新型直流微網混合斷路器拓撲及仿真分析

張冠英，高 飛，羨一鳴，王 堯

(河北工業大學電氣工程學院，天津 300130)

1 引言

近年來，直流微電網以其獨有的優勢得到了廣泛的關注和重視，隨著大功率電力電子技術的不斷成熟，直流微電網系統在大容量、遠距離輸送方面的經濟性、穩定性和靈活性等優勢日益突出[1]。與交流系統不同，直流輸電不存在自然過零點，在發生故障時必須采用特殊方法制造過零點。另一方面，由于直流短路電流上升快、峰值高，斷路器必須在數毫秒的時間內完成分斷任務，才能滿足直流電力系統限流分斷的保護需要[2]。因此，直流斷路器在迅速可靠的切斷故障電流方面存在著一定的難題。目前主流的機械式斷路器分斷時間一般要數十甚至幾十毫秒，無法滿足電力系統的需要[3]。而混合式直流斷路器結合了機械開關良好的靜態特性與電力電子器件良好的動態性能，可以同時滿足斷路器開斷時間短、動作迅速、通態損耗小的要求[4]。

按照關斷原理，混合型斷路器可分為自然換流型和強迫換流型兩種[5]。自然換流型斷路器結構簡單、控制方便，但是這種關斷方案換流速度慢，難以滿足限流和快速性要求，一般只應用于無特殊限流要求的系統，如荷蘭Delft理工大學Polman[6]等人采用斥力開關和6組IGBT并聯結構設計了一種額定電壓為600V，分斷電流6kA的自然換流型混合式直流斷路器，大連理工大學黃金強[7]等人提出一種額定電壓為400V，基于快速斥力機構和IGBTs開斷單元并聯的混合式直流斷路器，整機分斷能力在2ms之內。強迫換流型斷路器基于強迫回路中電感電容的串并聯諧振，利用其產生的諧振電流與主開關上的電流相抵消產生過零點。與自然換流型混合式直流斷路器相比，該類型的斷路器轉移速度快、可靠性高，但一般的強迫換流型拓撲結構都需要額外的電容充電電路，使得斷路器體積大、結構復雜，大大增加了成本。例如亞琛工業大學電力電子與電氣傳動研究所C.Meyer[8]等人提出的一種強迫換流混合式直流斷路器拓撲，此拓撲結構中電容需額外的充電電路，電容的儲能，拓撲的電容值與切斷電流之間必須做到參數的高度一致，否則機械開關無法實現無弧的分斷。

目前，眾多高校研究所以及電氣設備制造公司都在對能夠快速無弧分斷的直流斷路器進行研究。若干新的混合直流斷路器拓撲結構和技術方案被提出[9-11]。在此基礎上，本文針對傳統強迫換流式直流斷路器需要給預充電電容增加額外的充電電路、機械開關無法準確快速熄弧分斷的問題，提出了一種基于零電流開斷的直流混合斷路器拓撲，并詳細介紹了斷路器的工作原理和設計方法，同時在Matlab中建模進行仿真分析，分析結果表明該拓撲結構可以使機械開關無弧分斷。之后針對不同外電路參數和轉移支路參數進行了電流轉移特性的仿真，著重分析了電路內部因素(IGBT支路參數、拓撲結構中的諧振電容C與電感L3、)和外部因素(不同故障電阻Rf、系統電流)對其分斷(分斷時間、分斷電流)的影響，為接下來混合式直流斷路器的結構設計及試驗提供了一定的依據。

2 混合直流斷路器拓撲和原理

2.1 拓撲結構

本文提出的優化設計后的直流斷路器拓撲結構由電感L1、機械開關部分MCB、電感L2、預充電電容C、電感L3、半導體IGBT分支和避雷器MOV能量吸收分支組成。系統負載由RL表示，發生故障時系統電阻由Rf表示，其結構如圖1所示。結構中MOV的作用有兩項，一是當關斷固態開關IGBT時限制瞬間產生的過電壓以防止損壞器件，二是當關斷IGBT時吸收在故障時系統中的短路能量。

