一種含有均壓均流電路的限流式高壓直流斷路器

陳可，江道灼，謝峰，杜翼

(1.浙江大學電氣工程學院，杭州市310027；2.國網福建省電力有限公司經濟技術研究院，福州市350012)

一種含有均壓均流電路的限流式高壓直流斷路器

陳可1，江道灼1，謝峰1，杜翼2

(1.浙江大學電氣工程學院，杭州市310027；2.國網福建省電力有限公司經濟技術研究院，福州市350012)

針對混合式直流斷路器電力電子器件依靠燃弧電壓導通，極易出現過壓過流等問題，提出了一種新型限流式直流斷路器拓撲，設計了其固態開關的均壓均流電路，并對其進行建模分析。所提出的拓撲在斷路器正常運行時無額外損耗，在短路故障發生時可以無延時地導通固態開關，并快速切斷短路電流，其均壓均流電路在不影響故障切除的同時能有效均衡各電力電子器件的電壓電流。最后對所提拓撲在PSCAD/EMTDC軟件平臺上進行建模仿真，結果表明提出的新型限流式直流斷路器能夠在短路故障發生時有效限制短路電流上升，快速切斷故障，并可靠地保護固態開關。

限流式高壓直流斷路器；短路故障；拓撲優化；均壓均流電路

0 引 言

對于柔性直流輸電系統，當直流側發生短路故障時，由于其較低的系統阻抗，短路電流將會迅速上升并達到很高水平。采用交流側斷路器來切除故障電流需要的時間過長(30～100 ms)，因此，通常利用高壓直流斷路器直接在直流側快速、可靠地切除故障[1-5]。混合式直流斷路器是高壓直流斷路器的一種，依靠機械開關導通正常電流，固態開關(電力電子開關器件)拉斷故障電流，具有運行穩定、通態損耗低、開斷無弧光、可靠性高等優點，是目前直流斷路器，研究的新方向，具有廣闊的應用前景[6-8]。

近幾年關于混合式直流斷路器的研究已有長足進步，但仍有問題制約著其應用到實際工程中，例如，其固態開關部分電力電子器件的均壓均流問題等[9-13]。ABB公司提出的混合式直流斷路器，其開斷時間為5 ms，開斷能力為9 kA[14]。其拓撲結構的工作原理是依靠與機械開關串聯的IGBT斷開流經機械開關支路的電流從而實現換流。然而該串聯IGBT在斷路器正常運行時，長時間導通，需要降溫系統，提升了設備復雜度；在斷路器開斷故障過程中會承受過壓風險，降低了可靠性。文獻[15]提出了一種限流式混合直流斷路器，依靠IGBT閥組和晶閘管閥組串聯構成的復合開關來開斷短路電流，但是并沒有論述固態開關中相應的均壓均流策略。

本文針對原有混合式直流斷路器存在的問題和缺陷，提出一種新型拓撲結構，分析其結構特點及短路故障切除原理，并提出一套詳細的固態開關支路均壓均流方案，進行故障開斷過程的建模與參數設計，最后通過仿真，對比分析驗證其可行性。

1 拓撲結構與工作原理

1.1 電路拓撲

文獻[15]提出的混合式直流斷路器依靠機械開關分閘產生的電弧電壓來為復合開關支路提供正向導通壓降，當系統檢測到故障發生時給復合開關支路發送的開通信號時，只有等到機械開關兩端的電弧電壓足夠大時才能開始換流，機械開關的分閘動作將會在遠高于線路正常工作電流的情況下進行。這樣不僅延長了短路故障切除時間，同時降低了換流過程的可靠性，對于機械開關的選擇更加嚴苛。

針對上述問題，本文提出了一種新型限流式混合直流斷路器，拓撲結構如圖1所示。圖中，機械開關采用高速斥力開關導通正常電流，降低通態損耗，縮短斷路器開斷時間；小電感L1遠小于限流電感L2，僅在短路故障發生瞬時提供固態開關的導通電壓，保證固態開關無延時導通，使短路電流快速換流至IGBT支路，確保機械開關在低斷口電壓下分閘；晶閘管DL1、DL2在換流過程中可以快速釋放L1儲存的能量，避免其在換流過程中產生阻礙換流的反向電壓，同時遏制了機械開關分閘所承受的電壓(固態開關導通壓降加上小電感反向電壓)；均壓、均流電路用于均衡各個IGBT器件上承受的電壓和電流；限流電感L2在正常合閘過程中抑制電流上升，起到緩沖作用，在線路正常運行時抑制直流紋波，在短路故障時限制短路電流上升；晶閘管DL3、DL4及電阻RL用以釋放切斷故障后電感L2儲存的能量。

