適用于柔性直流電網的新型限流式直流斷路器

徐曼佳，王振浩，孫銀鋒，李國慶，王 拓

(東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林132012)

據中國2050高比例可再生能源發展情景暨路徑研究，至2050年可再生能源在我國總體能源消費中的比重將高達60%[1].電網作為能源的首要載體，除需要具備靈活開放的接納能力外，柔性可控的調節能力同樣不可或缺.柔性直流電網可以將不同的地域與冗余的輸電線路連接起來，能夠同時滿足多電源供電及多點受電的需求，在減少換流站數量的同時可提高供電可靠性[2-4].與此同時，其“低阻抗、高的故障電流，因此系統的故障保護尤為重要[5-6].其中由于直流不存在自然過零點，這使得故障電流的開斷成為了亟待解決的首要問題.

目前主要有兩種方案來處理直流側短路故障.第一種是用具有故障清除能力的鉗位雙子模塊或全橋子模塊替換典型的半橋子模塊[7-9]，但成本和功率損耗的增加影響了其經濟性，電網的短暫停運，影響其可靠性.第二種是使用直流斷路器隔離故障[10-12]，此方法可在不停運的情況下切除故障線路，具有邏輯簡單，能滿足大規模直流電網保護需求的優點，是未來系統保護發展的主要趨勢.國內外學者已提出的斷路器主要分為機械式、固態式、混合式三類，混合式直流斷路器由于兼具前兩者的優點，成為了目前發展的最主要方向.

混合式直流斷路器通常需要設置數百個電力電子器件以耐受電壓沖擊[13]，同時為了保證高壓直流輸電的可靠性，每條線路兩端需各配置一臺斷路器，隨著柔性直流電網的發展，復雜的輸電網絡將需要相當數量的斷路器，這使得電網造價十分昂貴.引言應闡述所研究對象的必要性，然后總結目前研究該對象所用的方法和存在的不足之處，進而引出本文研究的內容.新型多端口器件的應用引起了國內外學者的關注，基于多端口的思想，文獻[14]提出一種多端口直流斷路器(Multi-Port DC Circuit-Breaker，MP-DCCB)，充分利用了混合式斷路器結構，降低了電力電子器件投入數量.文獻[15]提出的斷路器拓撲僅適用于中低壓場合.多端口直流斷路器的一個重要弊端在于切除速度和容量之間的矛盾，試圖利用盡可能少的器件在短時間內切斷極大的故障電流，對斷路器的耐流、耐壓能力及避雷器的耗能需求提出了挑戰.兼具限流功能的混合式直流斷路器的出現可以降低斷路器在開斷時承受的電流電壓應力，文獻[16]提出了一種可分別針對瞬時性故障和永久性故障采取不同限流動作的混合式直流斷路器.文獻[17]考慮到MP-DCCB與線路中的固有平抗配合對抑制故障電流發展的作用，可有效降低故障電流.

本文利用混合式斷路器的優點，采取同一直流母線處多個斷路器共用轉移支路及耗能支路的思想，通過主動短路的方式進行引流，提出一種兼備限流及開斷功能的新型直流斷路器.在設計轉移支路時充分考慮晶閘管在成本、阻斷能力、耐壓耐流等級、可靠性等方面的優勢.采取先轉移，再限流，后斷路的動作時序以降低斷路器開斷時承受的電流電壓應力及避雷器的耗能需求.文中介紹了所提斷路器的拓撲結構、工作原理及控制策略，并通過PSCAD軟件進行仿真驗證.

1 基于MMC的柔性直流電網

典型的四端柔性直流電網如圖1所示，由4條直流線路將4個半橋型模塊化多電平換流器連接成網(Modular-Multilevel-Converter，MMC).圖中H、I、J、K為直流母線.每條線路兩端均裝設平波電抗器以降低故障電流上升速率，用L1～L8表示.直流斷路器安裝在圖中C1～C8處.

