新型直流斷路器的設(shè)計(jì)與仿真

欒 會(huì)，毛承雄，王 丹，陸繼明

（華中科技大學(xué)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074）

直流系統(tǒng)絕大多數(shù)采用兩端系統(tǒng)，直流斷路器的研制水平制約著直流輸電的發(fā)展。交流斷路器的開(kāi)斷是通過(guò)電流零點(diǎn)來(lái)完成的，而直流沒(méi)有自然零點(diǎn)，因此開(kāi)斷直流電流必須創(chuàng)造過(guò)零點(diǎn)。

目前，直流斷路器的最高電壓和電流可達(dá)到250 kV、8 kA 或500 kV、4 kA[1]。高壓直流輸電系統(tǒng)中的直流斷路器設(shè)計(jì)所采用的方法是將通過(guò)交流斷路器的直流轉(zhuǎn)換為有電流零點(diǎn)的交流，利用交流斷路器所設(shè)計(jì)的直流開(kāi)斷方案，達(dá)到開(kāi)斷大電流的目的。電流疊加法是一種較為切實(shí)可行的方法，即在直流系統(tǒng)中疊加強(qiáng)制的逆電流或振蕩電流來(lái)得到電流零點(diǎn)[2-3]，但會(huì)使疊加電流正向幅值增大至少1 倍，加大了分?jǐn)啻箅娏鞯碾y度，可能會(huì)使斷路器分閘時(shí)產(chǎn)生的電弧更大，給開(kāi)關(guān)觸頭帶來(lái)更大的損壞。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)電力電子變換器可產(chǎn)生特定且大小可變的交流電流，與直流故障電流相疊加產(chǎn)生電流過(guò)零點(diǎn)的同時(shí)能夠有效減小疊加電流的幅值，從而減小斷路器分閘時(shí)產(chǎn)生的電弧，延長(zhǎng)直流斷路器的壽命。

1 直流斷路器的構(gòu)成及開(kāi)斷原理

1.1 常規(guī)的直流斷路器

常規(guī)的直流斷路器由外部電源向振蕩回路的電容C 充電，電容C 通過(guò)電感L 向開(kāi)斷裝置QB的電弧間隙放電，振蕩電流疊加于原電弧電流，強(qiáng)迫電流過(guò)零[4]，其工作原理如圖1 所示。

圖1 有源型疊加振蕩電流的直流斷路器工作原理Fig.1 Principle of active DC circuit breaker with superimposes oscillation current

LC 振蕩電路產(chǎn)生的電流是正負(fù)對(duì)稱的，如圖2 所示，在產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn)的同時(shí)會(huì)使疊加電流的正向幅值增加至少1 倍，這樣會(huì)增加直流斷路器開(kāi)斷電流的難度，可能會(huì)使斷路器分閘時(shí)產(chǎn)生的電弧更大，直接影響直流斷路器的壽命。

圖2 采用LC 振蕩電路的直流斷路器的電流波形Fig.2 Current waveform of DC circuit breaker with LC oscillator circuit

1.2 直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流斷路器主要由4 部分組成：以形成電流過(guò)零點(diǎn)為目的的回路、由交流斷路器改造而成的開(kāi)斷裝置QB、防止直流流經(jīng)中頻變壓器的隔直電容C2、防止產(chǎn)生過(guò)電壓的非線性電阻R，見(jiàn)圖3。

圖3 采用電力電子器件的直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Topological structure of the DC circuit breakerwith power electronic devices

形成電流過(guò)零點(diǎn)的回路由逆變電路（以單相全橋逆變器為例）、濾波器、中頻變壓器和隔直電容組成，其中中頻變壓器可以隔離電位、變換電壓、調(diào)配功率。當(dāng)無(wú)故障發(fā)生或故障切除后，直流母線上的電流不能通過(guò)隔直電容，可以有效保護(hù)中頻變壓器使其不飽和。

1.3 開(kāi)斷原理

直流斷路器的工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)到直流故障電流后迅速觸發(fā)逆變電路的開(kāi)關(guān)管。逆變器產(chǎn)生的交流電壓加到QB 和隔直電容C2組成的回路中；產(chǎn)生的交流電流i 疊加到直流故障電流Idc上，產(chǎn)生人工過(guò)零點(diǎn)，在電流負(fù)半波內(nèi)的合適時(shí)刻觸發(fā)QB 使之分?jǐn)唷．?dāng)故障電流消失后迅速撤除逆變電路的觸發(fā)信號(hào)，其通過(guò)直流開(kāi)關(guān)的電流為