圖1 新型限流式混合直流斷路器拓撲結構Fig.1 Topology of new current-limiting DC hybrid CB

1.2 小電感結構特點

根據直流輸(配)電網絡運行需要，直流潮流可分為正反2個方向:當潮流正向時，晶閘管DL1和DL3導通，DL2和DL4關斷；潮流反向時，晶閘管DL1和DL3關斷，DL2和DL4導通。對正向潮流進行分析，晶閘管DL1和DL3始終導通，等效為二極管，等效拓撲結構如圖2所示。

圖2 直流斷路器等效拓撲結構圖Fig.2 Equivalent topology of DC CB

令t1時刻發生短路故障，t2時刻系統檢測到故障并給開關發送導通信號，t3時刻機械開關開始分閘動作，in為線路正常工作電流。當機械開關支路不帶小電感L1時，t2時刻由于固態開關未導通，電流將持續上升到i2，直到t4時刻機械開關分閘后依靠燃弧電壓換流，才逐漸下降至0；對于新型拓撲結構而言，忽略IGBT的動作時間，小電感L1上產生的正向電壓使固態開關瞬時導通，此時機械開關還未動作，機械開關支路電流在電感L1作用下不再上升，保持在i1水平(略高于in)，并于t4時刻逐漸降為0，換流時間較不帶小電感時節省了Δt，如圖3所示。小電感L1保證了機械開關在低斷口電壓，略高于正常工作電流的情況下分閘，極大降低了對機械開關的要求，同時縮短了換流時間，增加了換流可靠性。

圖3 故障開斷過程機械開關支路電流對比波形Fig.3 Waveform comparison of current on mechanical switch branch during fault current breaking process

1.3 工作原理

當系統發生短路故障時，短路電流的開斷過程波形如圖4所示。

圖4 直流斷路器短路電流開斷過程工作波形Fig.4 Working waveform of DC CB during short-circuit current breaking process

短路故障切除分為3個階段:故障檢測(t0～t3)、換流分閘(t3～t6)和故障切除(t6～t9)。

(1)故障檢測。t0～t1時段直流線路通過機械開關向負載側正常供電。t1時刻發生短路故障，小電感L1瞬時產生感應電壓UL1，限流電感L2開始抑制短路電流上升。t2時刻，檢測出短路故障并發出機械開關分閘信號和固態開關開通信號(固態開關動作時間遠小于機械開關，相當于瞬時動作)。

(2)換流分閘。L1上產生的正向壓降使IGBT閥組在接收到驅動信號時直接導通，固態開關支路電流iQ開始上升，機械開關支路電流iS不再上升，維持在略高于線路正常工作電流的水平。t3時刻，機械開關開始分閘。t4時刻，換流開始，機械開關電流iS開始下降，小電感L1上產生一定的反向電壓，DL1導通釋放L1上儲存的能量，感應的反向電壓迅速恢復至0，避免其阻礙換流過程。t5時刻，換流結束，電流iS降為0。機械開關S在低斷口電壓(固態開關管壓降)下分閘，t6時刻完成分閘動作。

(3)故障切除。機械開關完成分閘后立刻向固態開關發出關斷信號，IGBT閥組關斷，閥組電壓UQ上升。由于均壓電路中有電容存在，電容短時充電，固態開關支路電流iQ繼續上升。t7時刻，電流iQ下降，同時限流電路電感L2感應產生的反電勢使DL2導通，L2中儲存的能量經由限流電路釋放。t8時刻，機械開關兩端電壓US上升至最大值(即電源電壓加上電感上感應出的反電勢之和)。t9時刻，限流電流iL降為0，故障徹底切除。

