電容型直流斷路器拓撲結構研究

趙明君， 葉 晗， 李中奇， 高 森， 朱海勇， 朱 旭

(1. 國網新疆信通公司，新疆 烏魯木齊 830000； 2. 東南大學先進電能變換技術與裝備研究所，江蘇 南京 210096； 3. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；4. 國網南京供電公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

高壓直流輸電技術因在接納新能源、遠距離大容量傳送功率等方面具有獨特的優(yōu)勢，得到了廣泛應用[1-3]。隨著直流電網的不斷擴大、直流節(jié)點數的增加以及電網結構的日益復雜化，產生了許多亟待解決的問題，短路故障處理便是其中之一。與傳統(tǒng)交流電網相比，直流電網的短路保護難度更大。直流電網具有“低阻性”、“低慣量”的特點，因此一旦發(fā)生短路故障，換流站兩端的并聯(lián)電容將迅速釋放，大量電流在很短的時間內注入到短路點，電流值可在幾毫秒內達到額定電流的幾十倍甚至百倍[4-6]，嚴重危害電網設備的安全，影響系統(tǒng)的可靠性運行。因此，發(fā)展可靠的直流斷路器，及時切除故障線路顯得尤為關鍵。

目前，國內外研究主要將直流斷路器分為傳統(tǒng)的3類：機械式直流斷路器、全固態(tài)式直流斷路器和混合式直流斷路器[7-11]。電容型直流斷路器是指電容在裝置中起主要作用的斷路器方案，與傳統(tǒng)的分類有交叉。電容型直流斷路器中既有機械式直流斷路器，也有部分混合式直流斷路器。在機械式直流斷路器中，電容通過與電感諧振產生過零點，為機械開關的無弧分斷創(chuàng)造條件[12]；在混合式直流斷路器中，電容可以起到緩沖作用以及預充電后的限流作用，提高可靠性。由此可見，電容型直流斷路器的發(fā)展是斷路器研究的重要方向。

為此，本文以直流電網為背景，首先分析了電網對直流斷路器的基本要求；接著對已有文獻中電容型直流斷路器的拓撲結構及相應的控制策略進行綜述；隨后提出一種基于預充電電容的新型直流斷路器，對其工作原理、控制策略進行詳細分析，并通過仿真對其進行驗證；最后指出電容型直流斷路器未來的發(fā)展方向和必須要解決的問題。

1 電容型直流斷路器發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 直流斷路器的基本要求

直流斷路器作為直流電力系統(tǒng)運行控制和保護的關鍵設備，在工作性能方面有著獨特的要求。

1.1.1 安全可靠

與傳統(tǒng)的交流電網不同，直流電網不存在自然的過零點，短路故障的切除難度更大，因此安全可靠地實現(xiàn)無弧分斷，將故障線路從系統(tǒng)中切除，避免對電力系統(tǒng)產生嚴重危害是直流斷路器的重要指標[5,7]。

1.1.2 快速分斷

直流故障電流上升非常迅速，為了保護電網設備、換流閥等，必須快速切除故障。由于直流電網的故障定位需要一定的時間，留給故障切除的工作時間被壓縮，因此系統(tǒng)對直流斷路器的快速性提出了嚴格的要求。

1.1.3 耐壓耐流

直流電網的發(fā)展方向為多端、高電壓和大電流，因此切斷直流電流時，承受較高的過電流和過電壓是直流斷路器必須解決的重要問題。

1.1.4 經濟成本

多端直流輸電及直流電網的發(fā)展需要使用大量的斷路器，同時每個斷路器涉及到大量的高壓固態(tài)器件，所以斷路器造價十分昂貴。因此設備的經濟性也是直流斷路器的重要指標。

1.1.5 能量耗散和重復開斷能力

在直流短路故障線路被切除之后，系統(tǒng)中的儲存能量需要釋放[12]，以便于直流斷路器能夠循環(huán)投入電網中以備下次使用。尤其是電容型直流斷路器，為保持重復開斷能力，電容須要放至正常電壓水平。