式中：Idc為母線上的直流電流；isw為通過(guò)直流開(kāi)關(guān)觸頭的電流；i 為通過(guò)隔直電容的電流。

常規(guī)的直流斷路器疊加電流的正向幅值較大，為了克服這一缺點(diǎn)，改變電流i 的波形，使其從正負(fù)對(duì)稱變?yōu)檎?fù)不對(duì)稱，但是由于隔直電容不能通過(guò)直流電流，且直流分量會(huì)使變壓器飽和，這就要求電流i 的正負(fù)波形對(duì)時(shí)間的積分相同，即要求電流波形在1 個(gè)周期內(nèi)的積分為0。

電力電子技術(shù)中通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷狀態(tài)可以產(chǎn)生所需的波形，如圖4 所示。圖中正向波形是頻率為f、幅值為M 的正弦半波；負(fù)向波形包括2 個(gè)頻率為2.5f、幅值為0.125M 正弦半波和1 個(gè)頻率為5f、幅值為4.5M正弦半波。采用單相全橋PWM 逆變器，當(dāng)載波比較大時(shí)，逆變器產(chǎn)生的電壓波形和調(diào)制波的波形一致[5]，而通過(guò)隔直電容的電流i 是逆變器產(chǎn)生的電壓u2的微分，即

圖4（a）的波形可以保證產(chǎn)生的電流在1 個(gè)周期內(nèi)的電流波形積分為0，通過(guò)較大幅值的負(fù)向電流產(chǎn)生電流過(guò)零點(diǎn)，較小幅值的正向電流使疊加電流的正向幅值增加較小。

圖4 直流開(kāi)關(guān)的電流波形Fig.4 Current waveforms of DC switch

調(diào)制波的積分波形如圖5 所示。

圖5 調(diào)制波波形Fig.5 Modulation waveform

2 Matlab 仿真及結(jié)果分析

2.1 仿真參數(shù)

利用Matlab/Simulink 進(jìn)行仿真，調(diào)制波的頻率選為4 kHz，波形見(jiàn)圖5。

本文設(shè)計(jì)的直流斷路器主要用于直流配電網(wǎng)，其電壓等級(jí)相對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)較低，故障電流相對(duì)較小，故直流斷路器額定開(kāi)斷電流選取為5 000 A。半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件中IGBT 額定電壓電流較大，工作頻率較高，大功率下可以達(dá)到20 kHz。由于直流斷路器的開(kāi)斷時(shí)間為幾十ms[1]，電力開(kāi)關(guān)器件只是短時(shí)工作，開(kāi)關(guān)管發(fā)熱較小，故開(kāi)關(guān)頻率的選取可以比長(zhǎng)期工作時(shí)稍高一些，取為40 kHz。

2.1.1 LCL 濾波器的參數(shù)

LCL 濾波器是濾除逆變器開(kāi)關(guān)諧波的有效手段，具有比LC 濾波器更優(yōu)異的性能，能夠克服由于電網(wǎng)阻抗的不確定性而影響濾波效果的缺點(diǎn)，選取較小的電感電容值，即可有效地衰減高頻諧波[6]。LCL 濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)較復(fù)雜，設(shè)計(jì)不合理時(shí)不僅達(dá)不到預(yù)期的濾波效果，反而會(huì)增加波形的畸變，造成系統(tǒng)性能惡化，需要多次嘗試，才能找到合適的參數(shù)[7]。

通過(guò)對(duì)調(diào)制波進(jìn)行FFT 分析，調(diào)制波的截止頻率約為50 kHz，所以選取L1=0.1 μH；L2=0.2 μH；C1=200 μF。則LCL 濾波器的截止頻率為

2.1.2 隔直電容的參數(shù)

由于負(fù)向電流的頻率較高，衰減較大，電流負(fù)向最大幅值只能達(dá)到正向幅值的2.5～3.5 倍。

直流斷路器的額定開(kāi)斷電流為5 000 A，若要產(chǎn)生人工過(guò)零點(diǎn)，則通過(guò)隔直電容的電流負(fù)向最大幅值需達(dá)到約5 200 A，正向幅值達(dá)到約2 000 A。

直流電源電壓ud為550 V，變壓器二次側(cè)電壓u2的有效值約為120 V，則經(jīng)過(guò)C2的電流為

C2的取值為

故取隔直電容C2為600 μF

2.1.3 中頻變壓器的參數(shù)