圖1 直流混合斷路器拓撲圖

2.2 工作原理

當電路正常工作時，機械開關MCB承載線路負載電流，此時電力電子單元IGBT處于觸發導通狀態，但由于機械開關導通電阻一般為微歐級遠小于電力電子開關元件導通電阻(毫歐級)，此時電力電子支路基本無電流流過。因此，在正常情況下系統電流流過機械開關MCB，而IGBT支路、L3-C分支支路無電流通過。電容器C可通過系統電源充電，在電路拓撲中沒有任何額外的充電單元，換流電容電壓極性如圖2所示。

圖2 正常情況下電流路徑圖

以短路故障為例，當發生故障時，故障電流迅速上升，由于電感電流不能突變，因此在故障瞬間前后，流過電感L1與L2的電流不會突然變化。此時斷路器通過預充電電容C提供瞬態故障電流，電容電流IC迅速上升而電感電流IL2保持恒定，流過開關中的電流迅速減小，即流過開關中的部分電流將轉移流入IGBT支路。當電容器電流IC達到電感L2電流后，隨著IC的持續上升開關支路的電流將反向全部流入到IGBT支路。之后，電容C通過開關、IGBT、故障等效電阻Rf和電感L3形成諧振，在此期間開關電流將周期性的改變方向，產生一系列的電流過零點。而在故障期間隨著電流IRL增加，斷路器會通過電流檢測單元測量線路電流大小，通過控制單元計算線路電流大小及其上升率等參量，根據預定的脫扣時間限值要求發出脫扣命令，由脫扣器驅動機械開關MCB斷開，并在振蕩期間的電流過零點熄滅電弧。這一過程電流路徑如圖3所示。

圖3 發生故障時電流路徑圖

當開關在電流過零點完全熄弧斷開后，系統電流將全部轉移至IGBT支路，此后電感L2通過故障電阻Rf和電容C、電感L3組成另一諧振電路衰減振蕩，直到將電容電感中存儲的能量衰減為零。在經過短暫的延遲后，將電力電子器件IGBT關閉，系統電流隨之從半導體支路被轉移至避雷器MOV支路，最終系統電流的電磁能量被避雷器所消耗，故障被成功切除，這一過程如圖4所示。當故障被排查解決后，再次合閘開關，并給IGBT一正向導通信號，充電電容C會由系統電源在極短時間內完成充電，為下一次的開斷做準備。

圖4 開關斷開后電流路徑圖

3 電路設計與分析

3.1 振蕩條件的設計

由斷路器的工作原理可知，在系統發生故障時，含有開關、電容C、電感L3的回路可以發生諧振產生電流過零點是斷路器可以成功動作熄滅電弧的重要因素。在正常情況下，由于忽略了電感L1與L2的電阻，可得系統電流

(1)

假設在t時刻發生故障，此時系統阻值為Rf，通過計算二階電路的零輸入響應得電容電流IC表達式

IL3(t)=IC(t)=Ae-αtsin(ωdt)

(2)

(3)

(4)

R=Rf

(5)

L=L3

(6)

因此在故障期間產生振蕩過程需滿足條件

(7)

電流IC振幅必須大于正常情況下負載電流

Ae-αTd>IMCB

(8)

當同時滿足不等式(7)與(8)時，在發生故障后能夠產生一系列電流零點，若忽略故障電阻Rf，則：

(9)

由公式(9)可知振蕩周期僅與L3和C的值有關，因此在滿足振蕩條件的基礎上盡量選擇小電容小電感對于斷路器的快速關斷是十分有利的，但也必須滿足公式(8)的振幅要求。根據以上推導可大致選擇出合適的電感與電容。