1.2 電容型直流斷路器方案

電容型直流斷路器是指在拓撲結構中使用電容型一類直流斷路器的總稱。按照斷路器內起核心作用和占主要成本的開關器件類型，可將電容型直流斷路器分為機械開關式、全控固態(tài)開關式和半控固態(tài)開關式。

1.2.1 機械開關式電容型直流斷路器

機械開關式電容型直流斷路器的基本原理如圖1所示。正常工作時，系統(tǒng)通過機械開關傳送功率；系統(tǒng)短路時，觸發(fā)諧振支路產生交變電流，為機械開關的無弧關斷提供人工過零點；在機械開關完全關斷之后，能量最終在避雷器所在支路消耗吸收。依據斷路器中是否存在預充電裝置，可將該類斷路器分為有源型和無源型[13-15]。

圖1 機械開關式電容型斷路器結構Fig.1 Thetopology of capacitor DC circuit breaker with mechanical switch

最早的無源機械開關式電容型直流斷路器開斷能力為500 kV/2 kA[15]，由歐洲BBC (Brown Boveri Corporation, BBC)公司研制，該方案開斷能力較強，但開斷速度較慢，無法實際投運；與無源型斷路器相比，有源型斷路器增加了預充電裝置，縮短了故障線路的切斷時間。文獻[16]提出有源型斷路器方案，開斷能力達到80 kV /16 kA，開斷時間為10 ms；西安交通大學及其合作團隊提出了一種有源型方案，開斷能力達到110 kV/12 kA，開斷時間縮短至4.6 ms；華中科技大學團隊所提方案應用于南澳±160 kV多端柔性直流輸電系統(tǒng)，可實現(xiàn)快速分斷，是目前世界上首次應用于直流工程的機械開關式電容型斷路器[17]。

1.2.2 全控固態(tài)開關式電容型直流斷路器

由全控固態(tài)開關組成的電容型直流斷路器的基本原理如圖2所示。正常工作時，系統(tǒng)通過全控固態(tài)開關支路傳送功率；當電網發(fā)生短路時，給固態(tài)開關關斷信號，將故障電流轉移到電容支路，對電容進行充電；當電流轉移支路的電壓達到避雷器的保護閾值后，能量通過避雷器支路消耗吸收。與機械開關式電容型直流斷路器相比，該類電容型直流斷路器可加快故障電流轉移速度，縮短斷路器工作時間。

圖2 全控固態(tài)開關式電容型斷路器結構Fig.2 The topology of capacitor DC circuit breaker with full-controlled switch

基于此基本原理，文獻[18—19]提出了一種帶外部預充電裝置的電容型直流斷路器。該方案在保證故障線路可靠切除的同時，電容預充電壓可以有效地抑制短路電流，但全控固態(tài)開關的大量串聯(lián)會增加通態(tài)損耗，降低電網效率；文獻[20—22]提出的電容換流型方案在固態(tài)開關支路上添加了機械開關，降低了通態(tài)損耗，但電容的快速充電可能導致機械開關關斷難度增大；國家電網全球能源互聯(lián)網研究院提出的直流斷路器方案，將絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)與高壓電容組成的全橋結構作為故障電流轉移支路的子模塊，在舟山多端柔性直流工程中實際投運，開斷能力達到200 kV/15 kA，動作時間為3 ms，但是大量全橋結構串聯(lián)使得該方案的設備成本巨大[23]；為此，中國科學院電工研究所提出了基于半橋結構的模塊級聯(lián)型直流斷路器，保證了故障線路可靠切除的同時，降低了設備成本[24]。但是由于全控固態(tài)開關式電容型直流斷路器主要依靠全控開關實現(xiàn)向電容支路快速換流，需要大量開關管串聯(lián)，因此該類方案的設備成本相對較高。