逆變器產(chǎn)生的電壓頻率是4 kHz，故采用中頻變壓器，其頻率與調(diào)制波頻率相同。直流斷路器工作時(shí)，變壓器二次側(cè)的電流很大，采用降壓變壓器可以降低變壓器一次側(cè)的電流。中頻變壓器一次側(cè)額定電壓為1 500 V，二次側(cè)額定電壓為400 V。

變壓器通過(guò)的電壓和電流波形都不規(guī)則，只能估算其容量。二次側(cè)電壓峰值約為150 V，則隔直電容C2的容抗XC約為

則中頻變壓器的容量為

利用中頻變壓器短時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)，其容量取2倍的裕度，為30 kVA。

2.2 開(kāi)斷不同直流電流的情況

仿真中故障電流的上升率均為10 A/μs，分3種情況分析直流斷路器開(kāi)斷直流電流。

1）直流斷路器開(kāi)斷5 kA 的故障電流

仿真條件：1 ms 時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障，直流母線上電流由200 A 上升到5 kA，系統(tǒng)檢測(cè)到故障后1.56 ms 觸發(fā)直流斷路器中的逆變器動(dòng)作。仿真波形如圖6 所示。

2）直流斷路器開(kāi)斷2.5 kA 的故障電流

仿真條件：1 ms 時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障，直流母線上電流由200 A 上升到2.5 kA，系統(tǒng)檢測(cè)到故障后1.56 ms 觸發(fā)直流斷路器中的逆變器動(dòng)作。仿真波形如圖7 所示。

3）直流斷路器開(kāi)斷200 A 的正常電流

電力系統(tǒng)中有些正常操作也需要斷開(kāi)電流，設(shè)斷開(kāi)的正常電流為200 A，1.56 ms 時(shí)觸發(fā)直流斷路器中的逆變裝置。仿真波形如圖8 所示。

由圖6 可見(jiàn)，當(dāng)直流母線上出現(xiàn)5 kA 的故障電流時(shí)，直流疊加電流產(chǎn)生了過(guò)零點(diǎn)，疊加電流的正向幅值約為7.4 kA，相比直流故障電流幅值增加了0.48 倍；由圖7 可見(jiàn)，直流母線出現(xiàn)2.5 kA 的故障電流時(shí)，直流疊加電流的正向幅值約為3.65 kA，相比直流故障電流幅值增加了0.46 倍。

由圖8 可見(jiàn)，當(dāng)直流斷路器控制疊加較小的電流產(chǎn)生電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)，逆變器的調(diào)制比較小，逆變產(chǎn)生的電壓其諧波含量較高，故產(chǎn)生的電流波形與理想波形有一定的差異，但是直流開(kāi)關(guān)能夠承受的電流比正常電流大得多，此時(shí)不需要采取降低正向疊加電流幅值的措施。

圖6 開(kāi)斷5 kA 故障電流時(shí)各電流波形Fig.6 Current waveforms when fault current is 5 kA

圖7 開(kāi)斷2.5 kA 故障電流時(shí)疊加電流isw 的波形Fig.7 Waveform of isw when fault current is 2.5 kA

圖8 開(kāi)斷200 A 電流時(shí)疊加電流isw 的波形Fig.8 Waveform of isw when normal current is 200 A

通過(guò)LC 電路產(chǎn)生振蕩電流的直流斷路器只能夠產(chǎn)生大小固定的電流，而本文中的直流斷路器能夠根據(jù)實(shí)際所需開(kāi)斷的電流來(lái)改變逆變器的調(diào)制比，產(chǎn)生大小合適的電流與故障電流相疊加，從而能夠有效減小疊加電流的幅值，減小直流斷路器開(kāi)斷時(shí)產(chǎn)生的電弧大小，提高直流斷路器的可控性的同時(shí)延長(zhǎng)了直流斷路器的壽命。

2.3 調(diào)制波頻率的選擇

常規(guī)的直流斷路器其LC 振蕩回路的頻率一般為1.8～7 kHz[8～10]。為了與現(xiàn)有的開(kāi)斷裝置開(kāi)斷電弧的頻率相配合，開(kāi)關(guān)管的頻率固定為40 kHz，仿真比較了調(diào)制波頻率分別為1、4、6 kHz 時(shí)直流開(kāi)關(guān)上的疊加電流的波形，從中選擇較優(yōu)的調(diào)制波頻率。仿真波形如圖9 所示。

圖9 不同頻率的調(diào)制波在各頻率下疊加電流isw 時(shí)的波形Fig.9 Waveforms of isw with modulation wave at different frequency

