸頭間電弧電壓已經(jīng)建立，因此斥力開關(guān)動作后，晶閘管要經(jīng)過延遲時間tn(約20 μs)才開始導(dǎo)通。經(jīng)過以上分析，主回路電流上升至動作值Iset后，經(jīng)過兩段延時tm+tn，晶閘管導(dǎo)通，主回路電流開始從斥力開關(guān)到固態(tài)關(guān)斷電路的轉(zhuǎn)移。可以看出，以上描述的過程主要受機構(gòu)器件物理延時影響，用時較為固定，因此電流電壓分析時，可以認(rèn)為檢測階段和延時階段所用時間tm+tn是定值。

圖3 混合型限流斷路器短路分?jǐn)噙^程

經(jīng)過階段分析可以得到，在時間tc+tzero內(nèi)的強迫換流換流階段和介質(zhì)恢復(fù)階段，限流斷路器主要依靠由關(guān)斷電容和關(guān)斷電感組成的LC振蕩電路完成強迫換流，換流過程完成后振蕩電路持續(xù)導(dǎo)通，直到脈沖電流達到峰值Im。

由此，根據(jù)LC振蕩電路規(guī)律，可以得到脈沖電流達到峰值所需時間和脈沖電流峰值

(1)

(2)

式中：L為關(guān)斷電感器電感值；C為關(guān)斷電容器電容值；UC0為關(guān)斷電容器的預(yù)充電電壓；Im為脈沖電流峰值。

關(guān)斷過程中，脈沖電流從零上升到主回路電路電流的時間即強迫換流時間tc。強迫換流階段結(jié)束時刻，脈沖電流與主回路電流相等，可列出下式

(3)

由此式可以求出強迫換流時間tc。

由于電力系統(tǒng)短路的時間常數(shù)通常為幾ms到幾十ms，從電流上升到換流過程結(jié)束僅幾百μs，因此假定在此過程中主回路電流上升率di/dt為定值D，則介質(zhì)恢復(fù)階段結(jié)束時刻主回路電流

(4)

在時間tr(限流階段)內(nèi)，關(guān)斷電容從零電壓開始反向充電，直到電容電壓達到MOV壓敏電壓UMOV。在此過程中，由于關(guān)斷電容和關(guān)斷電感串聯(lián)接入主回路，主回路電流達到峰值后下降，在限流階段結(jié)束時，主回路電流I6相較于限流階段開始時刻電流I5有所小幅下降，取

I6=0.95I5

(5)

由于限流開始時刻電流I5大小位于主回路電流峰值Imax和限流結(jié)束時刻電流I6之間，可以認(rèn)為此階段主回路平均電流為I5。因此根據(jù)電容電壓達到壓敏電壓，可以得到限流階段用時

(6)

在時間tMOV內(nèi)，斷路器兩端電壓達到壓敏電壓，主回路電流轉(zhuǎn)移到MOV，斷路器通過MOV吸收了電源等效電感的能量和電源的做功。根據(jù)系統(tǒng)能量守恒，若忽略線路電阻消耗的能量，可知MOV所需吸收的系統(tǒng)能量為[10]

(7)

文獻[11]指出，分?jǐn)鄷rMOV吸收能量近似表示為

(8)

式中：UMOV為MOV壓敏電壓；泄放電流初值IRm=I6；電流從IRm下降至零的時間tR=tMOV。聯(lián)立表達式(7)、(8)，可以求出時間

(9)

將以上各段時間相加，可以得到短路關(guān)斷總時間(從主回路電流達到預(yù)設(shè)動作值開始計時)：

(10)

針對額定400 V/450 A混合型限流斷路器的工況和性能參數(shù)，根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，系統(tǒng)內(nèi)部器件電壓值不應(yīng)超過系統(tǒng)電壓等級的2倍[7]，為盡可能保證強迫換流可靠進行，暫定關(guān)斷電容器預(yù)充電電壓

UC0=2×400=800V

理論上，MOV壓敏電壓要高于關(guān)斷電容預(yù)充電電壓，但壓敏電壓過高會無法保證限流效果。考慮電容電壓波動因素，MOV壓敏電壓為關(guān)斷

UMOV=1.25UC0=1 000V

為保證強迫換流的順利完成，取脈沖電流峰值為晶閘管導(dǎo)通時刻主回路電流I2的1.8倍，由此可得

(11)

式中：晶閘管導(dǎo)通時刻主回路電流I2=Iset+D·(tm+tn)。由此得到C=44L。

當(dāng)短路合閘角為90°時，已知工況參數(shù)和控制時序要求

可由表達式(10) 得到短路關(guān)斷時間t關(guān)于關(guān)斷電感L的影響, 如圖4所示。為了驗證本文推導(dǎo)的短路關(guān)斷總時間表達式，將關(guān)斷電感取不同值時短路關(guān)斷時間的計算值與仿真值進行對比，得到誤差在10%內(nèi)。理論計算和模型仿真一致表明，當(dāng)脈沖電流峰值脈一定的情況下，關(guān)斷電感越小，短路關(guān)斷速度越快。

圖4 電感對短路關(guān)斷時間的影響

2.2 關(guān)斷電感和關(guān)斷電容的確定

由于關(guān)斷電感與斥力開關(guān)觸頭介質(zhì)恢復(fù)時間正相關(guān)，如果關(guān)斷電感過小，會導(dǎo)致關(guān)斷過程中零電壓時間過短，從而引發(fā)斥力開關(guān)觸頭承受過電壓時重燃弧的發(fā)生，所以關(guān)斷電感不是越小越好。為避免重燃弧發(fā)生，關(guān)斷過程中零電壓時間必須滿大于斥力開關(guān)觸頭介質(zhì)強度恢復(fù)時間。分析關(guān)斷過程中斥力開關(guān)在電流過零后的觸頭間介質(zhì)恢復(fù)特性，確定該條件下介質(zhì)可靠恢復(fù)的時間為 80 μs，即得到

