混合式高壓直流斷路器的控制策略與實驗研究

杜翼，江道灼，陳可，王玉芬，尹瑞，張弛

(浙江大學電氣工程學院，杭州市310027)

0 引言

隨著近幾年電力電子技術的提高，基于電壓源型換流器的高壓直流輸電技術得到快速發展，使得多端直流輸電網絡在工程中得到應用。與高壓交流輸電相比，高壓直流輸電的有功損耗相對較低，而無功損耗為零［1－3］。然而，高壓直流輸電系統中的阻抗相對較小，發生短路故障時，短路電流會迅速上升。因此，需要快速、可靠的直流斷路器來隔離故障，為了在換流過程中盡量減少干擾，應該在幾 ms內清除故障［4－6］。

現有的高壓直流斷路器(機械型)能夠在幾十ms內斷開電路，但對于高壓直流輸電系統，現有的高壓直流斷路器遠不能達到要求。此外，機械型高壓直流斷路器需要添加無功元件來制造電流過零點。現有的斷路器主要有:金屬回路轉換斷路器、中母線斷路器、中母線接地斷路器、大地回路轉換斷路器。這些斷路器和混合型高壓直流斷路器的差異主要在2個方面:(1)這些傳統的斷路器的動作速度遠遠慢于混合式高壓直流斷路器，且電流是被轉移而不是開斷;(2)這些傳統的斷路器只適用于電壓等級相對較低的輸電系統［7－9］。

雖然近幾年直流斷路器技術已經有了長足的進步，但國內外大多數的研究還基本處于樣機制作和驗證階段，容量較小且集中在一些特殊的領域，無法投入工程應用［10－11］。由于直流系統不存在電流過零點，因而直流電弧的熄滅比交流電弧困難得多。固態斷路器應用絕緣型雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、集成門極換流晶閘管(insulated gate commutated thyristors，IGCT)等全控電力電子器件串(并)聯構成固態開關回路，以實現直流電路的通斷，然而大量的全控型器件串并聯會產生較大的損耗［12－13］。本文采用一種混合式高壓直流斷路器的拓撲結構，能夠適用于相對較高的電壓等級，同時能夠在幾ms內開斷短路電流，很好地滿足高壓直流輸電系統的需求;同時提出了一種故障預處理的控制策略，在故障發生時提前進行換流，從而縮短故障發生后線路開斷的時間。最后利用PSCAD進行建模仿真，同時制作單元樣機進行降壓實驗，進一步說明提出的混合型高壓直流斷路器拓撲結構的有效性和可靠性。

1 限流式混合直流斷路器的拓撲結構與工作原理

1.1 拓撲結構

基于電力電子復合開關的限流式直流斷路器，其拓撲結構如圖1所示。機械開關S采用高速斥力開關，該裝置動作時間短，可以顯著縮短直流斷路器的開斷時間;電力電子復合開關由IGBT閥組T1與晶閘管閥組T2串聯構成，由于晶閘管的容量較大，靜態電阻也較大，其均壓(均流)技術亦較為成熟，因此該復合開關可以有效降低電力電子器件的串(并)聯數量及均壓(均流)難度;限流電路由限流電感L、晶閘管DL、DL'及能量釋放電阻RL構成，故障發生時，L用于限制短路電流上升率，故障切除后，L中儲存的能量經DL、DL'及RL釋放，并限制L的感應過電壓;續流二極管D用于釋放電源出口與短路點間的線路阻抗中儲存的能量，故障切除后，線路阻抗經續流二極管與短路點續流，其感應過電壓不會對其他設備產生影響。

圖1 基于電力電子復合開關的限流式直流斷路器拓撲結構Fig.1 Topology of DC hybrid circuit breaker with current limiting based on combinatorial electronic power switch

1.2 混合式高壓直流斷路器分閘特性

在線路正常運行時，固態開關部分關斷，而電路都流經機械開關。斷路器關斷時，此處換流方式以自然換流方式為例進行說明。在關斷時由于固態開關部分與機械開關部分相結合，能實現混合式開關的軟關斷和快速分閘，限制機械觸頭燃弧，提高主觸頭分閘速度。

直流線路正常供電時，斷路器兩端電壓US為0，機械開關電流iS為電路正常電流，固態開關電流iT為0。在t1時刻混合式直流斷路器開始正常分閘動作，驅動控制電路同時向固態開關部分發出導通動作信號，向機械開關部分發出分閘信號。由于機械開關動作時間相對固態開關部分慢得多，因此固態開關部分首先動作準備開始導通，但是由于此時機械開關部分仍然保持閉合狀態，機械開關兩端電壓US很小，一般達不到固態開關的導通電壓，因此固態開關部分仍然保持關斷。