圖1 四端MMC直流電網

與交流系統相比，柔性直流系統呈現為低阻尼特性.系統控制器的控制周期為100 μs，比交流電網至少小2個數量級，動態響應迅速.且換流器中的儲能元件相對較多，在發生嚴重的直流短路故障后，換流器和直流側的儲能元件將快速放電，造成故障電流迅速上升.換流器中絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)的耐流能力一般為額定電流的2倍，若不采取限流措施，故障發生后1 ms～2 ms內電流便會超過其耐受上限，將損毀換流器中開關器件或者導致閉鎖，影響健全線路及其他部分的持續傳輸，進而使直流系統停運，因此線路保護和直流斷路器應當快速識別和隔離故障線路以確保系統運行的安全性和穩定性.

2 新型限流式直流斷路器拓撲及工作原理

2.1 斷路器拓撲

配置了常規直流斷路器的n端直流系統.直流斷路器安裝于每條線路的始末端如圖2(a)所示，以實現保護的選擇性.針對同樣的n端直流系統，采用多端口的思想設計了一種新型的直流斷路器如圖2(b)所示，其中連接在同一條直流母線上的n-1個直流斷路器被n-1端口的多端口直流斷路器取代.與常規單端口直流斷路器相比，采用適用于多端口的直流斷路器能顯著減少電力電子器件的數量，降低投資成本.

圖2 電網中的斷路器位置

本文所提出的具有限流能力的多端口直流斷路器拓撲如圖3所示，為保證故障線路的可靠開斷，所提斷路器采取共用部分模塊的思想，由通流支路、轉移支路、限流支路、斷流支路及耗能支路構成.通流支路包含快速機械開關和轉移開關.機械開關的分閘速度對于整個直流斷路器非常關鍵，因此通常選用高速斥力開關以縮短斷路器的開關時間.轉移開關TL由IGBT、二極管和泄能避雷器組成，其主要作用是將電流從通流支路換流至轉移支路，反串聯的結構實現了電流的雙向流動性.在主支路機械開關分閘時，轉移支路需承載數毫秒的故障電流.轉移支路包含兩部分：第一部分為晶閘管T1，第二部分為晶閘管T2與換流電容C串聯而成.換流電容為預充電電容，在正常工作情況下對其進行預充電.限流支路由晶閘管T3及限流電感LF串聯而成.本文耗能支路由氧化鋅避雷器(MOV)組成，主要用于限制IGBT過電壓幅值并吸收系統中存儲在感性元件中的能量.

圖3 斷路器的拓撲結構

斷流支路為斷路器的核心部分，其決定了斷路器的開斷性能.在斷開故障線路的過程中主斷路器往往要承受比較高的直流電壓，導致需要相當數量的IGBT，若要求其需同時具備較高的斷流能力，則應進一步應采用并聯的形式以達到設計要求.實際工程中，由于各個應用場景的電壓等級、所選開關元件設備的耐壓耐流特性均不相同，因此各部分器件可通過靈活的串并聯形式連接以滿足各個系統的需求.

2.2 直流斷路器動作時序

多端口直流斷路器電流開斷過程如圖4所示.當發生直流側故障時，斷路器工作過程分為：①穩態運行階段；②故障檢測階段；③電流轉移階段；④限流階段；⑤故障清除階段.

圖4 直流斷路器的動作時序

本文所提斷路器在階段③正式介入故障過程，并于階段⑤完成故障電流的清除.下文將詳細表述該斷路器的工作原理，對應的動作時序如圖4所示.以圖5中直流線路p發生單極接地短路故障為例進行分析.各階段的具體分析如下：

(1)穩態運行階段

此階段為系統正常運行狀態，圖5是穩態運行下直流電流的通路，此時線路機械開關KP和轉移開關TLp的IGBT均處于閉合狀態，換流電容C進行預充電.