1.2.3 半控固態(tài)開關式電容型直流斷路器

半控固態(tài)開關式電容型直流斷路器的基本原理如圖3所示。正常工作時，系統(tǒng)通過以機械開關為主的載流支路進行能量傳送；一旦系統(tǒng)發(fā)生短路故障，立即觸發(fā)導通半控固態(tài)開關支路，為載流支路提供零電壓的分斷條件；在載流支路可靠分斷后，通過觸發(fā)以電容為主要元件的輔助關斷支路，將半控固態(tài)開關關斷；最終能量將通過避雷器進行消耗吸收。與全控固態(tài)開關式電容型直流斷路器相比，該類方案由于采用價格較低的半控型器件，可大大降低設備的整體成本。

圖3 半控固態(tài)開關式電容型斷路器結構Fig.3 The topology of capacitor DC circuit breaker with half-controlled switch

基于此基本原理，國網智研院提出的半控開關式電容型直流斷路器方案利用預充電電容的反向放電電流輔助晶閘管有效關斷[25]，保證故障線路的快速無弧分斷，并在200 kV/3 kA的額定工況下進行了仿真驗證，但該方案在短路瞬間電容放電電流與短路電流方向一致，對故障電流的抑制效果欠佳；文獻[26]采用可精確控制的火花間隙代替部分晶閘管，降低了設備成本，但存在限流差的問題；華北電力大學提出的基于晶閘管方案分為斷路閥和限流閥，通過觸發(fā)不同的閥段，使得斷路器在穩(wěn)態(tài)時對外呈現(xiàn)低阻抗、故障時呈現(xiàn)高阻抗，從而增強斷路器的動態(tài)功能特性，提高限流效果[27]；國外研究學者提出采用三電容的晶閘管方案[28]，通過電容之間的相互放電為晶閘管提供強迫關斷的反向電流，保證雙向工作的同時，具有一定的限流能力，并研制出2 kV/2 A的原理樣機。

總體來說，機械開關式電容型直流斷路器的工作時間較長，很難滿足直流電網對斷路器的可靠性和快速性要求；固態(tài)開關式方案中，全控器件的使用可以提高系統(tǒng)的可靠性和控制精確性，但應用于高壓場景的全控器件如IGBT，價格昂貴，成本很高；半控器件的使用會大幅降低設備成本，如相同電壓電流應力條件下的晶閘管比IGBT成本節(jié)省80%以上，但是對電路的控制更加困難，設計要求更高，工作時間也相對較長，因此在選擇電容型斷路器方案時，須綜合考慮斷路器的經濟性、快速性和可靠性等因素。3種直流斷路器的具體對比見表1。

表1 電容型直流斷路器對比Tab.1 Comparison between different DC breakers with capacitors

電容型斷路器類別優(yōu)點缺點應用場合機械開關式結構簡單成本低控制復雜動作較慢設計難度大低壓、小容量場合全控固態(tài)開關式控制簡單動作快速可靠性高成本較高運行損耗大中低壓場合半控固態(tài)開關式成本較低可靠性較高結構和控制較復雜高壓場合

2 組合電容型直流斷路器方案

2.1 拓撲結構

隨著電網結構復雜、輸電線路增多，尤其是一個換流站對應多條直流出線，需要大量直流斷路器，設備成本巨大。為降低直流電網的斷路器成本，提高可靠性，文中提出一種基于預充電電容的組合式直流斷路器方案(簡稱“組合電容型直流斷路器”)，屬于半控固態(tài)開關式電容型直流斷路器。主要分為兩個部分：站端部分(A部分)和線路部分(B部分，包括B1、B2…BN)，配置方法如圖4(a)所示，站端部分為所有出線共享部分，安裝在換流站的直流出口側，線路部分安裝在每一條直流出線上。

圖4 組合電容型直流斷路器的配置方法及其拓撲結構Fig.4 Configuration and topology of assembly hybrid high voltage DC breaker based on pre-charged capacitors

如圖4(b)所示，站端部分的具體拓撲包括一個電容器組Ca1，一個晶閘管閥組Ta1，一個二極管閥組Da1，一個電阻器Ra1；線路部分，以安裝于線路1上的B1部分為例，具體拓撲包括一個機械開關S，一個反向串聯(lián)的IGBT開關管組Q1，一個限流電感Lb1，一個二極管閥組Db1，一個電阻器Rb1和一個電容器組Cb1。實際應用中，根據系統(tǒng)中的耐壓耐流條件，每個閥組中的元器件可進行適當的串并聯(lián)來匹配要求。