直到t2時刻機械開關開始脫扣燃弧，電弧電壓開始上升，當t3時刻電弧電壓達到固態開關部分的導通電壓時，固態開關導通，此時由于固態開關通態電阻比電弧電阻小，電流開始實現換流，機械開關部分電流下降，固態開關部分電流上升。到t4時刻電流完全轉移至固態開關部分，完成了電流的轉換過程，機械開關電流iS下降至0，而固態開關電流iT為此時線路電流。之后固態開關需要持續導通一段時間保證機械開關完全動作以及絕緣恢復，直到t5時刻電弧完全熄滅，機械開關完成完全分閘，此時對固態開關發出關斷信號，固態開關關斷，多余儲能由緩沖、吸收及放電回路釋放，混合式斷路器實現分閘作用。整個正常分閘過程如圖2所示。

圖2 混合式直流斷路器正常狀態下分閘波形圖Fig.2 Waveform of hybrid mechanical-static DC circuit breaker when it is switching off normally

1.3 斷路器切除短路故障時的分閘特性

當發生短路故障時，混合式斷路器的切斷短路電流分閘過程與正常的分閘過程基本一致，當檢測電路檢測到短路故障時，由驅動控制電路向固態開關部分發出導通動作信號，并向機械開關部分發出分閘信號進行短路故障切除。只是由于短路發生，動作過程中電流持續增大，且動作過程中短路電流較正常切斷的運行電流而言大很多。其動作過程與換流特性可參見前文的闡述。

2 限流式混合直流斷路器的故障預處理控制策略

傳統的直流斷路器沿用了交流系統的故障處理方法，即通過接收上層控制系統的控制信號，或通過判斷線路瞬時電流值是否越限，來控制線路的通斷。而混合直流斷路器由于同時采用了機械開關與固態開關，且開斷時需經過換流過程，這為一種故障預處理控制策略的實現提供了可能，其流程圖如圖3所示。

圖3 直流斷路器故障預處理控制策略示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault pretreatment control strategy of DC circuit breaker

(1)當直流系統電流瞬時值不超出閾值，且線路電流變化率不超出設定值時，判定為故障未發生，因此直流斷路器不預先進行換流過程。若此時上層控制系統發出關斷信號，則直流斷路器在收到信號后開始關斷流程。

(2)當直流系統電流瞬時值超出閾值，但線路電流變化率始終未超出設定值時，判定為故障發生。在此情況下，直流斷路器無法預先進行換流過程，只能在判定電流越限后開始關斷流程。

(3)當線路電流變化率超出設定值，直流系統電流瞬時值尚未超出閾值時，判定為故障即將發生，開始進行“預關斷”過程，即發出機械開關關斷信號與復合開關導通信號，將線路電流換流至復合開關回路，并開始計時。繼續檢測線路電流瞬時值，若在設定時間內電流值超出閾值，或接收到上層控制系統的關斷信號，則判定為故障發生，直接向復合開關發出關斷信號，繼續完成斷路器關斷流程;若在設定時間內電流值始終未超出閾值，或未接收到上層控制系統的關斷信號，則發出機械開關導通信號，在機械開關閉合后斷開復合開關回路，重新將線路電流換流至機械開關回路，直流斷路器恢復正常運行。

相比傳統的故障處理方法，本文提出的故障預處理控制策略可以在電流越限前進行換流，從而縮短故障發生后線路開斷的時間。若提前換流后故障沒有發生，則在設定時間內，雖然直流斷路器的損耗有所增大(由機械開關的導通損耗增大至復合開關的導通損耗)，但并不會對線路的正常運行產生影響。

根據上述分析，當情況(2)發生時，直流斷路器無法預先進行換流過程，這種情況可以通過減小線路電流變化率的設定值來避免。當直流線路的等效負載電阻R突然減小時，線路可用以下微分方程表示:

式中:i為直流電流瞬時值;L為本文提出的限流式混合直流斷路器的限流電路電感(忽略線路阻抗)。解之得:

由式(2)可知，當R突然減小時，直流電流由額定值I逐漸上升至Udc/R。在該過程中，直流電流變化率不斷減小至0，其最大值為

由式(2)～(3)可知，在L確定的情況下，R越小，直流電流的變化率及其終值越大。設定直流電流允許閾值為1.25I，則 R的允許值為0.8Udc/I。將其代入式(3)得:

將式(4)作為線路電流變化率的設定值，當檢測到電流變化率大于該值時，可證明線路電流終值將大于1.25I，因此需進行“預關斷”過程;當電流變化率小于該值時，則不進行“預關斷”過程。

根據以上分析，故障預處理控制策略可縮短的線路開斷時間為直流電流開始上升至超出電流閾值所經歷的時間。當直流系統發生嚴重接地故障，且接地故障電阻為0時，可算得:

式中Δt為故障預處理控制策略可縮短的線路開斷時間。當接地故障電阻不為0時，可算得:

3 建模仿真

3.1 機械開關的建模仿真

機械開關在開斷短路電流的過程中會產生電弧，為了真實地模擬機械開關的特性，仿真模型中機械開關利用電弧模型進行模擬。Cassie電弧模型比較適合低電阻電弧以及大電流燃弧期間的電弧建模，在交流電弧理論中主要用于電流過零點前的電弧描述。而針對直流系統，由于不存在電流過零點，采用此模型較其他模型可以相對準確地反映直流電路中電弧的外部特性，對于不存在震蕩換流回路的直流斷路器的研制具有較為重要的理論意義。

電弧模型表示為如下方程:

式中:τ為模型中的電弧時間常數;g表示電弧電導;u和 uc則分別代表電弧電壓與電弧電壓常量［14－17］。

Cassie電弧模型表達了電弧電壓、電弧電導、時間常數、電弧電壓常數之間的關系，將電弧時間常數與電弧電壓常量視為常值處理。利用PSCAD建立電弧仿真模型如圖4所示，開斷過程電弧電阻變化如圖5所示。

圖4 電弧仿真模型Fig.4 Arc simulation model

3.2 斷路器的建模與仿真

利用PSCAD仿真軟件對所提出的限流式直流斷路器進行建模仿真。仿真參數如下:直流電源40kV;機械開關S為高速開關，電弧模型采用Cassie電弧模型如3.1節所述;固態開關開通時間10 μs，關斷時間400 μs(即SCR閥組T2的導通時間和零電流下正向阻斷能力恢復時間);緩沖電路 CT=100 μF、RT=50 Ω;限流電路 L=20 mH、RL=2 Ω;負載電阻 R=20 Ω，忽略線路阻抗。假設在t=0.5 s時發生短路故障，仿真結果如圖6所示。

圖5 開斷電弧電阻變化Fig.5 Arc resistance change during circuit current interrupting

圖6 直流斷路器仿真波形圖Fig.6 Simulation waveforms of DC circuit breaker

如上所述0.5 s時線路負載發生接地短路故障，由于采用故障預處理控制策略，故障判斷時間幾乎可以忽略。機械開關S在0.3 ms時基本完成換流，即電力電子復合開關于0.500 3 s導通。0.503 s，機械開關S完成零電壓下的分閘過程，此時向電力電子復合開關發出關斷信號。IGBT閥組迅速斷開，約400 μs后晶閘管閥組T2亦恢復正向阻斷能力，電力電子復合開關完全關斷，短路故障被切除。

4 實驗

為了驗證本文所述的高壓直流斷路器的有效性和合理性，進行了降壓實驗，制作了一個電壓等級為50 V的混合式直流斷路器的單元樣機。實驗電路的拓撲結構如圖1所示，電路器件參數如下:緩沖電路CT=47 μF、RT=50 Ω;限流電路 L=50 mH、RL=2 Ω;負載電阻R=50 Ω。由于不存在低壓實驗的高速斥力開關，為達到快速開斷的要求，采用固態開關進行模擬。

為了驗證上文所述的直流斷路器分閘過程的相關特性，利用單元樣機，進行了短路實驗。換流過程的實驗波形圖如圖7所示。t1時刻之前裝置工作在正常狀態，t1時刻發生短路故障;t2時刻模擬高速斥力開關斷開，IGBT閥組和晶閘管閥組閉合;t3時刻IGBT閥組和晶閘管閥組斷開;t3之后的時間段為能量釋放階段。

圖7 直流斷路器實驗波形圖Fig.7 Testing waveforms of DC circuit breaker

圖8 為IGBT閥組和晶閘管閥組開關過程的實驗波形圖。在t1時刻，IGBT閥組先斷開，t2時刻晶閘管閥組斷開。從實驗波形圖可以看出，在t1到t2時間內，IGBT閥組需要短時承受一個電壓，與理論分析相同，由于緩沖電容的存在，短時電壓值在能夠接受范圍。在晶閘管閥組關斷之后，即t2時間以后，相較于IGBT閥組，晶閘管閥組的靜態電阻更大，從圖8中可以看出靜態時，IGBT閥組承受的電壓遠小于晶閘管閥組靜態分壓。

圖8 IGBT與晶閘管斷開過程波形圖Fig.8 Waveforms of IGBT and thyristor interrupting process

5 結語

本文詳細地敘述了混合式高壓直流斷路器的工作原理。提出了一種故障預處理控制策略;利用PSCAD對Cassie電弧模型和整個混合式直流斷路器進行建模仿真，同時制作了單元樣機，進行了降壓實驗;仿真和實驗結果表明:在系統發生短路情況下，混合式直流斷路器能夠快速地開斷短路電流，還可以在直流線路分斷后為直流線路及負載中儲存的能量提供釋放回路，同時利用晶閘管閥組與IGBT閥組串并聯，有效地節省了 IGBT的數量，具有較大的經濟效益。

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