電感L1的作用相當于一個電流限制器，也是為了限制故障電流的突變，因此在選擇電感值時可以選擇相對較大的電感。對于電感L2，還要考慮到當斷開機械開關后與電容C、電感L3、電阻Rf組成的諧振電路。忽略電阻Rf可得到衰減振蕩周期：

(10)

因此，為了使開斷故障電流后電容電感中儲存的能量被快速消耗，在滿足所有條件的情況下電感L2的值應盡可能地小。綜上所述可初步得到拓撲結構中所有電容與電感的量值，之后將所有參數代入仿真中得到進一步驗證。

4 仿真驗證與分析

4.1 直流開斷仿真驗證

為了驗證提出的混合直流斷路器的可行性，基于Matlab/Simulink平臺搭建了混合直流斷路器的模型。本文以直流系統接地短路故障為例，仿真參數見表1。

表1 仿真系統相關參數

根據表1中的參數進行仿真，仿真時假設系統在t1=1ms時發生接地短路故障，機械開關延時0.5ms開始動作觸點分離，在t4=3ms時關斷IGBT的觸發信號，得到混合斷路器各元件的電流仿真波形如圖5所示。

圖5 直流混合斷路器仿真結果

從圖5可以看出，斷路器的動作分為兩個階段。第一階段為故障電流轉移至IGBT支路的過程。仿真模擬在t1=1ms時發生短路故障，在故障瞬間前后，電感L2兩端電流保持不變并且是恒定的，如圖5所示。電容C提供故障電流并快速上升，流經開關的電流迅速減小降為零(約4μs)并周期振蕩，在t2約為2ms時電弧熄滅，開關完全斷開，電流轉移至IGBT支路。

第二階段為關斷IGBT，短路電流轉移到避雷器回路并消耗下降為零的過程。經過短暫延時在t3=3ms關閉IGBT的觸發信號，使得電流轉移到避雷器支路，由MOV開始在直流系統中傳導和吸收儲存的能量，并在t4約4ms時將電流消耗為零。電容C、電感L2、L3組成的諧振回路在t5=0.6s時將儲存在其中的能量衰減完，其部分振蕩衰減過程如圖6所示。

圖6 IL振蕩衰減波形

在t5=0.6s時假設短路故障被排除，閉合開關，IGBT再次觸發導通，經過約0.4s電容C就可以被充滿電，系統恢復正常運行，為下一次的開斷做準備，這一過程如圖7所示。

圖7 電壓UC波形

通過對電路的分析及仿真可知影響電流轉移的因素主要分為兩大類即外部因素和內部因素，外部因素指外電路參數對電流轉移的影響，例如故障類型，外電路線路參數等；內部因素是指混合開關轉移支路的內部參數對電流轉移的影響，包括轉移支路電阻和線路電感分量等。接下來本文將針對不同情況進行仿真，分析其電流轉移特性。

4.2 外部因素

4.2.1 不同故障電阻Rf下的開關動作情況

為研究斷路器在不同故障情況下電流由機械開關支路轉移到固態開關階段的開斷情況，在不改變初始參數的情況下，通過改變故障電阻Rf的大小測試模擬開關的動作情況，仿真得到的開關支路電流波形如圖8所示。

圖8 不同Rf下IMCB波形

從圖8可以看出混合斷路器在故障條件下運行良好。但隨著故障電阻的增大，在同樣的時間間隔內開關電流過零點數將逐漸減少，這對于機械開關的快速動作提出了一定的要求。若機械開關動作延遲過高，對于某些故障，從電流分斷時間角度來說可能無法在電流過零點前熄滅電弧，即斷路器不能正常動作。因此必須采取措施，通過改變電路的某些參數來確保斷路器可以可靠地動作。

4.2.2 系統電流對電流轉移的影響

為了對斷路器分斷電流的能力有一個初步的了解，在其它參數不變的情況下，通過改變線路電阻值分別得到200A、100A、80A、40A的系統電流在短路情況下的電流轉移波形如圖9所示。