圖5 穩態運行階段

(2)故障檢測階段t0

假設在t0時刻發生直流故障，如圖6.斷路器需經一定檢測時間后動作，檢測期間故障電流以指數形式增長并經通流支路自由發展，故障電流的時間常數由故障點到換流站直流側出口的等效電阻和等效電感決定，電流往往在幾毫秒內就能增長到極大值.假設故障線路為p，非故障線路為q，根據KCL、KVL可得故障電流ip為

圖6 故障檢測階段

(1)

(2)

公式中：idc為正常運行時電流穩態值；Lmmc為換流站等效電感；Ldc為線路平波電抗；Lline為線路等效電感；Udcq為換流站等效電壓源.

(3)電流轉移階段

t1時刻檢測到故障，斷路器立即開始動作，觸發T1、IGBT0同時導通，將短路電流引流至此支路，注入主動短路點，為切斷故障線路做準備，此時換流器放電電流以及非故障線路饋入電流將流入引流支路和故障點，但由于耗能避雷器的作用，流入故障點的電流幾乎可以忽略，如圖7(a).將t=t1帶入公式(1)可得ip(t1)=I1，此時故障電流ip為

(3)

經短暫時間延遲后，在t2時刻給線路p中轉移開關TLp的IGBT關斷信號以切斷通流支路中的故障電流，如圖7(b)所示，可實現機械開關的迅速無電弧分斷.

圖7 電流轉移階段

(4)限流階段

t3時刻機械開關完成分斷，給T2、T3導通信號，如圖8(a)，此刻T2承受正壓可立即導通，預充電電容C開始放電，T1開始承受反壓，一段時間后可完全關斷.

圖8 限流階段

C的放電過程可描述為

(4)

設預充電電容C的初始電容值為U0，將t=t3帶入公式(3)可得ic(t3)=iq(t3)=I3.將I3作為初值帶入公式(4)，可得

(5)

公式中：

(6)

在t5時刻電容完成放電，電容電壓降為0.隨后電容C開始反向充電，T3由于承受正壓可導通，如圖8(b)所示.由KVL，KCL可得

(7)

據分析可知，此時uc(t5)=0，由公式(5)、公式(6)可知ic(t5)=I5，帶入公式(7)可得

(8)

公式中：

(9)

當C充電至高于系統電壓時，C中電流逐漸減小.t6時刻電容電流降至0，此刻電流完全流過T3所在支路，限流電感完全投入回路中以達到限流作用.將t=t6帶入公式(8)、公式(9)，可得到ic(t6)=I6.此時故障電流為

(10)

(5)故障清除階段

t7時刻給IGBT0關斷信號，如圖9，故障電流將完全轉移至耗能支路，通過避雷器進行持續消耗，最終在t8時刻降為0.

圖9 故障清除階段

2.3 參數設計與元器件需求數量分析

預充電電容電壓初值決定了放電時間，該時間直接決定了T1是否可成功關斷，因此可給定T1的關斷時間Toff，設計使電容電壓放電時間等于Toff.

經上述過程分析可知T1承受的最大電壓UT1max為電容充電終值UCmax；T2承受的最大電壓UT2max為UCmax反向電壓與限流電感電壓之和的絕對值；T3因處于導通狀態而承壓較小.IGBT0承受的電壓主要取決于耗能避雷器的限制電壓Umov.

Umov取值越大，斷路器動作越快、避雷器所需耗散的能量就越少，但由于Umov決定IGBT0的個數，Umov越大意味著所需的IGBT0數量越多，經濟性越差.本文根據實際工程經驗暫取Umov=1 000 kV[20].

為保證直流電網的正常運行，傳統直流斷路器的主支路和轉移支路均需要配置可雙向導通的電力電子開關組器件，這使得斷路器成本增加了近兩倍.