2 均壓、均流技術及參數設計

2.1 均壓、均流電路拓撲結構

新型限流式直流斷路器的固態開關部分由IGBT器件構成，對于高壓直流輸(配)電系統，單個IGBT器件可承受的電壓和電流有限，顯然無法滿足要求，需要采用多個IGBT器件串并聯來應用到實際系統當中。

如果將IGBT器件進行簡單的串并聯，由于器件自身參數(極間電容、雜散電感等)和驅動電路參數(吸收電容、柵極電阻、驅動信號延時等)的不一致，將導致串聯分壓和并聯均流不均，造成部分器件過壓損壞或者過流損壞，因而必須采用合適的均壓均流電路以保障固態開關不受損壞。均壓均流電路拓撲結構如圖5所示。

圖5 均壓均流電路拓撲結構圖Fig.5 Topology of equalizing circuit

按照工作狀態的不同，均壓均流可以分為靜態和動態:靜態均壓針對IGBT正向穩定阻斷狀態；靜態均流針對IGBT正向穩定導通狀態；動態均壓均流針對IGBT導通和關斷瞬間。在固態開關支路導通瞬間，由于機械開關始終處于合閘狀態，IGBT閥組只承受小電感產生的正向導通電壓，不用考慮均壓問題，此時閥組所承受的電流也遠小于關斷瞬間所承受的電流，因此動態均壓均流問題應當對關斷瞬間進行分析。在動態過程中，由于關斷信號延遲導致過壓過流損壞最嚴重。為了便于分析，下文將均壓策略和均流策略分開進行討論。

2.2 均壓原理分析及參數設計

假設短路故障電阻為0，并忽略圖3中的線路阻抗和小電感L1，在關斷信號發出之前(t1～t6)，限流電感能夠有效地抑制短路電流的上升速率，電感兩端電壓大致等于電源電壓:

式中:iL0為線路正常工作電流；t16為t1時刻至t6時刻所經過的時間。

均壓電路中，電阻RS用于靜態均壓，即RS遠小于IGBT關斷電阻，阻斷時，IGBT上的電壓分布就主要取決于RS的大小，所有RS取相同值時就能實現靜態電壓均衡。(一般取RS的值為關斷電阻Roff的1/ 10)。而IGBT兩端并聯的RCD回路則是用于動態均壓，當同一支路中一個IGBT先關斷時，由于電容兩端的電壓不會突變，先關斷IGBT的電流將會立刻換流到電容CS上，使電壓緩慢上升，當各個均壓電路參數選取一致時，就能實現動態均衡電壓的作用。電阻RB用于限制開關合閘時均壓電容的放電電流，避免造成過流損壞IGBT器件。

以單支路固態開關為例，為了計算均壓電容CS，假設有n個IGBT串聯，如圖6所示(RS為大電阻，可以視為開路)，其中g1(即圖6中第1個IGBT)先于其他器件toff1時間關斷。

式中:L2為限流電路電感；iL為限流電路電感電流；Udc為直流電源電壓。

t6時刻限流電路電感電流上升至iL6

圖6 單支路固態開關結構Fig.6 Structure of single branch solid-state switch

g1上的電流換流至ic1，則可得:

g1電容上的電壓值為

其他電容上的電壓約為0。由于toff1的大小在ns到μs級別，并且有限流電感L的存在，toff1時間內電流ic1的變化約為0。動態均壓過程發生在t6時刻之后，ic1≈iL6，g1與其他功率器件電壓差值為

為使各個IGBT達到均壓效果，令電壓差值小于0.1Udc，則可得:

由于IGBT全部關斷后，固態開關支路承受線路電壓，均壓電容將會充電至Udc(圖4中t6～t7過程)，然后短路電流才會經由電容下降至0。如果CS取值增大，則會導致充電過程時間加長，增加斷路器的短路電流切除時間。因此電容CS取值時也不宜過大，以免大幅延長短路故障切除時間。

在直流斷路器合閘時，復合開關首先導通，均壓電容CS經電阻RB放電。由于限流電路電感L較大，在CS放電的過程時可假設iL＝0，電容兩端電壓為Udc/n，流過固態開關的電流iQ為

