混合式高壓直流斷路器控制保護系統

陳羽，石巍，楊兵，方太勛，盧宇，謝曄源

(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京211102)

0 引言

近年來，風能、太陽能等可再生能源大規模接入電網，其隨機性、分散性的特點給輸電系統帶來了新的挑戰。基于絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar translator,IGBT)的柔性直流輸電技術(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)可以靈活控制有功功率與無功功率的傳輸，且傳輸功率反向時直流電壓的極性不變，能夠滿足新形勢下的新要求[1—4]。然而，柔性直流輸電采用電壓源型換流器，直流系統阻抗低，當直流電網發生短路故障時，故障電流上升快、峰值大；對于無故障清除能力的換流器，需要通過交流側斷路器跳閘來清除故障，開斷時間長，故障影響范圍大；對于有故障清除能力的換流器，雖可通過閉鎖換流器以實現故障的清除，但會造成直流電網傳輸功率中斷，且對交流系統沖擊較大。因此，需要能在數毫秒內快速開斷故障電流的直流斷路器，切斷直流故障線路，實現換流站與故障點的隔離[5—7]。

目前我國已在多個柔性直流輸電工程中安裝直流斷路器。2016年，全球能源互聯網研究院研制的200 kV混合式高壓直流斷路器成功在舟山多端柔性直流輸電示范工程中投運，開斷時間為3 ms，最大開斷電流為15 kA[8—10]。2017年，華中科技大學與思源電氣聯合研制的160 kV機械式高壓直流斷路器在南澳多端柔性直流輸電示范工程中加裝并順利投運，開斷時間為5 ms，最大開斷電流為9 kA[11—14]。2019年底，張北±500 kV柔性直流電網示范工程全線架通，進入了帶電調試階段，該工程安裝配置的500 kV高壓直流斷路器，開斷時間小于3 ms，最大開斷電流為25 kA[15—17]。

隨著柔性直流輸電工程電壓等級的提高[18]以及直流斷路器電流開斷能力的提升，直流斷路器的組部件，如快速機械開關、電力電子器件及避雷器等，串并聯數目不斷增加，轉移支路甚至有上百級電力電子器件串并聯，直流斷路器本體結構設計也更加復雜，導致其發生故障的概率大大增加。本體組部件冗余設計可降低故障發生對直流斷路器正常運行的影響，但仍需安全可靠的控制保護系統及控制保護策略，對各類故障進行合理處理，提高直流斷路器最大穩定運行能力，同時降低故障導致直流閉鎖的風險[19—21]。

文中基于混合式高壓直流斷路器，首先介紹了混合式高壓直流斷路器拓撲；然后提出了其控制保護架構，并對其控制保護策略進行詳細設計；最后，通過實時數字仿真系統(real time digital system,RTDS)驗證控制保護系統的有效性和控制保護策略的正確性。

1 拓撲和基本原理

混合式高壓直流斷路器的典型拓撲如圖1所示，由主支路、轉移支路、耗能支路構成。其中，主支路包括多斷口串聯的快速機械開關S1和主支路閥組Q1。主支路閥組Q1由少量IGBT正反向串并聯組成。轉移支路采用橋式整流結構，包括橋式換向閥組和單向開斷閥組。橋式換向閥組由4組換向閥組D1—D4構成，每個換向閥組由多個二極管同向串聯構成。單向開斷閥組包括分斷閥組Q2和避雷器閥組MOV，分斷閥組Q2由多個IGBT同向串并聯構成[16—17]。

圖1 混合式高壓直流斷路器拓撲Fig.1 Hybrid HVDC circuit breaker topology

圖1中，I0為直流斷路器總電流；I1為主支路電流；I2為轉移支路電流；IM1為避雷器閥組總電流；IM2為避雷器閥組支路電流。

2 控制保護架構

混合式高壓直流斷路器控制保護系統，由控制系統和保護系統兩部分構成。

2.1 控制系統架構

控制系統架構如圖2所示，采用“冗余雙重化”設計，由控制單元(breaker control unit,BCU)和閥控單元(valve base contrl,VBC)組成。

