基于可控硅串聯技術的新型固態高壓直流斷路器

胡徐銘，王豐華，周荔丹，姚鋼

(電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室(上海交通大學)，上海 200240)

0 引 言

高壓直流斷路器是高壓直流輸電工程換流站的重要設備之一，其主要作用是改變直流系統的運行方式或清除直流側出現的故障。與交流輸電系統相比，直流系統阻尼較低，在線路發生短路故障時，電流上升快、幅值高，導致直流系統的故障發展快，控制保護難度高。此外，直流電流不存在自然過零點，實現其快速分斷的難度也大為增加。這些缺陷制約著高壓直流輸電網絡的發展。因此，研制能夠快速限制并切斷故障電流的高壓直流斷路器(High Voltage DC Circuit Breaker, HVDC CB)是維持直流電網安全穩定運行的關鍵技術之一[1-5]。

現有的高壓直流斷路器通常可分為三種類型：基于機械開關的機械式直流斷路器(Mechanical Circuit Breaker, MCB)、基于電力電子器件的固態直流斷路器(Solid-state Circuit Breaker, SCB)和基于機械開關和電力電子器件的混合直流斷路器(Hybrid Circuit Breaker, HCB)[6-9]。其中，MCB一般采用六氟化硫或者真空交流斷路器作為主分斷裝置，具備通態損耗低、耐壓強度高、可靠性高等優良的靜態特性。但是，MCB觸頭質量大，故障發生后動作時間長達數十個毫秒，無法有效抑制短路電流峰值。MCB分斷過程中會產生電弧，造成開關觸頭磨損，減少了使用壽命并且維護費用高，限制了其在高壓直流電網中的應用[10-13]。

以可控硅為代表的高壓電力電子器件應用技術的日益成熟，使得能夠實現快速、無弧關斷的HCB和SCB成為國內外學者和研究機構的研究熱點。其中，HCB主要由快速開關、電力電子器件和能量吸收支路的并聯回路構成，SCB的基本結構為電力電子器件與能量吸收支路的并聯。現有研究中，ABB公司提出了基于全控器件的HCB，通過關斷與快速開關串聯的少量IGBT，實現電流全部轉移，具有通態損耗小，控制簡單、靈活、可以模塊化設計及便于拓展的優點[14]。但是，IGBT串聯難度大、價格昂貴并且耐壓能力較差。文獻[15]提出了一種基于晶閘管的無弧HCB，其主支路由快速開關和晶閘管串聯組成，換流支路由預充電的吸收電容與整流橋串聯組成，具有較強的通流和分斷能力。晶閘管串聯技術成熟，可靠性高，耐壓能力強，但高壓輔助電源的存在增大了占地面積，提高了經濟成本。文獻[16]提出了一種SCB結構，采用一組反并聯全控電力電子器件和與其并聯的能量吸收之路來代替MCB，極大提高了開斷速度，但存在通態損耗大，造價高昂的缺陷。文獻[17]提出的改進SCB由晶閘管和IGBT并聯構成，降低了通態損耗，但成本較高，實用性差。文獻[18]進一步改進了IGBT電路串聯形式，提高了載流支路的耐壓能力，具有通態損耗低、通流能力強的優點，但成本較高。

基于此，提出一種基于可控硅串聯技術的新型固態高壓直流斷路器，詳細描述其拓撲結構和工作原理。進而通過PSCAD軟件中搭建仿真模型，分析其在不同電流下的開斷特性。最后在實驗室搭建高壓直流斷路器實物模型，驗證所提高壓直流斷路器的正確性及現實可行性。

1 新型固態直流斷路器方案

1.1 拓撲結構

圖1為文章所提出的新型高壓直流斷路器拓撲結構，主要由載流支路、電流轉移支路和能量吸收支路組成。其中，載流支路由可控硅串聯高壓開關T構成，具有控制載流支路通斷的作用。電流轉移支路由二極管高頻整流橋Z、吸收電容C、放電電阻R、高頻變壓器Tr和高頻逆變器Inv.組成。輔助直流源中的電壓經逆變器Inv.產生交流電壓，再經過變壓器Tr升壓后，最后通過整流橋Z轉變為直流電流給吸收電容C充電，形成反向電壓，使電流轉移。能量吸收支路由過壓吸收避雷器MOV構成，其作用是吸收電路中的過電壓。

