基于轉移支路逐組導通的混合式直流斷路器軟合閘策略

石巍，曹冬明，陳羽，許元震，王文杰，孫超

(南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102)

0 引言

直流電網能夠實現多電源供電和多落點受電，具有所需換流站數量少、控制靈活、冗余較多、可靠性高等優點，是未來電網的發展方向之一[1 - 3]。然而由于直流電網的阻尼相對較低，與交流系統相比，直流電網的故障發展更快。因此，為快速限制并切斷故障電流，需要配置響應速度毫秒級別的直流斷路器[4 - 6]。直流斷路器的拓撲方案主要分為全固態直流斷路器[7 - 8]、機械式直流斷路器[9 - 10]以及混合式直流斷路器[11 - 15]。混合式直流斷路器綜合了前兩者的分斷速度快和通態損耗低的優點，同時具有無電流分斷死區、控制靈活、可快速重合閘等優勢，是當前國內外研究的主要方向。

目前圍繞混合式直流斷路器的研究主要集中于拓撲方案、分閘策略、設備研制和試驗等方面，對其合閘/重合閘策略的研究相對較少。文獻[14]首次提出了混合式直流斷路器利用轉移支路電力電子模塊逐組導通的軟合閘策略，可以降低輸電線路通過直流斷路器合閘接入直流電網的過電壓沖擊、還可以實現換流站無預充電回路從直流側啟動，但是文中沒有對軟合閘過程進行詳細暫態分析。文獻[15]研究了混合式直流斷路器重合閘策略，通過分級重合降低重合閘過程中的電壓突變帶來的不利影響，但文中沒有考慮直流斷路器兩端等效電容對重合閘暫態過程的影響。此外，實際工程應用中，混合式直流斷路器兩側配置有隔離開關，合閘操作還需兼顧隔離開關的操作。

本文在分析混合式直流斷路器拓撲結構和合閘/重合閘原理的基礎上，給出了利用轉移支路電力電子模塊逐組導通的軟合閘策略，并對不同合閘/重合閘應用場合下的暫態過程進行了詳細分析。同時提出了基于耗能支路電流的軟合閘過流保護方法和耗能支路能量均衡方法，這些方法可以優化軟合閘策略。在PSCAD/EMTDC中搭建了兩端柔性直流電網電磁暫態模型，驗證了不同場合下的軟合閘暫態過程分析、軟合閘過流保護方法和耗能支路能量均衡方法的正確性和有效性。

1 混合式直流斷路器及其工作原理

1.1 混合式直流斷路器基本拓撲

混合式直流斷路器的基本拓撲如圖1所示，由主支路、轉移支路和耗能支路并聯構成。

圖1 混合式直流斷路器基本拓撲Fig.1 Basic topology of hybrid DC circuit breaker

從圖1可以看出，混合式直流斷路器具有以下特點。

1)主支路由快速機械開關和少量電力電子模塊串聯構成，用于導通正常負荷電流以及分閘過程中完成電流的轉移；

2)轉移支路由多組電力電子模塊串聯構成，用于短時承受系統電流，并通過電力電子模塊關斷電流后對電力電子模塊RCD吸收電路的電容充電，并建立暫態分斷電壓；

3)耗能支路由金屬氧化物電阻(metal oxide varistor, MOV)串并聯構成，用于抑制暫態分斷電壓和耗散直流電網儲存的能量。

由于轉移支路和耗能支路等效阻抗不夠大，在電流開斷后仍存在一定的漏電流。因此，混合式直流斷路器在直流電網中應用時，需要在直流斷路器兩側各配置隔離開關D1和隔離開關D2。同時，隔離開關還為直流斷路器檢修提供明顯的斷口。

1.2 合閘/重合閘工作原理

混合式直流斷路器的工作原理包括分閘工作原理和合閘/重合閘工作原理。分閘工作原理在大量文獻中已有具體闡述，在此不在贅述，本文重點研究合閘/重合閘工作原理。

1.2.1 外部控制時序

直流斷路器的合操作包括合閘和重合閘，兩者由于初始狀態不同，外部控制時序也有所不同。

在合閘之前，直流斷路器初始狀態為分閘位置、兩側隔離開關為分閘位置。因此，合閘操作包括以下2個步驟。

1)合直流斷路器兩側隔離開關；

2)合直流斷路器。

在保護跳閘/重合閘之前，直流斷路器初始狀態為合閘位置、兩側隔離開關為合閘位置。因此，保護跳閘/重合閘操作包括以下2個步驟。

1)保護跳直流斷路器；

2)重合直流斷路器。

1.2.2 混合式直流斷路器內部控制時序

混合式直流斷路器的合閘和重合閘的內部控制時序相同，包括以下3個步驟。

1)導通轉移支路電力電子模塊；

2)閉合主支路機械開關和主支路電力電子模塊；

3)分斷轉移支路電力電子模塊。

1.2.3 合閘/重合閘對系統性能的提升

直流斷路器合閘可以實現輸電線路和換流站接入直流電網，重合閘可以實現故障線路的快速恢復。圖2為兩端柔性直流輸電系統典型架構。其啟動過程為：換流站S1解鎖啟動、直流斷路器DB1及其兩側隔刀合閘接入輸電線路、直流斷路器DB2及其兩側隔刀合閘從直流側啟動換流站S2、換流站S2解鎖傳送功率；其故障恢復過程為：保護跳DB1/DB2、重合DB1/DB2。