圖2 混合式高壓直流斷路器控制系統架構Fig.2 Hybrid HVDC circuit breaker control system architecture

控制單元主要功能如下：

(1)通信接口功能。與柔直控保系統交叉互連，接收分合閘指令，并上送斷路器狀態；與直流斷路器保護系統交叉互連，接收本體保護動作信號；與直流斷路器閥控單元互連，接收本體組部件狀態，并發送組部件控制信號。

(2)冗余切換功能。控制系統正常運行時，A、B雙系統，1套值班運行，1套備用運行。控制系統發生故障時，可在A、B系統間進行冗余切換，始終保持狀態較好的系統為值班狀態。

(3)整機控制功能。根據控制指令，完成整機分合時序控制，并能監視及處理一次本體、二次系統的各類故障。

閥控單元主要功能如下：

與控制單元通信，將組部件控制指令分配給一次本體組部件，并將組部件狀態上送給控制單元。

2.2 保護系統架構

保護系統架構如圖3所示，采用“三取二”配置設計，由保護單元(breaker protect unit,BPR)和三取二單元(breaker 2-out of 3 unit,B2F)構成。

圖3 混合式高壓直流斷路器保護系統架構Fig.3 Hybrid HVDC circuit breaker protection system architecture

保護單元完成直流斷路器本體過流保護功能，通過采集總電流I0、主支路電流I1、轉移支路電流I2，進行合閘過流、主支路過流、轉移支路過流保護判斷，并將過流動作信號傳給三取二單元。

三取二單元對3臺保護單元的過流動作信號進行“三取二”邏輯判斷，交叉互連的方式出口至控制系統的主控單元，進行本體過流保護邏輯。

3 控制保護策略

3.1 控制策略

3.1.1 合閘控制

混合式高壓直流斷路器合閘控制步驟如下：

(1)初始分位，快速機械開關S1打開，主支路閥組Q1、轉移支路分斷閥組Q2均為關斷狀態。

(2)合閘開始，開通轉移支路分斷閥組Q2，電流從轉移支路流通，此時若線路存在預伏故障，合閘過流保護動作，Q2立即關斷；如果線路正常，則執行下一步，如圖4(a)所示。

(3)快速機械開關S1合閘，開通主支路閥組Q1。

(4)當快速機械開關S1合閘到位后，電流從轉移支路換流至主支路，如圖4(b)所示。

圖4 混合式高壓直流斷路器合閘控制步驟Fig.4 Closing sequence of hybrid HVDC circuit breaker

(5)當電流完全轉移至主支路后，直流斷路器合閘操作完成，直流斷路器處于合位。

3.1.2 分閘控制

混合式高壓直流斷路器分閘控制步驟如下：

(1)初始合位，快速機械開關S1閉合，主支路閥組Q1、轉移支路分斷閥組Q2均為開通狀態。

(2)分閘開始，關斷主支路閥組Q1，電流從主支路換流到轉移支路。此時若故障電流超過斷路器的最大分斷能力，轉移支路過流保護動作，分斷閥組Q2立即關斷，保護直流斷路器。如果故障電流未超過斷路器的最大分斷能力，則執行下一步，如圖5(a)所示。

(3)當主支路電流完全換流至轉移支路，快速機械開關S1分閘，進行無弧分斷，如圖5(b)所示。

圖5 混合式高壓直流斷路器分閘控制步驟Fig.5 Opening sequence of hybrid HVDC circuit breaker

(4)當快速機械開關S1分閘到位，關斷轉移支路分斷閥組Q2，電流轉移至避雷器閥組MOV。

(5)當線路電流耗散至0，直流斷路器分閘操作完成，直流斷路器處于分位。

3.2 保護策略

混合式高壓直流斷路器保護策略，包括本體過流保護策略、本體設備保護策略、輔助設備保護策略等。具體分類及保護內容如表1所示。

表1 混合式高壓直流斷路器保護分類Table 1 Protect classification of hybrid HVDC circuit breaker

3.2.1 本體過流保護

混合式高壓直流斷路器本體過流保護的保護判據、保護目的及保護動作見表2。

表2 混合式高壓直流斷路器本體過流保護Table 2 Hybrid HVDC circuit breaker overcurrent protection

根據直流斷路器開斷電流波形，如圖6所示，其中，IN為額定電流，主支路過流保護定值Iset1，轉移支路過流保護定值Iset2可根據斷路器最大開斷電流Imax以及直流線路故障電流最大上升率max(di/dt)反推導得到：