(12)

結(jié)合表達式(1)可得

(13)

其中，tc由式(3)確定，由此得到

L≥13.5μH

C≥594μF

在保證零電壓時間大于觸頭介質(zhì)強度恢復(fù)時間條件下，關(guān)斷電感越小，短路關(guān)斷速度越快。結(jié)合仿真結(jié)果，取L=15 μH，C=600 μF。

3 換流控制策略優(yōu)化

該新型混合式斷路器從短路發(fā)生到故障點切除所用時間小于1.5 ms，在短路電流初始上升階段及時斷開，使故障電流明顯低于預(yù)期短路電流，從而大大減小了應(yīng)力對電力系統(tǒng)的影響。但在短路限流關(guān)斷過程中強迫換流斥力開關(guān)觸頭分離時燃弧電流過大，燃燒劇烈，嚴(yán)重縮短觸頭壽命，這是斥力開關(guān)觸頭分離先于晶閘管導(dǎo)通的控制策略導(dǎo)致的。若在斥力開關(guān)觸頭分離之前導(dǎo)通晶閘管，如圖5所示，則斥力開關(guān)觸頭燃燒嚴(yán)重的現(xiàn)象會得到極大改善。

圖5 控制策略的優(yōu)化

圖6 控制策略優(yōu)化前后短路關(guān)斷電流

分析控制策略改進后的強迫換流過程的變化。圖6為短路合閘角90°時400 V/450 A混合型限流斷路器短路分?jǐn)嗫刂撇呗愿倪M前后的電流波形。控制策略改進后，晶閘管導(dǎo)通時刻提前，斥力開關(guān)觸頭分離前強迫換流已經(jīng)開始，相較于改進前，斥力開關(guān)觸頭分離時刻通過斥力開關(guān)的電流減小，不但有效避免了大電流電弧對觸頭材料的灼燒，同時又使電弧持續(xù)燃燒的時間有所減短，大大降低了斥力開關(guān)觸頭材料的設(shè)計難度，有效解決了斥力開關(guān)觸頭壽命過短的問題。與此同時，晶閘管導(dǎo)通時間提前意味著強迫換流過程得到提前，壓縮了短路電流上升時間，使換流開始時刻主回路電流有所降低，進一步降低了強迫換流難度。從整個關(guān)斷過程上看，晶閘管提前導(dǎo)通使斷路器提前開始限流，降低了主回路電流峰值，縮短了短路關(guān)斷總時間。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)斷路器在微電網(wǎng)無縫切換時分?jǐn)嗨俣嚷绊懝╇娖焚|(zhì)的問題，提出新型混合式交流限流斷路器的設(shè)計方案，該斷路器由于采用了超高速斥力開關(guān)和大功率晶閘管固態(tài)開關(guān)技術(shù), 具有通態(tài)損耗低、分合閘動作迅速、無弧分?jǐn)嗟膬?yōu)點。故障發(fā)生時, 斷路器能夠在接到分?jǐn)嘀噶詈蠖虝r間內(nèi)完成斥力開關(guān)觸頭分離, 將短路電流完全轉(zhuǎn)移到固態(tài)關(guān)斷電路上, 本文設(shè)計的400 V/450 A混合式限流斷路器可在最短800 μs時間內(nèi)實現(xiàn)對20 kA 短路電流的可靠分?jǐn)啵梢酝耆珴M足微電網(wǎng)無縫切換的快速分?jǐn)嘁蟆亩搪逢P(guān)斷階段分析出發(fā)，分析影響短路分?jǐn)嗫倳r間長短的關(guān)鍵因素，理論計算和模型仿真一致表明，當(dāng)脈沖電流峰值脈一定的情況下，關(guān)斷電感越小，短路關(guān)斷時間越短，結(jié)合零電壓時間條件得到關(guān)斷電感和關(guān)斷電容的大小。針對斥力開關(guān)觸頭大電弧灼燒嚴(yán)重壽命過短的問題，對該斷路器的控制策略進行了改進。通過提前晶閘管導(dǎo)通時間，可使斥力開關(guān)觸頭分離時電弧得到減弱，同時降低了主回路電流峰值，縮短了短路關(guān)斷總時間。

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Stage Analysis of an AC Hybrid Current-limiting Breaker and Its Optimization of Protection Control Policy

ZHAO Xiaoming1, YE Chenzhi2, LI Xiao2, LIN Xiankun1, LI Fusheng2, WANG Yun2, CAO Biying2

(1. School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200082, China；2. Shanghai Electric Central Research Institute, Shanghai 200070, China)

To solve the problem that traditional vacuum breaker can not meet the requirements of fast breaking when seamless switching in micro-grid, an AC hybrid current-limiting breaker (HCLB) based on high-speed mechanical switch and solid state circuit breaker is proposed. In this paper, the hybrid breaker’s commutation and interruption process are analyzed when prospective fault current is 20 kA and the formulas of separation time in short circuit protection period are deduced, which is validated with different inductance by computer simulation. The design of parameters are put forward based on theoretical analysis. After optimizing the protection control policy, the arc current between the contacts during separation reduces significantly, which could improved current-limiting ability and interruption performance of the breaker. After improvement by simulation, a 400V/450A DC hybrid current-limiting breaker has been developed and the computer simulation shows that the prospective fault current of 20 kA is limited to the value below 4.2 kA and the entire interruption process takes less than 1ms.

AC hybrid current-limiting breaker; forced current zero; solid state circuit breaker

2015-10-09。

趙曉明(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)繼電保護，E-mail: qinghuazhao1@126.com。

TM561

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.003