假設故障下主斷路器需要的斷流能力為Imax，主斷路器兩側的最大壓差為Umax，；每個IGBT的斷流能力為I0，承壓能力為U0.則主斷路器設計需要的IGBT個數為(不考慮冗余情況)

(11)

公式中：α為方向系數.考慮到故障電流在直流網絡中有雙向可能性的存在，主斷路器必須需具有雙向開斷電流的能力，因此α取2.

本文設計的直流斷路器引流支路的高壓端與直流母線相連，開關組由若干個單方向的IGBT及反并聯二極管串聯而成，另一端直接接地，與常規混合式直流斷路器主斷路器相比僅需具備單向斷流能力，α取1即可，因此在同等斷流能力下所需的IGBT個數為

(12)

3 仿真驗證

為驗證上述直流斷路器的可行性及性能方面，在PSCAD平臺搭建了如圖10所示的四端環網仿真模型，各換流站的參數如表1所示，其中，換流站MMC1、換流站MMC2、換流站MMC4均采用定功率控制，功率分別為750 MW、600 MW、20 MW.MMC3采用定電壓控制，電壓等級為500 kV.對于本文所提斷路器，A代表安裝在線路側的部分，B代表安裝在直流母線的部分，其中C取8 μF，預充電電壓取15 kV，限流電感L取100 mH，t1時刻發生換流站1出口單極接地故障.

圖10 四端環網仿真結構圖

表1 換流站參數

3.1 故障切斷過程

在本文斷路器的動作過程中，各支路電流分別如圖11所示.3 s之前，直流電網處于正常工作狀態.假設在3s時，線路13發生單極接地短路故障，檢測到故障后，直流斷路器開始動作.圖11中，It為流入T1的電流；Ic為斷路器預充電電容所在支路電流；IL為斷路器限流電感所在支路電流；IMOV為流入避雷器的電流.

圖11 動作過程中各支路電流

如圖11所示，系統在t1時刻檢測到故障，斷路器投入動作，立即給IGBT0、晶閘管T1持續觸發信號，為通流支路的斷開準備.線路另一側接地形成了新的短路點，原有短路點被屏蔽，而由于電感的續流作用，此時部分故障電流轉移至T1支路流入大地；經過短暫延時，在t2時刻關斷轉移開關IGBT，切斷通流支路電流，則故障線路中的電流迅速下降，全部轉移至轉移支路，相應的，It迅速增大并伴隨斜率的變化；在t3時刻，故障線路的電流降至近似為0，機械開關K1開始進行分斷，故障線路逐步與電網分離，在經過短暫的動作時間后，開關可完全關斷.此時開始給晶閘管T2、T3持續觸發信號，T2由于承受正向壓降可立刻導通，電容C開始進行放電過程.機械開關K1開始分斷，使故障線路退出運行，與電網逐步分離，經過短暫的動作時間后開關可完全開斷.此時立即給晶閘管T2、T3持續觸發信號，T2由于承受正向壓降可立即導通，電容C開始進行放電過程.由于電容C的放電電流與故障電流方向相反且大于故障電流，T1將在T2導通后片刻承受反壓而關斷；在t5時刻電容完全放電完畢，根據特性開始進行反向充電，T3承受正壓而導通；在t6時刻，電容電流降至0，故障電流全部轉移至限流電感L所在支路，限流電感完全投入至電路以發揮限流作用，此時故障電流有明顯的斜率變化，增長速率變慢；在t7時刻關斷IGBT0，避雷器投入至電路進行耗能作用，故障電流最終在t8時刻降為0，至此故障被完全清除.

各端口電流如圖12所示.i1-i4分別為線路1-線路4的電流.非故障線路2和線路4由于距故障點較遠、阻抗較大，故障電流上升較緩，略有限流效果，無明顯波動；故障線路對應端口1的電流經顯著限流后被清除.