圖6 混合式高壓直流斷路器開斷電流波形Fig.6 Waveform of breaking current of hybrid HVDC circuit breaker

Iset1=Imax-max(di/dt)(Topen+Tdelay1)

(1)

Iset2=Imax-max(di/dt)Tdelay2

(2)

式中：Topen為直流斷路器開斷時間；Tdelay1，Tdelay2為保護延時。

另外，合閘過流保護定值Iset0可參考直流線路保護定值進行選取，一般為k倍斷路器短時耐受電流INm，k可取1.5。

3.2.2 本體設備保護

混合式高壓直流斷路器組部件、控制保護系統均為冗余設計。當組部件、控制保護系統故障數小于冗余數時，僅上報告警信息。當故障數超過冗余數時，本體設備保護動作，斷路器禁分禁合。具體保護判據及保護動作邏輯如表3所示。

表3 混合式高壓直流斷路器本體設備保護Table 3 Hybrid HVDC circuit breaker redundancy protection

另外，通過采集避雷器閥組總電流IM1和避雷器閥組支路電流IM2，對避雷器進行監視及保護。具體監視的狀態及判據如表4所示。當避雷器出現擊穿故障后，斷路器禁分禁合。其中，Iset-m1為避雷器兩支路差流定值；Iset-m2為避雷器動作定值。

表4 避雷器閥組狀態監視Table 4 Status monitoring of MOV

3.2.3 輔助設備保護

混合式高壓直流斷路器輔助系統包括冷卻系統、供能系統等。

(1)冷卻系統。冷卻系統為主支路閥組冷卻的輔助設備，對直流斷路器進行有效冷卻，同時檢測冷卻系統的各種故障，并產生告警或跳閘信號等。

當冷卻系統嚴重故障，向直流斷路器主控單元發送“請求旁路主支路IGBT”信號；當直流斷路器主支路IGBT旁路后，允許冷卻系統退出運行。

(2)供能系統。供能系統為本體組部件取能的輔助設備，將低電位的電能通過隔離變壓器耦合至高電位，實現高電位組部件的取能。

供能系統故障包括供能變壓器故障、主供能六氟化硫(sulfur hexafluoride,SF6)壓力低、不間斷電源(uninterrupted power supply,UPS)電壓輸出異常等，導致直流斷路器取能故障。

當冷卻系統、供能系統發生故障時，直流斷路器控制保護系統根據斷路器所處狀態不同，進行不同的保護動作邏輯。具體保護判據及保護動作邏輯如表5所示。

表5 混合式高壓直流斷路器輔助設備保護Table 5 Hybrid HVDC circuit breaker accessory system protection

4 仿真驗證

為驗證混合式高壓直流斷路器控制保護系統及控制保護策略，研制了一套500 kV/25 kA混合式高壓直流斷路器的控制保護系統，并通過RTDS進行仿真研究[22]，仿真電路如圖7所示，其中US為直流系統電壓;R為直流負載;K為接地故障點;L為平波電抗。仿真電路參數見表6。

圖7 混合式高壓直流斷路器控制保護系統仿真電路Fig.7 Simulation circuit of hybrid HVDC circuit breaker control and protection system

表6 混合式高壓直流斷路器控制保護系統仿真電路參數Table 6 Simulation circuit of hybrid HVDC circuit breaker control and protection system parameters

4.1 控制策略仿真

(1)合閘控制。圖8為混合式高壓直流斷路器合閘仿真波形。

圖8 混合式高壓直流斷路器合閘仿真波形Fig.8 Closing simulation waveforms of hybrid HVDC circuit breaker

1 s時刻，斷路器收到合閘指令后，轉移支路開通，轉移支路電流開始上升；線路無預伏故障，10 ms后快速機械開關合閘，同時主支路閥組開通；機械開關合閘后約35 ms開關合閘到位；1.046 s時刻，電流從轉移支路換流至主支路，合閘操作完成。