由圖9 可見(jiàn)，當(dāng)調(diào)制波頻率為1 kHz 時(shí)疊加電流的正向幅值最小；當(dāng)電流負(fù)向幅值波動(dòng)時(shí)，由于開(kāi)關(guān)頻率只有40 kHz，調(diào)制波為6 kHz 時(shí)，載波比較小，導(dǎo)致逆變電壓的諧波較大。

考慮目前大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的頻率、逆變效果和疊加電流的正向幅值增加倍數(shù)等因素，調(diào)制波頻率選取4 kHz 較合適。

2.4 逆變器最優(yōu)觸發(fā)時(shí)刻的選擇

逆變器在觸發(fā)開(kāi)關(guān)管后需要一段時(shí)間才能夠進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，為了讓其產(chǎn)生的波形盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，故障時(shí)直流開(kāi)關(guān)上的電流在暫態(tài)過(guò)程中不被惡化，必須選擇合適的觸發(fā)時(shí)刻。以單相全橋逆變電路為例加以分析，其主電路原理如圖10 所示。

圖10 單相全橋逆變電源的主電路原理Fig.10 Principle of single-phase full-bridge inverter

逆變電源的開(kāi)環(huán)截止頻率由輸出濾波器決定，而輸出濾波器一般設(shè)計(jì)為開(kāi)關(guān)頻率的1/10 左右，遠(yuǎn)小于開(kāi)關(guān)頻率。利用狀態(tài)空間平均思想求得逆變橋開(kāi)關(guān)變量的平均值為

當(dāng)單相全橋逆變器的上、下開(kāi)關(guān)管輪流開(kāi)通關(guān)斷時(shí)，逆變橋輸出幅值為ud或-ud的脈沖電壓，取開(kāi)關(guān)變量表示通斷控制，得到逆變橋和PWM過(guò)程的等效狀態(tài)空間平均模型[11]，即

式中，ud為直流電源的電壓。

當(dāng)負(fù)載電流i0作為擾動(dòng)量時(shí)，逆變電源輸出濾波器取輸出電壓u0和電感電流i1為狀態(tài)變量。u1和i0分別為輸入量和擾動(dòng)量，輸出電壓u0為輸出量，可以得到逆變器輸出濾波器線性雙輸入、單輸出狀態(tài)空間模型，其在連續(xù)域下的狀態(tài)方程[12]為

不同的觸發(fā)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的uc起始值不同，即u1不同，直接導(dǎo)致逆變輸出電壓的起始值不同。為了不使逆變器觸發(fā)時(shí)刻直流開(kāi)關(guān)上的電流情況變得更嚴(yán)峻，必須選擇合適的時(shí)刻觸發(fā)逆變器。

仿真條件：1 ms 時(shí)系統(tǒng)發(fā)生故障，直流母線上的電流從200 A 上升到5 kA，在1 個(gè)周期（0.25 ms）內(nèi)用列舉法仿真了不同觸發(fā)時(shí)刻的疊加電流波形，如圖11 所示。

圖11 不同觸發(fā)時(shí)刻疊加電流isw 的波形Fig.11 Waveforms of isw at different trigger time

由圖11 可見(jiàn)，當(dāng)1 ms 發(fā)生故障時(shí)，在1.56 ms即0.24 倍周期的時(shí)刻開(kāi)始觸發(fā)開(kāi)關(guān)管最優(yōu)。不同的裝置，參數(shù)不同，應(yīng)用場(chǎng)合不同，其最佳觸發(fā)時(shí)刻也不同，最佳觸發(fā)時(shí)刻可以通過(guò)計(jì)算和仿真得到。圖12 所示僅為其中之一種情況。

圖12 1 個(gè)周期中的最優(yōu)觸發(fā)時(shí)刻Fig.12 Optimal trigger time in one cycle

3 結(jié)論

（1）電流產(chǎn)生回路包含電力電子器件，具有可控性，能夠產(chǎn)生特定波形的電流與直流故障電流疊加，產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn)的同時(shí)能夠有效降低疊加電流的正向幅值。

（2）與常規(guī)直流斷路器相比，該直流斷路器能夠根據(jù)所需開(kāi)斷電流的大小控制產(chǎn)生大小合適的電流，從而減小疊加電流的正向幅值，降低直流斷路器開(kāi)斷瞬間電弧對(duì)直流開(kāi)關(guān)觸頭的損傷，提高直流斷路器的使用壽命。

直流斷路器的逆變器采用的調(diào)制波只是一種探索方案，可以對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化，使直流斷路器的各項(xiàng)性能更優(yōu)。

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