高壓直流斷路器在柔性直流工程中的應(yīng)用研究

侯瑋琳

（華北電力大學，北京102206）

1 概述

隨著化石能源的逐漸枯竭以及由此帶來的生態(tài)環(huán)境不斷惡化等問題，世界各國廣泛開展對風能、太陽能等可再生能源的開發(fā)和利用。除常規(guī)的火力發(fā)電廠外，風電場與光伏電站逐漸在電力系統(tǒng)發(fā)電端的興起，給輸配電網(wǎng)絡(luò)帶來了新的挑戰(zhàn)。為解決采用交流輸電技術(shù)存在的電力系統(tǒng)調(diào)峰、電力系統(tǒng)安全、電能質(zhì)量等諸多問題，直流輸電因在穩(wěn)定性和容量方面都有著很大優(yōu)勢而得到廣泛關(guān)注。

柔性直流輸電技術(shù)是一種基于可關(guān)斷半導體器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的新型直流輸電技術(shù)，在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加系統(tǒng)動態(tài)無功儲備、改善電能質(zhì)量、增加系統(tǒng)對清潔能源的消納能力以及提高配電網(wǎng)可靠性和靈活性等方面都具有較強的技術(shù)優(yōu)勢。基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電技術(shù)相比于傳統(tǒng)常規(guī)直流輸電技術(shù)，具有環(huán)保性好、占地面積小、環(huán)境影響小等優(yōu)點，適用于太陽能等清潔能源并網(wǎng)、孤島（無源負荷）供電、大型城市供電等應(yīng)用領(lǐng)域，是構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要技術(shù)手段。目前國內(nèi)己投運的柔直工程多為兩端輸電系統(tǒng)，多端柔性直流輸電則是在兩端柔性直流輸電技術(shù)基礎(chǔ)上的一個重大技術(shù)躍變，采用3 個及以上換流站，通過不同方式連接起來構(gòu)成多端柔直系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電和多落點受電。

然而，由于直流系統(tǒng)的阻尼相對較低，相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的故障發(fā)展更快，控制保護難度更大。一旦直流線路發(fā)生故障，無法通過自身動作實現(xiàn)故障電流的清除，必須配備快速可靠的隔離措施。其中，隔離直流線路故障最為理想的方法是利用高壓直流斷路器（Direct Current Circuit Breaker ,DCCB）。

2 混合式直流斷路器拓撲

交流高壓斷路器技術(shù)已經(jīng)相對成熟，而高壓直流斷路器技術(shù)2012 年11 月才被ABB 公司攻克，然而，該斷路器造價昂貴，經(jīng)濟性差。就目前研發(fā)現(xiàn)狀而言，基于常規(guī)機械開關(guān)和電力電子器件的混合式高壓直流斷路器最具有大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的前景。混合式直流斷路器結(jié)合了機械式斷路器和固態(tài)斷路器的優(yōu)點，兼具機械式斷路器良好的靜態(tài)特性以及固態(tài)斷路器無弧快速分斷的動態(tài)特性，既具備較低的通態(tài)損耗，又有很快的分斷速度，更加適合應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)。

國家電網(wǎng)公司在舟山柔性直流輸電工程中開展了世界上首套高壓直流斷路器的商業(yè)化應(yīng)用。本工程使用的直流斷路器模型采用IGBT 全橋型（橋式）混合式直流斷路器模型。級聯(lián)全橋混合式高壓直流斷路器拓撲包含有主支路、轉(zhuǎn)移支路和耗能支路3 條并聯(lián)支路。斷路器主支路用于導通系統(tǒng)故障電流，由機械開關(guān)和含IGBT 的全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成，通態(tài)損耗低；斷路器轉(zhuǎn)移支路用于分斷系統(tǒng)短路故障電流，由多級全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成；耗能支路用于吸收系統(tǒng)短路電流并抑制分斷過電壓，由避雷器組構(gòu)成。

3 直流斷路器運行情況分析

本文基于PSCAD 仿真平臺搭建了上述直流斷路器的仿真模型，通過仿真系統(tǒng)故障電壓變化結(jié)果，來分析直流斷路器在工程中的運行情況。圖1 是設(shè)置正極接地短路后，僅由直流斷路器對故障電流進行分斷的情況下，故障極電壓波形結(jié)果，三條線分別表示了換流閥負極出口電壓、直流斷路器出口電壓以及電纜入口電壓波形。

圖1 正極短路故障極電壓波形

正常運行情況下故障極換流閥出口電壓保持在額定直流電壓-200kV。該電壓在短路時刻0ms 與斷路器閉鎖時刻均出現(xiàn)明顯過電壓，期間小幅振蕩。

直流斷路器出口電壓波形與換流閥出口電壓波形在DCCB動作前基本吻合，區(qū)別在于當DCCB 動作后，DCCB 出口電壓沒有迅速下降，而是在經(jīng)過振蕩之后接近0kV。

4 結(jié)論

本文分析了引入高壓直流斷路器對短路故障電磁暫態(tài)過程的影響，在研究了直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)與工作原理基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的仿真模型，并結(jié)合仿真結(jié)果對直流斷路器在工程中的運行情況進行了分析。本文主要結(jié)論有以下兩點：

4.1 換流站內(nèi)高壓直流斷路器采用級聯(lián)全橋混合式高壓直流斷路器拓撲，其中主支路、轉(zhuǎn)移支路的全橋子模塊結(jié)構(gòu)均為IGBT 全橋結(jié)構(gòu)；

4.2 從單極短路結(jié)果可以看出，直流斷路器擁有獨立分斷系統(tǒng)故障電流的能力，但換流閥不閉鎖，會使得正極直流斷路器開斷后持續(xù)耐受系統(tǒng)電壓，內(nèi)部電阻將過熱，對器件造成損害。