一種配網級聯式固態直流斷路器的拓撲設計

丁璨，聶太平，田小健，袁召

(1. 三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學電氣與電子工程學院)，武漢 430074)

0 引言

近年來，隨著光伏發電、風力發電等可再生能源發電和儲能裝置的接入以及各類電力電子換流器的發展，直流配電網相對于傳統交流配電網的優勢越來越明顯[1 - 5]。由于直流電網的阻抗小，當發生短路接地故障時，會出現過高的瞬時電流，而且直流配電網中存在著大量的IGBT、二極管和晶閘管等電力電子器件無法承受瞬時大電流，若不及時處理故障，系統將會造成重大損失，因此直流配電網必須快速切除隔離故障[6 - 8]。直流斷路器是解決這一問題的有效方法[9]。

直流斷路器是直流配電網的核心設備，在電網正常運行期間，可以調整電網的運行狀態以實現調度的靈活控制。在發生故障時，直流斷路器可以快速切斷故障電流并隔離電網的故障部分[10 - 12]。目前研究的直流斷路器重點集中在輸電領域，適用于配電網的直流斷路器較少。直流斷路器按斷路器的拓撲和分斷電流可分為純機械式、固態式和混合式直流斷路器[13 - 14]。純機械式開斷電流速度較慢，混合式開斷速度較快、通態損耗低，但是主要運用在中高壓直流輸電領域[15 - 16]。對于直流配電網而言，固態式斷路器因其優異的性能受到了國內外的廣泛關注，特別是風力和光伏發電的發展為固態式斷路器提供了開發的基礎和廣闊的發展前景[17 - 19]。

文獻[20]提出一種采用半控型器件代替全控型器件的固態斷路器拓撲結構，減少了投入費用，但是不能實現完全的軟關斷，關斷速度比全控型器件慢。文獻[21]提出了一種基于IGBT串聯技術的固態式方案，能夠在10 kV條件下關斷實驗，將直流斷路器應用到更高的電壓等級場合，但串聯均壓難度較大。文獻[22]提出了晶閘管與橋式IGBT單元串聯再與串聯IGBT單元并聯的拓撲，通過對時序控制策略分析，驗證了該策略能夠有效保護各部分器件，確保直流斷路器的安全運行。文獻[23]提出了一種在轉移支路用晶閘管單元串聯級聯模塊的拓撲結構，將級聯模塊應用到轉移支路可以降低損耗，但增加了控制的復雜性。

針對以上的拓撲方案的優缺點，本文提出了一種適用于直流配電網的級聯模塊式固態直流斷路器設計方案。本文首先介紹了該方案的拓撲結構，詳細分析了斷路器的工作原理和時序控制；對各部分參數進行了等效數值分析，并借助PSCAD/ETDMC的電磁暫態環境進行了仿真驗證，通過與其他的方案進行對比分析，說明了本文所提方案的優勢。

1 級聯模塊式固態直流斷路器方案

1.1 拓撲結構

圖1為本文提出的級聯模塊式固態直流斷路器方案的拓撲結構，具有雙向導通和阻斷電流、雙向切除故障的能力。

圖1中，該拓撲主要由主支路、轉移支路和耗能支路組成，其中，故障電流、主支路電流、轉移支路電流、換流電容電流、耗能支路電流分別用is、iz、iT、ic、imov表示。D1—D4為橋式二極管組，用以保證發生故障時對IGBT的復用，從而減少IGBT的數量。本文中，將限流電感Ls1、Ls2平均分配在斷路器兩端，用來抑制短路故障電流上升率和峰值，減緩故障傳播的速度。主支路由反并聯晶閘管組與反串聯IGBT單元串聯構成，用來承擔系統正常運行時的額定電流；由橋式二極管組與級聯模塊組成了轉移支路，每個級聯模塊由1個二極管、1個IGBT、1個電容和電阻組成，采用級聯模塊能夠解決大量IGBT串聯動態均壓問題，提升IGBT的利用率。耗能支路又稱避雷器支路是由金屬氧化物壓敏電阻(metal oxide varistor, MOV)組成，在斷路器中的主要作用是在關斷電流的瞬間抑制關斷過程中的過電壓，保護系統中的各器件安全，以及吸收故障切除過程中限流電感元件儲存的能量。同時引入接地續流二極管組D5，其采用快恢復二極管串聯組成，具有導通壓降低電流大、反向阻斷時承受高電壓的特性，在分斷電流后，與故障側限流電感形成吸收回路，吸收電感中的能量，減輕避雷器的壓力。