圖12 各端口電流

3.2 限流效果校驗

將ABB經典混合高壓直流斷路器和文獻[21]所提出的限流式高壓直流斷路器拓撲與本文所提斷路器進行比較，分別用方案1，方案2，方案3來表述.為驗證斷路器的限流效果，在相同場景下三種方案的故障線路電流如圖13所示.

圖13 線路13的故障電流

方案1的斷路器必須擁有雙向導通的能力，所需切斷的短路電流最大，需要承受的瞬時電壓沖擊最高，必須串聯大量IGBT器件進行分壓，并配置較多避雷器進行能量泄放.

方案2與方案3均為具備限流功能的直流斷路器，從波形中可分別體現出二者的限流效果，相比之下，方案2對故障電流的抑制效果與方案3相比稍弱，但其能量泄放過程最快.依據文獻[21]所述，該方法需要配置雙向導通的開關組.

由圖13可看出，本文所提斷路器的故障線路電流與其他方案相比可有效減少故障線路上的各器件電流應力，減少器件損耗.

3.3 經濟性校驗

在圖10所示的應用場景中，假設三種方案配置的IGBT型號均為5SNA 2000K450300，參數為4.5 kV/2 000 A，可在短時間最大承受2倍額定電流.

方案1，傳統ABB斷路器的最大短路電流為8.65 kA，IGBT開斷沖擊電壓為960 kV，故轉移支路需有3個并聯的IGBT開關組，每組串聯214個IGBT，考慮雙向導通的因素，引流支路共需配置1284個IGBT，故障隔離支路配置轉移支路所需IGBT的一半，該斷路器共需配置IGBT個數為1926個.

方案2，此種斷路器的轉換開關組電流最大值為3.33 kA，是故障1 ms之后電流的2/3倍，最大開斷電壓為520 kV，考慮到雙向導通的因素，故轉換開關組需要232個IGBT，短路閥段開關組最大故障電流為7.6 kA，最大開斷電壓為400 kV，考慮雙向導通的因素，需要356個IGBT，所以此方法總共需要(232×2+356×3)個IGBT，即1532個.

本文所提直流斷路器電流轉換開關組電流最大值為6.2 kA，最大開斷電壓為700 kV，考慮雙向導通因素，轉移開關組共需要624個IGBT，引流開關組最大短路電流為14 kA，IGBT開斷沖擊電壓為1 400 kV，故轉移支路需有4個并聯的IGBT開關組，每組串聯312個IGBT，由于另一端接地，無需考慮雙向導通問題，引流支路需要1248個IGBT.值得注意的是，此部分支路為連接在同一母線的多條出線共用部分，不同于傳統斷路器需要分別單獨配置在每條線路，即連接在同一母線的n條直流線路僅需配置獨立的轉移開關，此方法總共需要1248+624n個IGBT.在復雜的直流網絡中，此方法所需的IGBT數量將大大減少，經濟性良好.

方案對比如表2所示.傳統方案需要將斷路器配置到每條直流線路兩端，每個斷路器又需要相當大規模的IGBT組串聯，在直流電網高壓場合下所選用的單個IGBT造價十分昂貴，相應的投資成本較高；相對來說本文所提方案需要的IGBT數量較少，主要采用晶閘管作為轉移支路的開關器件，可以較大程度降低成本.

表2 三種方案對比

4 結 論

本文提出了一種適應于未來復雜直流電網的新型直流斷路器，主要結論如下：

(1)本文所提直流斷路器分為母線、線路側兩個部分，斷路器母線部分可以供多條線路共同使用，并且利用大量晶閘管代替傳統方案中的全控型IGBT器件，可極大程度降低裝置成本.

(2)預充電電容的存在可為機械開關提供一個近似于零電流、零電壓的關斷條件；可以實現半控器件的關斷，從而實現快速、可靠地對故障線路進行有效無弧分斷.斷路器中的限流支路可有效抑制故障電流的上升速率.

(3)與典型拓撲相比，所提斷路器可更有效減少故障線路上的各器件電流應力，減少器件損耗.