2.2 工作原理

正常工作時，系統(tǒng)通過斷路器線路部分中機械開關S和開關管組Q1組成的載流支路傳送功率；同時，站端部分電容Ca1和線路部分電容Cb1進行預充電，直至其電壓均達到系統(tǒng)電壓等級。當電網的線路1發(fā)生短路故障，線路電流將迅速增大。

(1) 故障第1階段：短路發(fā)生之后，站端電容Ca1通過二極管閥組Da1、線路側電容Cb1通過二極管閥組Db1以及換流站直流側電容向故障點放電，線路電流迅速增大；

(2) 故障第2階段：當線路電流達到保護閾值時，立即給晶閘管閥組Ta1觸發(fā)信號，為載流支路的關斷做準備；接著，關斷載流支路上的開關管組Q1，由于此時線路電流并非很大，因此對開關管組Q1的耐流要求較低；在Q1關斷之后，站端電容Ca1由放電狀態(tài)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，通過晶閘管Ta1；此時立即給機械開關S分閘信號，由于前序操作的固態(tài)開關動作時間都在微秒級別，因此站端部分電容Ca1和線路部分電容Cb1的電壓差異，即機械開關S的承壓很小，滿足無弧分斷條件；

(3) 故障第3階段：待機械開關完全達到絕緣開距后，站端側回路繼續(xù)諧振，停止觸發(fā)晶閘管閥組Ta1，諧振電流只能通過二極管閥組Da1和電阻器Ra1，最終達到穩(wěn)定；同理，線路側回路電流最終通過電阻器Rb1進行續(xù)流消耗。

由上可知，該方案屬于半控固態(tài)開關式電容型直流斷路器，成本較低；同時，所提斷路器的站端部分為多條線路斷路器的共享部分，因此對于復雜電網來說，可進一步降低設備成本，且隨著換流站的直流出線數越多，經濟性越好。

2.3 仿真驗證

為了驗證所提組合電容型直流斷路器的可行性和有效性，搭建了如圖5所示的三端直流環(huán)網模型。其中，換流站(voltage source converter，VSC)VSC1和VSC2為定功率站，功率分別為300 MW和120 MW，換流站VSC3為定電壓站，電壓為200 kV；線路12、13和23的長度分別為100 km，200 km和150 km，電阻值分別為1 Ω，2 Ω和1.5 Ω，電感值分別為40 mH，80 mH和60 mH；對于所提斷路器，A部分代表站端部分，B1、B2部分代表換流站兩條直流出線上的線路部分，具體參數如表2所示(以A部分和B1部分為例)。基于上述三端環(huán)網，以線路13發(fā)生短路故障為例，對故障切除過程和與已有方案對比進行仿真驗證。

圖5 某三端環(huán)網加裝新型直流斷路器的結構Fig.5 Three-terminal mashed DC grid with proposed DCCB

參數變量取值大小站端電容Ca1,Cb1/μF2000電阻器Ra1,Rb1/Ω20限流電感Lb1/mH100機械開關動作時間tS/ms2機械開關無弧分斷能力/kA0.01IGBT閥組Q1額定電壓/kV10晶閘管閥組Ta1額定電壓/kV300二極管閥組Da1,Db1反向耐壓/kV300故障電流檢測閾值/kA1.5

4 s之前，電網正常運行。在4 s時(即t0時刻)，線路13發(fā)生短路故障，斷路器開始投入工作，仿真波形如圖6所示。圖中電流I13,I23,I12分別為線路13、23、12的電流；電壓U1,U2,U3分別為換流站1～3的直流電壓；Is為短路點電流；ICb1為斷路器線路側電容電流，ICa1為斷路器站端側電容電流，UT為載流支路兩端承壓，UCa1，UCb1分別為斷路器的站端側電容和線路側電容電壓。