圖1 新型固態直流斷路器拓撲結構

1.2 工作原理

圖2為新型高壓直流斷路器正常與開斷時的工作原理示意圖。

圖2 高壓直流斷路器各個階段的工作原理圖

正常工作狀態下，可控硅串聯高壓開關T導通，電源經過可控硅串聯高壓開關向負載供電。負載電流全部流經可控硅串聯高壓開關T，此時吸收電容C為完全放電狀態，如圖2(a)所示。

假設t0時刻發生短路故障，短路電流上升。至t1時刻后，短路電流達到斷路器預設動作電流Ia，斷路器動作。t2時刻使能高頻逆變器Inv.的脈寬調制信號，使得高頻逆變器Inv.輸出固定的高頻電壓，經高頻變壓器Tr將高頻電壓的幅值調整為適合二極管高頻整流橋Z整流的高頻電壓，二極管高頻整流橋Z對高頻電壓進行整流，輸出與可控硅串聯高壓開關T導通方向相反的電壓。此時可控硅串聯高壓開關T關斷，可控硅串聯高壓開關電流快速降為0，主支路電流開始向轉移支路轉移。如圖2(b)所示。

t3時刻，可控硅串聯高壓開關T關斷。二極管高頻整流橋Z的輸出電壓對吸收電容C快速充電，直流電源經放電電阻R和二極管高頻整流橋Z的二極管也給吸收電容C充電，充電電流同時供給直流負載，如圖2(c)所示。

t4時刻，禁止高頻逆變器Inv.的脈寬調制信號。此時高頻逆變器Inv.輸出為0，高頻變壓器Tr和二極管高頻整流橋Z的輸出也為0，僅由直流電源經放電電阻和二極管高頻整流橋Z的二極管給吸收電容充電，充電電流同時供給直流負載，如圖2(d)所。

t5時刻，使能可控硅串聯高壓開關T開通，此時吸收電容C經放電電阻R和可控硅串聯高壓開關T開始放電，除直流負載電流外，放電電流也流經可控硅串聯高壓開關T，如圖2(e)所示。吸收電容C完全放電后，可進行下一次切除直流支路的操作，此時狀態如圖2(a)所示。

1.3 數學分析

根據圖2所示的新型高壓直流斷路器各個階段工作原理圖，從數學角度分析其工作過程如下：

(1)第一階段：t0

發生短路故障時，由圖2(a)可見, 主載流支路的短路電流的表達式為:

(1)

式中τs=Ls/Rs，為時間常數；Udc為高壓直流電源；Rs和Ls分別為回路等效電阻和等效電抗。

t1時刻，達到斷路器預設動作電流Ia，有:

(2)

故可得:

(3)

(2)第二階段：t2

變壓器升壓經整流橋產生反向注入電流，可控硅被關閉。反向注入電流表達式為:

(4)

式中Uinv為逆變器產生的反向電壓。

聯立式(2)和式(4)，可得:

(5)

求近似解，得到:

(6)

(7)

式中t2是換流支路開始工作的時刻；t3為可控硅開關關斷時刻。

據此可得斷路器的近似關斷時間為:

(8)

式中a=-Rs/Ls；b=RsNUinv/Udc

2 仿真分析

根據資料顯示，目前研制中或已投入使用的直流斷路器額定開斷電流為4 kA～16 kA[6]。因此，分別在此分別針對直流斷路器開斷電流為5 kA、10 kA、15 kA和20 kA的情形進行仿真分析，說明其動作特性。

圖3為在PSCAD/EMTDC中搭建的新型固態高壓直流斷路器仿真模型。其中，短路故障通過時間信號控制負載電阻短路來模擬。同時，通過控制逆變器與可控硅的開關配合，來實現新型直流斷路器的快速分斷與恢復通流。

圖3 仿真電路圖

正常通流狀態下，載流支路的電流為1 kA, 0.097 s時負載發生短路，0.102 s時故障移除。短路電流分別為5 kA、10 kA、15 kA和20 kA。仿真部分由動作過程和影響參數兩部分組成，所用參數如表1所示。