圖1 級聯模塊式固態直流斷路器拓撲結構Fig.1 Cascade modular solid-state DC circuit breaker topology

1.2 工作原理和時序控制

本文級聯模塊式固態直流斷路器中橋式二極管組是對稱結構，在電流雙向通流時的工作原理相同，當短路故障發生在斷路器右端時，轉移支路電流流過二極管組D1、D3和級聯模塊結構；當短路故障發生在斷路器左端時，轉移支路電流流過二極管組D2、D4和級聯模塊結構，從而實現故障電流的雙向阻斷功能。因此本文僅取一個方向進行斷路器電流分斷原理的分析，選取短路故障發生在右端、且包含D1和D3的轉移支路為例。圖2為故障切除過程中的斷路器電流與電壓波形圖，其中，UCB為斷路器開斷過電壓，Udc為系統額定電壓。

圖2 故障切除過程中的斷路器電壓與電流波形Fig.2 Circuit breaker voltage and current waveform during fault removal

短路故障切除與故障切除后恢復正常運行狀態的詳細過程如圖3所示。

1)第1階段(0—t1)：系統正常運行，主支路系統額定電流流過主支路，反串接IGBT導通，轉移支路級聯模塊結構中的IGBT處于關斷狀態。

2)第2階段(t1—t2)：t1時刻發生短路故障，該階段故障電流迅速上升，但未達到故障檢測和保護系統的限定值，因此短路故障繼續發展。該階段的電流路徑如圖3(a)所示。

3)第3階段(t2—t3)：t2時刻，首先轉移支路各IGBT導通，然后給主支路反串聯IGBT發送閉鎖信號，反串聯IGBT關斷使得電流由主支路轉向至轉移支路。

4)第4階段(t3—t4)：t3時刻，主支路的晶閘管單元成功關斷，流過主支路的電流衰減為0，故障電流完全換流至轉移支路并穩定上升。該階段的電流路徑如圖3(b)所示。

5)第5階段(t4—t5)：t4時刻，轉移支路各IGBT閉鎖，故障電流開始給換流電容充電，轉移支路上的電容電壓迅速建立。該階段的電流路徑如圖3(c)所示。

6)第6階段(t5—t6)：t5時刻，總的換流電容電壓之和到達避雷器的動作電壓，此時故障電流換流至耗能支路，流過避雷器的電流開始上升，電容電流逐漸衰減。

7)第7階段(t6—t7)：t6時刻，級聯模塊的電容電流衰減為0，級聯模塊電容電壓達到避雷器的保護水平，故障電流完全換流至耗能支路，轉移支路中阻容電路的能量逐漸衰減為0，不會出現能量累計的情況進而損壞IGBT器件，非故障側的電流開始減小，避雷器開始吸收限流電感Ls1中的能量，短路故障切除成功的標志是故障側的電流衰減至0，此時斷路器兩端的電壓為直流配電系統的額定電壓。通過D5續流二極管組接地來釋放限流電感Ls2中的能量，電流流通路徑如圖3(d)中的虛線所示。

圖3 不同階段的電流路徑圖Fig.3 Current path diagrams for different stages

本文的級聯模塊式固態直流斷路器的拓撲結構中采用橋式二極管組和續流二極管組D5，將限流電感均勻分配在斷路器兩側，使得避雷器吸收的能量減少，減輕其壓力，降低了對避雷器通流容量的能力。避雷器吸能的減少，使得避雷器吸收能量的時間縮短，進而縮短了切除故障的總時間。