(2)分閘控制。圖9為混合式高壓直流斷路器分閘仿真波形。

圖9 混合式高壓直流斷路器分閘仿真波形Fig.9 Opening simulation waveforms of hybrid HVDC circuit breaker

1 s時刻，斷路器收到分閘指令后，主支路閥組立即關斷，直流斷路器3 kA的額定電流從主支路換流至轉移支路，電流轉移時間約30 μs；換流成功后，快速機械開關分閘；分閘到位且建立足夠的絕緣能力后，1.002 9 s時刻，轉移支路關斷，電流轉移至避雷器閥組進行耗散。

4.2 保護策略仿真

選取本體過流保護仿真參數如下，系統故障電流最大上升率max(di/dt)取3.55×103kA/s；保護延時Tdelay1，Tdelay2設為350 μs；開斷時間Topen要求小于3 ms；斷路器最大開斷電流Imax為25 kA；斷路器短時耐受電流INm為4.5 kA。計算得3個過流保護定值Iset0，Iset1，Iset2分別為6.8 kA，13 kA，23.5 kA。

(1)合閘過流保護。圖10為合閘過流保護動作仿真波形。

圖10 合閘過流保護動作仿真波形Fig.10 Simulation waveform of closing overcurrent protection

1 s時刻，斷路器收到合閘指令，立即開通轉移支路，電流上升；由于存在接地故障，電流迅速上升，超過合閘過流保護定值6.8 kA；經過保護延時，控制保護系統收到合閘過流保護動作信號，立即閉鎖轉移支路，故障電流開始下降，所關斷的故障電流約為8.0 kA。

(2)主支路過流保護。圖11為主支路過流保護動作仿真波形。

圖11 主支路過流保護動作仿真波形Fig.11 Simulation waveform of main branch overcurrent protection

斷路器處于合位狀態，1 s時刻，線路發生故障，故障電流上升超過主支路過流保護定值13 kA；經過保護延時，控制保護系統檢測到主支路過流保護動作信號，并立即將斷路器狀態置為禁分禁合狀態。由波形可知，再經過3 ms(開斷時間)后，故障電流已經上升至24.4 kA，接近斷路器最大開斷能力。

(3)轉移支路過流保護。圖12為轉移支路過流保護動作仿真波形。

圖12 轉移支路過流保護動作仿真波形Fig.12 Simulation waveforms of transfer branch overcurrent protection

斷路器分閘過程中，電流已換流至轉移支路，此時快速機械開關分閘操作過程中，轉移支路等待快速機械開關分閘到位后關斷，即完成斷路器分閘操作。但快速機械開關分閘到位前，故障電流上升超過轉移支路過流保護定值23.5 kA；經過保護延時，控制保護系統檢測到轉移支路過流保護動作信號，立即閉鎖轉移支路，故障電流開始下降，關斷時故障電流為24.7 kA，小于斷路器的最大關斷電流25 kA。避免故障電流進一步上升，超過轉移支路最大關斷能力。

通過上述仿真實驗結果，驗證了控制保護系統及其策略的正確性和有效性。

5 結語

直流斷路器可在柔直電網中迅速開斷故障電流，逐漸成為柔性直流輸電工程中的關鍵設備。文中以混合式高壓直流斷路器為對象，研究其控制保護系統及控制保護策略。

(1)提出了混合式高壓直流斷路器控制保護系統架構，該架構分為控制與保護兩部分，其中控制部分采用“冗余雙重化”的結構設計，保護部分采用“三取二”的結構設計，各部分結構清晰，功能完善。

(2)研究了直流斷路器控制保護策略。控制策略包括混合式高壓直流斷路器的分閘、合閘控制策略；保護策略包括3種本體保護，即本體過流保護、本體設備保護、輔助設備保護等。

(3)對500 kV混合式高壓直流斷路器控制保護系統，進行實時數字仿真，給出斷路器合分閘及本體過流保護仿真波形，充分證明了文中所提出的控制保護系統的可行性，及控制保護策略的正確性。

展望未來，混合式高壓直流斷路器控制保護系統及控制保護策略，還將根據實際工程需求不斷完善提升。