表1 仿真參數

2.1 動作過程

新型主動換流式固態直流斷路器的動作過程可分為無弧分斷和恢復通流兩個步驟。限于篇幅，在此以短路電流為15 kA的情形進行說明。

(1)快速無弧分斷

當t=0.097 s時，線路發生短路故障，短路電流I上升至15 kA時，達到直流斷路器的監測動作電流。當t=0.100 s時，直流斷路器開始動作。高頻逆變器Inv.立即在脈寬調制信號的控制下開始工作，對可控硅串聯高壓開關T產生瞬時反電壓。可控硅串聯高壓開關T關閉，短路電流I在40 μs左右迅速下降為0，載流支路被切斷。流經吸收電容C中的電流為逆變器產生的反向電流和短路電流的疊加，可控硅串聯高壓開關T關閉后，短路電流被轉移至換流支路中。如圖4所示。

圖4 載流支路與換流支路電流波形

(2)快速恢復通流

當t=0.102 s時，故障移除。t=0.105 s時，高頻逆變器Inv.停止工作，二極管高頻整流橋Z的輸出也為0，僅由直流電源經放電電阻R和二極管高頻整流橋Z的二極管給吸收電容充電。充電電流同時供給直流負載，可減少損耗。t=0.12 s時，可控硅串聯高壓開關T在脈寬信號調制信號下立即導通。吸收電容C經放電電阻R和可控硅串聯高壓開關T開始放電，除直流負載電流外，放電電流也流經可控硅串聯高壓開關T，因此可控硅串聯高壓開關T導通時，主通流支路電流瞬間大于1 kA達到2.7 kA左右，如圖5所示。

吸收電容電壓和電流波形如圖6所示。由圖可見，t=0.100 s時，直流斷路器開始工作，短路電流轉入換流支路中，吸收電容開始充電。可控硅串聯高壓開關T再次打開前，電路達到短暫的平衡狀態，此時流經吸收電容的電流為0。t=0.12 s時，可控硅串聯高壓開關T打開，吸收電容開始反向放電，載流支路導通，實現恢復通流過程。

圖5 載流支路電流波形

圖6 電容電壓電流波形

載流支路電流波形如圖7所示。由圖可見，高壓直流斷路器分斷故障電流耗時40 μs左右，監測動作延遲約3 ms，總動作時間在4 ms左右。

圖8分別是不同短路電流時(5 kA、10 kA和20 kA)直流斷路器截流支路的電流波形。由圖可見，新型高壓直流斷路器能實現不同短路電流狀態下的快速分斷與恢復通流。因此，文中提出的新型主動換流式可控硅串聯固態直流斷路器，能夠滿足各電流等級的柔性高壓直流電網快速無弧分斷故障電流的要求，并且具有快速分斷恢復通流的能力，具備現實的可行性。

圖7 載流支路電流波形

圖8 不同短路電流時載流支路的電流波形

2.2 影響參數

2.2.1 變壓器變比

文中提出新型高壓直流斷路器的一個顯著特點是采用高頻變壓器來是減少高壓電容的使用，解決子模塊串聯式的通態損耗大和結構復雜問題，降低經濟成本。同時，還可以減少高壓直流斷路器的占地面積，更利于現實中并網運行。高壓變壓器變比的選擇主要與直流電壓和輔助電源Ua大小有關。出于實際中經濟成本考慮，通常以較小的輔助電源控制較大的直流電壓。

因為可控硅的延遲時間主要由電壓轉換速率(di/dt)決定，所以理論上存在最優點使得可控硅的關閉時間最短。可控硅的關閉時間大致公式為:

tcompl=t0×F(di/dt) + (di/dt)/Imax

(9)

式中t0是從可控硅數據表中得到的最基本的延遲時間，函數F(di/dt)是不同電壓轉換速率所對應的延遲時間。

在此選取電壓值為1 kV的輔助電源和30 kV的主電源，以短路電流為15 kA為例分析高頻變壓器不同變比對斷路器分斷時間的影響。

圖9 高頻變壓器變比與斷路器分斷電流時間關系

圖9為高頻變壓器變比與高壓斷路器分段時間的關系曲線。由圖可見，高壓斷路器的分段時間隨變壓器變比的增加呈現先下降和后上升的趨勢，有最小值存在。當變壓器變比取1.5時，分斷時間最短為49 μs。在此變比下，直流斷路器處于最佳工作狀態，現實應用中的經濟成本也相對較低。