綜上所述，該斷路器在短路故障時切除故障的時序控制如圖4所示。

圖4 切除故障的時序控制Fig.4 Timing control for fault removal

2 直流斷路器的參數分析

2.1 轉移支路的參數數值分析

在t4時刻，轉移支路各IGBT閉鎖，故障電流開始給換流電容充電，轉移支路上的電容電壓開始增加，當換流電容電壓之和大于直流系統額定電壓，故障電流開始衰減，直流系統限流電感中的能量向級聯模塊中的電容轉移。此時等效電路圖如圖5所示。

圖5 轉移支路等效電路圖Fig.5 Transfer branch equivalent circuit diagram

忽視系統小電阻Rdc，則由圖5可列寫二階微分方程如式(1)所示。

(1)

式中：Cav為單個級聯模塊的換流電容值；uc為所有電容串聯后的總電容電壓值；Ls為直流系統的總限流電感值。

故障電流流過級聯模塊中的電容時間為t6—t4，此時故障電流為Ic。則方程的解如式(2)—(3)所示。

(2)

(3)

解得：

(4)

從式(4)可以看出故障電流流過電容的時間與系統電壓、限流電感值、電容值有關，還與短路時刻的故障電流Ic有關，其不是一個固定值。若換流電容值過大，換流電容時間t-t4變長，進而切斷故障的時間要延長。同時限流電感值的增大會抑制電流的上升率，也會影響斷路器的開斷時間，綜合考慮，本文的電容值選取為40 μF。

2.2 耗能支路的參數分析

由于限流電感中存儲著大量的電磁能量，在關斷電流的過程中會產生過高的過電壓，這不僅會使斷路器中的各器件出現損壞現象，嚴重時還會影響系統的安全運行。因此，需要在轉移支路處并聯耗能支路，以防止電壓過高。本文選擇金屬氧化物壓敏電阻(metal oxide varistor, MOV)作為此裝置。

為了保證故障成功清除，選MOV時，選擇其殘壓必須是直流系統額定電壓的1～2倍，這樣保證MOV的容量可以吸收系統所有的能量，在忽略系統電阻的情況下，分斷過程中MOV吸收的能量如式(5)所示。

(5)

式中Imov為耗能支路電流最大值。當引入接地續流二極管時，故障側電感中的能量由接地續流二極管與大地相連釋放掉，這樣MOV吸收的能量小于Qmov，即：

(6)

3 仿真驗證

為了驗證本文所提出的級聯模塊式固態直流斷路器拓撲結構的優勢和可行性，通過在PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真環境中搭建10 kV直流配電網的直流斷路器仿真模型。斷路器仿真參數如表1所示。

表1 斷路器仿真參數Tab.1 Circuit breaker simulation parameters

3.1 仿真分析

按照表1的參數設置，短路故障發生在0.2 s處，短路電阻為1 mΩ，本文所提的直流斷路器在故障狀態下的各支路電流和開斷電壓波形如圖6所示。

圖6 故障狀態下的各支路電流與開斷電壓波形Fig.6 Current and voltage waveforms of each branch in fault state

從圖6可知，0.2 s時刻直流系統負載側發生短路故障，故障電流快速上升。在t= 0.200 2 s時轉移支路中各級聯模塊的IGBT導通，同時閉鎖主支路中的反串聯IGBT，故障電流換流至轉移支路，主支路電流開始衰減直至為0。在t= 0.201 67 s時刻，轉移支路電流增長至開斷電流最大值即為最大開斷短路電流5 kA，故障電流上升率為2.395 kA/ms，同時關斷轉移支路的各級聯模塊的IGBT，故障電流換流至各級聯模塊中的電容中，經過50 μs，故障電流換流至耗能支路，此時會在斷路器兩端產生過電壓，避雷器將其鉗位在16.82 kV，并耗時1.24 ms衰減為0，避雷器吸能結束，切除短路故障。切除故障電流總時間為2.96 ms，最大開斷電流為5 kA，符合假設系統對直流斷路器的性能要求，驗證了本文提出的級聯模塊式固態直流斷路器拓撲結構的可行性。圖7為單個級聯模塊的電容電壓和IGBT電壓波形圖。