根據式(7)選定RB，使固態開關電流iQ不超過單個IGBT器件的可承受電流值。

2.3 均流原理分析及參數設計

均流電路采用變壓器進行電流耦合，接法如圖5所示，不同支路從異名端接入，變壓器變比為1∶1。當通過磁芯的2條支路電流變化趨勢相同時，線圈中產生的磁通相互抵消，不產生感應電壓，2條支路正常通流，且電流相等；當2條支路電流變化趨勢不同時，變化較快的支路產生的磁通大于另一條支路，感應產生的電壓抑制前者的電流上升，促進后者電流變化，使2條支路達到靜態和動態的均流效果。

令固態開關有n條支路，其中1條支路Q1先于其他支路toff2時間關斷，等效電路如圖7所示，電容CS為均壓電路中的電容。

圖7 均流電路等效拓撲圖Fig.7 Equivalent topology of current balancing circuit

Q1支路關斷后，由于UT1的作用，使Q1電流換流至電容CS。均流變壓器產生感應電壓，阻礙i1減小，抑制i2～in增大。忽略變壓器中漏電抗Lσ，則變壓器原副邊產生的電壓大小相等，方向相反

式中:Lm為激磁電抗；im為激磁電流。

各支路電壓

變壓器在圖7接法中激磁電流等于原副邊電流之差。令ia＝in-in-1，則由(9)式可得

Q1支路在0～toff2過程可以用微分方程式(11)表示

式中:UC為均壓電容兩端電壓；i1在0時刻與其他各支路電流相等，為iL6/n。

結合式(10)，式(11)可簡化為

令n＝2，則可得:

求解公式(13)可得:

其中

將式(14)代入式(11)得:

式(16)中sin(At)在t>0時小于At，因此得

由于toff2≤10 μs，根據式(1)，不等式右邊約等于0，可以忽略。在時間toff2中，為使2條支路達到均流效果，令i1(toff)≥0.9i1(0)。因此得

同理，n條支路時可得:

則激磁電抗如下:

將toff2代入式(14)即可得到US(toff2)的值，根據式(9)，變壓器兩端承受的最大電壓為UTmax≈(n-1)US/n，故由此可以得到變壓器原副邊耐壓值。

對于耦合型變壓器而言，漏電抗Lσ的選擇應當盡量小，避免對換流過程產生影響。同時，Lσ取值應當與均壓電容值CS進行校驗，避免振蕩產生過電壓。

3 仿真分析

新型限流式混合直流斷路器仿真的拓撲結構如圖3所示，仿真參數如表1所示。

表1 直流斷路器參數Table 1 Parameters of DC CB

IGBT采用FZ1500R33HL3，其額定電壓為3.3 kV，額定電流為1.5 kA，因此固態開關支路采用4串聯3并聯的結構。

3.1 短路故障切除仿真

0.2 s時線路發生短路故障并發出固態開關導通信號和機械開關分閘信號，假設機械開關接收信號需要1 ms，分閘完成時間需要4 ms。限流式混合直流斷路器開斷過程仿真波形如圖8所示，其中iQ1為固態開關其中1條IGBT支路的電流值。故障發生瞬間，小電感L1感應出12 V的正向電壓使IGBT閥組立即導通，電流iQ1上升。機械開關于0.201 s開始動作，約1 ms后機械開關完成換流，iS降為0。0.205 s機械開關完成分閘，發出固態開關關斷信號，各IGBT支路電流迅速下降至0(iQ1降為0)，由于均壓電容的影響，約50 μs后，短路電流i下降至0。在t＝1.2 s時，流經限流電感L的電流iL降為0。

圖8 直流斷路器仿真波形圖Fig.8 Simulation waveforms of DC CB

上述仿真說明，小電感的存在確保了IGBT閥組在接收到驅動信號的瞬間即時導通，不再依賴機械開關的燃弧電壓，機械開關支路分閘時處于正常工作電流(500 A)，電壓接近于0的情況下，換流時間僅為1 ms。一方面增加了換流可靠性，另一方面降低了對機械開關的要求，縮短了換流時間。在小電感兩端反并聯晶閘管有效遏制了小電感上產生的反向壓降，避免其阻礙換流過程。