圖6 組合電容型直流斷路器的仿真結果Fig.6 Simulation results with the proposed DCCB

故障切除過程如圖6(a)所示，t0時刻短路故障發(fā)生，I13開始增大，組合電容型斷路器站端部分和線路部分的電容均開始放電，ICa1,ICb1開始上升，UCa1，UCb1開始下降；此時，由于站端電容和線路側電容并聯(lián)放電，UT為零；t1時刻，短路電流上升至檢測閾值，斷路器開始動作，給晶閘管Ta1觸發(fā)信號；t2時刻，關斷Q1，此時切斷載流支路電流，站端側電容由放電變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，ICa1改變方向，線路側電容繼續(xù)放電，UT開始上升；在t3時刻，給機械開關S分閘信號，經過一定時間動作延時，達到絕緣開距；在t4時刻，停觸Ta1，站端側通過Ra1達到穩(wěn)定，線路側能量最終諧振消耗在Rb1支路。由UT波形可以看出，故障切除過程中，載流支路的兩端最大承壓保持很小，滿足無弧分斷條件。

將所提組合電容型方案和已有的組合式方案[29-30]進行對比仿真研究。仍以圖5的三端環(huán)網，4 s時線路13發(fā)生短路故障為例，仿真結果如圖6(b)、(c)所示。從圖中可以看出，故障線路電流差異不大，但已有方案故障切除過程中，等效在換流站出口側設置了虛擬短路點，導致非故障線路電流波動較大，電網電壓下降太快，一定程度上影響電網的正常運行；而本文所提方案由于在站端采用了預充電電容，可有效限制故障電流對站端的影響，保證故障線路可靠切除，同時非故障線路的電流很快恢復到正常運行狀態(tài)，動態(tài)性能優(yōu)越。且本文所提方案屬于半控固態(tài)開關式電容型直流斷路器方案，晶閘管的使用可大大降低電網的設備成本，經濟性更好。

3 電容型直流斷路器技術發(fā)展方向

經濟社會的發(fā)展對直流電網技術將提出更加復雜、嚴格的要求，尤其是短路故障切除的可靠性、快速性，因此機械開關式電容型直流斷路器難以滿足要求。全控固態(tài)開關式和半控固態(tài)開關式電容型斷路器因控制相對簡單、可靠性高，是未來的重要研究方向，具有較好的發(fā)展前景，但仍有許多需要解決的技術難題，如：

(1) 故障切除時間優(yōu)化：目前國內外多要求故障發(fā)生后5 ms內切除故障，包括故障定位、檢測和斷路器工作時間，縮短故障切除時間，有利于降低對系統(tǒng)控制保護的要求。

(2) 機械開關無弧分閘：直流起弧需要滿足電壓、電場強度的要求[31]，因此直流斷路器可從降低機械開關兩端的電壓、場強和電流大小來避免燃弧，提供系統(tǒng)的可靠性。

(3) 高壓電容研制：在幾十萬伏、幾百兆瓦的實際工程中，電容型直流斷路器的應用必須有能夠滿足耐壓耐流條件的高壓電容，而目前國內外的高壓電容主要通過小容量電容的串并聯(lián)設計，技術尚不成熟、成本昂貴[23]。

(4) 降低斷路器整體造價：大量串并聯(lián)的固態(tài)開關、高壓電容等需要巨大成本，因此保證斷路器可靠工作的情況下，降低設備成本是重要研究方向。

(5) 串并聯(lián)固態(tài)開關器件控制信號同步問題和故障切除后能量耗散問題。

4 結語

柔性直流輸電及直流電網技術是未來電力系統(tǒng)的重要組成部分，而直流斷路器更是其核心設備之一。本文以直流電網為應用背景，對直流斷路器的重要分支——電容型直流斷路器進行研究。首先，根據直流電網的特點，給出了直流斷路器的基本要求，并對現(xiàn)有的電容型方案進行分類、比較；接著提出一種新型組合電容型直流斷路器拓撲，詳細分析了工作原理，并搭建仿真模型驗證了其可行性和有效性；最后給出了電容型直流斷路器的發(fā)展方向和待解決的技術問題，為電容型斷路器的進一步研究作理論鋪墊。