高壓直流斷路器在柔性直流工程中的應用研究

侯瑋琳

（華北電力大學，北京102206）

1 概述

隨著化石能源的逐漸枯竭以及由此帶來的生態環境不斷惡化等問題，世界各國廣泛開展對風能、太陽能等可再生能源的開發和利用。除常規的火力發電廠外，風電場與光伏電站逐漸在電力系統發電端的興起，給輸配電網絡帶來了新的挑戰。為解決采用交流輸電技術存在的電力系統調峰、電力系統安全、電能質量等諸多問題，直流輸電因在穩定性和容量方面都有著很大優勢而得到廣泛關注。

柔性直流輸電技術是一種基于可關斷半導體器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的新型直流輸電技術，在提高電力系統穩定性、增加系統動態無功儲備、改善電能質量、增加系統對清潔能源的消納能力以及提高配電網可靠性和靈活性等方面都具有較強的技術優勢。基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電技術相比于傳統常規直流輸電技術，具有環保性好、占地面積小、環境影響小等優點，適用于太陽能等清潔能源并網、孤島（無源負荷）供電、大型城市供電等應用領域，是構建智能電網的重要技術手段。目前國內己投運的柔直工程多為兩端輸電系統，多端柔性直流輸電則是在兩端柔性直流輸電技術基礎上的一個重大技術躍變，采用3 個及以上換流站，通過不同方式連接起來構成多端柔直系統，能夠實現多電源供電和多落點受電。

然而，由于直流系統的阻尼相對較低，相比于交流系統，直流系統的故障發展更快，控制保護難度更大。一旦直流線路發生故障，無法通過自身動作實現故障電流的清除，必須配備快速可靠的隔離措施。其中，隔離直流線路故障最為理想的方法是利用高壓直流斷路器（Direct Current Circuit Breaker ,DCCB）。

2 混合式直流斷路器拓撲

交流高壓斷路器技術已經相對成熟，而高壓直流斷路器技術2012 年11 月才被ABB 公司攻克，然而，該斷路器造價昂貴，經濟性差。就目前研發現狀而言，基于常規機械開關和電力電子器件的混合式高壓直流斷路器最具有大規模商業化應用的前景。混合式直流斷路器結合了機械式斷路器和固態斷路器的優點，兼具機械式斷路器良好的靜態特性以及固態斷路器無弧快速分斷的動態特性，既具備較低的通態損耗，又有很快的分斷速度，更加適合應用于柔性直流輸電系統。

國家電網公司在舟山柔性直流輸電工程中開展了世界上首套高壓直流斷路器的商業化應用。本工程使用的直流斷路器模型采用IGBT 全橋型（橋式）混合式直流斷路器模型。級聯全橋混合式高壓直流斷路器拓撲包含有主支路、轉移支路和耗能支路3 條并聯支路。斷路器主支路用于導通系統故障電流，由機械開關和含IGBT 的全橋子模塊串聯構成，通態損耗低；斷路器轉移支路用于分斷系統短路故障電流，由多級全橋子模塊串聯構成；耗能支路用于吸收系統短路電流并抑制分斷過電壓，由避雷器組構成。

3 直流斷路器運行情況分析

本文基于PSCAD 仿真平臺搭建了上述直流斷路器的仿真模型，通過仿真系統故障電壓變化結果，來分析直流斷路器在工程中的運行情況。圖1 是設置正極接地短路后，僅由直流斷路器對故障電流進行分斷的情況下，故障極電壓波形結果，三條線分別表示了換流閥負極出口電壓、直流斷路器出口電壓以及電纜入口電壓波形。

圖1 正極短路故障極電壓波形

正常運行情況下故障極換流閥出口電壓保持在額定直流電壓-200kV。該電壓在短路時刻0ms 與斷路器閉鎖時刻均出現明顯過電壓，期間小幅振蕩。

直流斷路器出口電壓波形與換流閥出口電壓波形在DCCB動作前基本吻合，區別在于當DCCB 動作后，DCCB 出口電壓沒有迅速下降，而是在經過振蕩之后接近0kV。

4 結論

本文分析了引入高壓直流斷路器對短路故障電磁暫態過程的影響，在研究了直流斷路器的拓撲結構與工作原理基礎上，建立了相應的仿真模型，并結合仿真結果對直流斷路器在工程中的運行情況進行了分析。本文主要結論有以下兩點：

4.1 換流站內高壓直流斷路器采用級聯全橋混合式高壓直流斷路器拓撲，其中主支路、轉移支路的全橋子模塊結構均為IGBT 全橋結構；

4.2 從單極短路結果可以看出，直流斷路器擁有獨立分斷系統故障電流的能力，但換流閥不閉鎖，會使得正極直流斷路器開斷后持續耐受系統電壓，內部電阻將過熱，對器件造成損害。