2.2.2 電壓等級

提出的拓撲采用可串聯硅技術，通過改變晶閘管的串聯數量可以適用于不同的電壓等級，具有靈活性。其中，不同電壓等級與高壓直流斷路器分斷時間的關系曲線如圖10所示。由圖可知，電壓等級越高，直流斷路器分斷時間越長。

圖10 電壓等級與斷路器分斷電流時間關系

目前市面上的晶閘管能承受的最大反向電壓一般在0.2 kV～2.5 kV。以開斷電壓等級為30 kV為例，若選取耐壓等級為2 kV的晶閘管，考慮裕度，至少采用60/2=30個晶閘管，串聯于載流支路中。串聯的晶閘管數量越多，電路的通態損耗越大，晶閘管的控制難度越大，直流斷路器可靠性越低。

3 實驗分析

根據所提出的新型高壓直流斷路器所搭建的實物模型如圖11所示。其中，各個組成部分的參數如表2所示。

實驗過程中，可控硅門極信號周期設置為2.5 s，占空比為4%。通過dSPACE工作平臺輸出頻率為10 kHz、占空比為1的PWM波，控制逆變器工作時間為500 μs。實驗測得可控硅與負載電壓兩端電流電壓波形如圖12所示。

圖11 新型高壓直流斷路器實物模型

直流電壓/V吸收電容/μF負載電阻/Ω放電電阻/Ω變壓器變比輔助電源/V200101020201.515

圖12 實測電流電壓波形

由圖可見，實驗波形與仿真波形基本一致。正常通流時，載流支路電流為10 A。逆變器開始工作后，載流支路電流經過約1.5 ms降至0 A，電路實現關斷。恢復通流時，由于存在吸收電容的放電電流，通過可控硅的電流的瞬時值會高于正常通流值，經過約70 ms后，載流支路電流回到10 A。在負載端，由于負載電阻值相對直流電源值較大，導致延遲作用明顯，流經電阻的電流關斷時間約為100 ms。

顯然，所提出的新型直流斷路器能夠快速地分斷故障電流和恢復通流。此外，逆變器工作時間極短，無需散熱裝置，降低了成本。因此，提出的新型高壓直流斷路器拓撲結構具有理論正確性和現實可行性。

4 性能比較

將所提出的基于可控硅串聯主動換流式拓撲與ABB所提出的IGBT方案和文獻[19]中的晶閘管方案進行對比。

從技術性比較，ABB的方案控制簡便、靈活、可以模塊化設計、便于擴展，但IGBT串聯技術難度大。文獻[19]中晶閘管方案通流能力和分斷能力強，晶閘管串聯技術成熟，便于實現。但是該方案需要解決高壓輔助電源的設計問題。本文中提出的拓撲結構，相比于晶閘管能更快速地分斷電流，但是逆變器的安全問題需要進行特殊設計。

從經濟方面考慮，ABB所用的IGBT價格昂貴，耐壓能力不高，需要大量元件串聯，成本高。文獻[19]中晶閘管方案，耐壓能力強，成本較低，但是高壓電容和輔助電源的設計導致其占地面積大。本方案同樣耐壓能力強并且由于采用變壓器的設計，大大減小了占地面積和高壓電容的使用，從而成本更低。

三種方案總體對比如表3所示。由表可見，所提出的新型直流斷路器方案成本較低，分斷電流能力較強，具有現實可行性。

表3 三種拓撲性能對比

5 結束語

(1)仿真與實驗結果均表明：所提出的基于可控硅串聯技術的新型固態高壓直流斷路器能夠無弧、快速開斷故障電流；

(2)新型固態高壓直流斷路器方案采用可控硅串聯導通電流，通過逆變器與變壓器升壓產生反向電流實現電路關斷。具有通態損耗低、通流能力強和經濟成本低的優勢，適用于高壓直流輸電系統；

(3)存在合適的高頻變壓器變比，使新型高壓直流斷路器關斷時間達到最短。直流電壓源等級越高，新型高壓直流斷路器開斷電流所需時間越長。因此，為達到最佳開斷效果，在實際應用中應根據具體的開斷要求，選擇合適的參數。

受篇幅和實驗條件限制，提出的新型固態直流斷路器方案仍有待完善和拓展。例如，不同電壓等級下，高頻變壓器變比的選取；通過改變可控硅串聯方式，進一步減小通態損耗，等等。