圖7 電容電壓和IGBT電壓波形Fig.7 Capacitance voltage and IGBT voltage waveform

從圖7可知，在t=0.201 67 s時刻，各級聯模塊的IGBT關斷，故障電流轉移到耗能支路，此時各個電容上產生的電壓為3.368 kV，總電容電壓總和為16.84 kV，此時故障電流開始減小。通過電阻可以更快地讓電容電壓降到與級聯模塊IGBT電壓一致，在重合閘時電容電壓不會超過IGBT的額定電壓。圖8為避雷器特性參數的仿真波形。

從圖8可知，切除短路故障電流時，流過MOV的電流峰值為4.71 kA，MOV的電壓保護水平為16.82 kV，在切除短路故障過程中MOV吸收的能量為43.5 kJ。圖9為主支路晶閘管和反串聯IGBT承受的電壓波形圖。

從圖9可以看出，在系統正常運行狀態時，主支路上的過電壓主要是加在晶閘管組兩端，由其承受瞬時過電壓16.68 kV，反串聯IGBT承受較小的電壓1 V左右，這符合晶閘管耐壓、耐流能力高的性能，若過電壓大部分加在反串聯IGBT上，會損壞IGBT器件，進而影響整個斷路器的性能。

圖9 主支路晶閘管和反串聯IGBT承受的電壓波形圖Fig.9 Voltage waveform of main branch thyristor and reverse series IGBT

3.2 仿真對比

為了更好地說明本文所提出的級聯模塊式固態直流斷路器的優勢與特點，本文對文獻[15]提出的新型固態直流斷路器方案進行了仿真分析，圖10為文獻[15]方案的直流斷路器避雷器吸能仿真波形圖，圖11為文獻[15]方案的直流斷路器電流波形圖。通過圖10—11可知，文獻[15]方案故障切除時間為4.25 ms，避雷器吸收的能量為87 kJ。通過文獻[15]提出的方案與本文提出的方案在同樣的最大開斷電流值和電壓等級條件下進行對比，可得：本文所提出的方案避雷器吸收的能量比文獻[15]減半，吸能的時間也縮短，進而分斷電流時間減少，而文獻[15]方案的分斷電流時間較長。在技術工程上，文獻[15]方案中轉移支路直接采用IGBT串聯的形式，動態均壓和導通同步性的問題對IGBT性能要求較高；而本文所提的拓撲結構解決了大量IGBT的動態均壓難題，在一定程度上降低了工程技術難度，但同時也增加了一定的器件數量。

圖10 文獻[15]提出的固態直流斷路器的吸能波形圖Fig.10 Energy absorption waveform of solid-state DC circuit breaker proposed in reference [15]

圖11 文獻[15]提出的固態直流斷路器電流波形圖Fig.11 Current waveforms of solid-state DC circuit breakers proposed in reference [15]

4 結論

本文提出了適用于直流配電網的級聯模塊式固態直流斷路器設計方案，能夠雙向導通和阻斷電流。首先對其拓撲結構、工作原理和時序控制進行了詳細闡述；再通過等效數值分析了直流斷路器中的各部分參數；最后在PSCAD/EMTDC環境中進行了仿真驗證。

仿真結果和理論分析表明，本文所提的方案能夠有效快速地切斷短路故障電流，并在故障切除后為系統中電感等元件儲存的能量提供了釋放回路，減少了避雷器吸收的能量，降低其壓力。同時解決了轉移支路中的IGBT動態均壓等問題。

通過與其他文獻中的方案進行對比分析，發現本文提出的方案具有以下優勢：切除故障電流時間減少，避雷器通流容量減半，工程技術難度降低，對固態直流斷路器的工程應用有一定的參考價值。