3.2 均壓均流效果仿真

為了驗證2.1節提出的適用于新型限流式混合直流斷路器中固態開關的均壓均流拓撲結構的有效性，本節對含有均壓均流電路和不含有均壓均流電路2種拓撲結構進行對比仿真。

0.205 s時發出固態開關關斷信號，Q1支路中各IGBT的關斷延時為10 μs，圖9分別為IGBT閥組有、無均壓電路對比仿真波形，g4相對g1延遲30 μs關斷。

圖9 斷路器開斷過程電壓量對比仿真Fig.9 Comparison of voltage volume during CB breaking process

在沒有均壓電路時g1電壓迅速上升，造成短時過電壓，30 μs后其余IGBT都斷開，g1恢復至正常斷開電壓；而有均壓電路時，g1關斷后電壓上升速度減緩，并和g4關斷后的電壓上升速度保持一致。在0.205 4 s左右均壓電容充電完成，2個器件達到相近的電壓穩定值，達到均壓效果。

同樣令3條支路的關斷延時為10 μs，Q2支路相對Q1支路延時20 μs關斷。從圖10的對比仿真中可以看出，沒有均流電路時，Q1支路關斷后，電流迅速轉移至Q2支路，造成短時過電流，直到0.205 03 s，Q2支路關斷時電流才降為0；而有均流電路作用時，Q1支路關斷后Q2支路電流始終保持原來的上升速度，直到0.205 03 s時電流降為0，達到均流效果。由圖9～10可知，仿真結果和上文分析相符。

4 結 語

圖1 O 斷路器開斷過程電流量對比仿真Fig.1O Comparison of current volume during CB breaking process

本文對限流式混合直流斷路器的拓撲進行了改進并對其短路故障切除原理進行了研究。通過對故障切除過程均壓、均流等問題的建模分析，提出了一套詳細的均壓均流方案。仿真結果證明，新型限流式混合直流斷路器能夠在不影響短路故障切除速度的前提下，確保固態開關無延時導通以及換流過程的完成，降低了對機械開關的要求，同時小電感在正常運行時不會產生多余的損耗，也無須冷卻系統；均壓、均流電路能有效保護固態開關，避免因為驅動信號延遲等原因引起的器件過壓、過流問題。新拓撲的局限性在于機械開關仍無法實現零電壓關斷(關斷電壓等于固態開關導通壓降)，因此機械開關須具備一定的滅弧能力。

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(編輯：張小飛)

A Current-Limiting HVDC Circuit Breaker with Equalizing Circuit

CHEN Ke1，JIANG Daozhuo1，XIE Feng1，DU Yi2
(1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.Electric Power Research Institute of Fujian Electric Power Co.，Ltd.，Fuzhou 350012，China)

The conduction of power electronic devices in DC hybrid circuit breakers(CB)relies on arc voltage，which will easily cause overcurrent，overvoltage and other problems.In view of this，this paper proposed a new current-limiting DC CB topology，designed the equalizing circuit of its solid-state switch and carried out the simulation analysis.The proposed topology does not produce loss in the normal operation of CB，and instantaneous trigger solid-state switch with quickly cutting short-circuit current during short-circuit faults.The equalizing circuit can balance the voltage and current of each power electronic devices without affecting the failure removal.Finally，the proposed topology was simulated by PSCAD/EMTDC.The results show that the proposed new current-limiting DC CB can not only limit the current rising rate when the fault occurs，but also cut fault quickly and effectively protect the solid-state switch.

current-limiting HVDC circuit breaker；short-circuit fault；topology optimization；equalizing circuit

TM 561

A

1000-7229(2015)11-0108-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.017

2015-07-07

2015-09-10

陳可(1991)，男，碩士研究生，研究方向為柔性交流輸電技術；

江道灼(1960)，男，教授，博士生導師，研究方向為交直流電力系統控制、電力電子及柔性交流輸電、配電網自動化；

謝峰(1989)，男，碩士研究生，研究方向為柔性交流輸電技術；

杜翼(1990)，男，碩士研究生，研究方向為直流配電網、電力電子在電力系統中的應用。

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃)(2013AA050103)。Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2013AA050103).