圖9 不同大小系統電流在發生短路時的IMCB

從圖9中可以看出，對于系統在不同負載情況下發生短路時，負載電流越大，針對同一種斷路器，熄滅電弧的難度就越大。這是因為在電容C容量一定的情況下，其在發生故障時提供的瞬態電流是定值，而隨著負載電流的增大流過電感L2兩端的電流也會增大，這就使得在發生振蕩時制造的過零點個數會隨著負載電流增大而減小甚至發生無過零點的情況。因此，要提高斷路器分斷電流的水平，就需要提高電容的容量C，但這樣會使得系統的穩定性受到一定影響，所以對應于不同的場合需要在考慮一定裕量的情況下選擇最合適的電容容量，并考慮調節其它參數改善斷路器的開斷能力。

4.3 內部因素

4.3.1 IGBT支路參數對電流轉移的影響

根據之前的理論分析，發生諧振時，開關電流的振蕩周期與電容C、電感L3有關。而在實際情況中還需考慮到IGBT的轉移支路線路阻抗，轉移支路電阻的大小主要取決于導通后IGBT的內阻。在模擬仿真時，不改變其它參數的情況下假設IGBT的導通內阻從100～1000mΩ進行開斷電流仿真，得到電流轉移特性仿真曲線如圖10所示。

圖10 不同RIGBT下IMCB波形

從圖10中可以看出IGBT導通內阻的增大會使振蕩時電流的幅值減小、電流過零點數目減少，但振蕩周期基本保持不變。對于這種情況，同樣可能由于機械開關的延遲太高，而造成斷路器在分斷時間上因錯過電流過零點拒動作。分析電路可知這是由于轉移支路電阻限制了轉移電流的大小或者轉移電流上升的快慢，從而影響了轉移完成的成功率。因此在選擇IGBT的型號時因盡量選擇內阻小的類型，這樣會有助于提高斷路器的開斷性能。

4.3.2 電容C與電感L3對電流轉移的影響

由上述的理論分析可知，斷路器的分斷時間與開關電流的振蕩周期有關系，周期增大，所用時間也會相應變長。在系統發生諧振時，開關電流的振蕩周期與電容C、電感L3有關。因此在不改變初始其它參數的情況下，通過改變L3-C支路參數進行仿真得到電流仿真波形如圖11所示：

圖11 不同L3-C參數下IMCB

如圖11所示，可以看出當L3-C的乘積為定值時，發生故障時的電流振蕩周期基本保持不變，而電感L3或C的增大都會使得振蕩周期變大，這與之前分析得出的結論公式(9)一致。由此結論可知，在機械開關動作時間一定的情況下，若想提高斷路器分斷時間，可以通過減小電感L3或者C的值來實現。此外由圖11還可以發現電感L3與電容值C的值發生變化時對振蕩電流的幅值都會有影響，且電感L3的增大會使幅值變小，電容值C變大則會使電流幅值增大。若電容C與電感L3的值發生相同數量級的變化其對振蕩電流幅值的變化基本是一樣的。這也驗證了公式(3)的正確性。因此為了保持斷路器的可靠性、速動性，可以在要求動作范圍內選擇小的電感L3，對于電容器C則保持不變或者減小其容量以保持結構更加穩定。

5 結論

本文提出的直流斷路器不僅能夠迅速切斷故障電流熄滅電弧，并且結構中的電容不需要額外的充電結構供電，在進行了一次有效的操作并復位后，系統可以在極短的時間內給電容充滿電，大大降低了拓撲結構的復雜程度，并在一定程度上減少了能源的浪費。在理論分析的基礎上，進行了Matlab/Simulink建模，并對其進行接地短路仿真，仿真結果驗證了其可行性。之后又針對斷路器的電流轉移特性進行了仿真分析，得到了一系列影響其開斷故障電流的結論，為后續直流斷路器的搭建以及試驗提供了基礎。