圖2 含直流斷路器的兩端柔直輸電系統Fig.2 Two-terminal flexible DC transmission system with DC circuit breakers

2 軟合閘策略

圖3為混合式直流斷路器軟合閘策略的控制框圖。

圖3 混合式直流斷路器軟合閘策略控制框圖Fig.3 Control diagram of soft-closing control strategy of hybrid DC circuit breakers

混合式直流斷路器自身收到合閘或重合閘控制指令后，根據內部控制時序第1步中轉移支路電力電子模塊的導通方式不同，可分為硬合閘和軟合閘：

1)硬合閘策略為同步導通所有組轉移支路電力電子模塊；

2)軟合閘策略為逐組導通轉移支路電力電子模塊。

硬合閘會對直流系統產生較大的操作過電壓。軟合閘相比硬合閘，系統電壓平緩上升。

在逐組導通轉移支路電力電子模塊過程中需要判斷是否發生軟合閘過流保護，即判斷是否合閘于故障。若軟合閘過流保護未動作，繼續導通下一組轉移支路電力電子模塊，直至轉移支路電力電子模塊全部導通；若軟合閘過流保護動作，則分斷所有轉移支路電力電子模塊。

2.1 軟合閘暫態過程

2.1.1 軟合閘暫態過程分類

混合式直流斷路器軟合閘控制時序如前面所述分為3個步驟，暫態過程簡述如下。

1)軟合閘充電暫態過程：逐組導通轉移支路電力電子模塊，給系統充電至額定電壓。該暫態過程相對較為復雜且關鍵，本節重點分析。

2)斷路器內部換流暫態過程：閉合主支路機械開關和主支路電力電子模塊，分斷轉移支路電力電子模塊。該暫態過程較為簡單，即電流從轉移支路向主支路轉移，暫態過程直流斷路器處于導通狀態、對系統沒有影響，因此本文不再詳述。

2.1.2 軟合閘充電暫態過程

轉移支路模塊、輸電線路和換流站等效電路如圖4所示。

圖4 轉移支路模塊、輸電線路和換流站等效電路Fig.4 Equivalent circuit of transfer branch module, transmission line and converter station

混合式直流斷路器在逐組導通過程中，每組轉移支路電力電子模塊可用開關K、電容C和MOV并聯電路等效，如圖4(a)所示。

輸電線路等效電路可用LRC串聯電路近似等效，如圖4(b)所示。其中，線路電抗為Lo、線路電阻為Ro、線路對地電容為Co。換流站從直流側啟動時可用LRCD串聯電路近似等效，如圖4(c)所示。橋臂電抗器及平波電抗器的電抗用Lo等效、橋臂電抗器及平波電抗器的內阻用Ro等效、各橋臂子模塊電容用Co等效、各子模塊上管半導體器件體二極管用Do等效。

圖4(a)中系統電壓為Us，則有：

Udcb=Us-Uo

(1)

式中：Udcb為直流斷路器兩端電壓；Uo為輸電線路或換流站電壓。

軟合閘充電暫態過程分為2類，如圖5所示。

圖5 軟合閘充電暫態過程分類Fig.5 Transient process classification of soft-closing charging

1)Ⅰ類充電暫態：通過轉移支路電力電子模塊等效電容給輸電線路或換流站充電。

假設轉移支路電力電子模塊共有n組，未導通的轉移支路電力電子模塊數量用m表示。Ⅰ類充電暫態過程中，未導通轉移支路電力電子模塊的并聯MOV動作電壓大于直流斷路器兩端電壓，即滿足：

m×UMOV>Us-Uo

(2)

式中UMOV為單組MOV的動作電壓。

在Ⅰ類充電暫態過程中，未導通轉移支路電力電子模塊的并聯MOV能量沒有發生變化。

2)Ⅱ類充電暫態：通過耗能支路MOV給輸電線路或換流站充電。

Ⅰ類充電暫態過程中，當未導通的轉移支路電力電子模塊等效電容兩端電壓充至MOV的動作電壓時，會自動轉入Ⅱ類充電暫態過程。Ⅱ類充電暫態過程中，未導通轉移支路電力電子模塊的并聯MOV動作電壓小于等于直流斷路器兩端電壓，即滿足：

m×UMOV≤Us-Uo

(3)

在Ⅱ類充電暫態過程中，每組轉移支路電力電子模塊導通后，MOV在充電脈沖電流下兩端電壓近似等于UMOV，每組未導通轉移支路電力電子模塊的并聯MOV能量增加量為：

(4)

2.2 不同應用場合下合閘/重合閘暫態過程分析

2.2.1 輸電線路接入直流電網

第1步，合直流斷路器兩側隔離開關后，系統電壓通過直流斷路器兩端電容給輸電線路充電。由于當兩側隔離開關閉合后將產生階躍性的輸入電壓，根據LRC階躍響應原理(回路電阻Ro很小)，輸電線路遠端將產生一定的操作過電壓。操作過電壓的大小主要與直流斷路器的等效電容C、輸電線路的等效電容Co有關，當C/Co比值越大時，操作過電壓越高。直流斷路器的等效電容C為微法級，輸電線路的等效電容Co和輸電線路的形式、結構和長度有關(相同線路長度下，電纜線路對地電容比架空線路對地電容略大)。當輸電線路結構和長度確定后，宜通過如下方法來抑制合兩側隔離開關產生的操作過電壓：1)降低直流斷路器等效電容；2)增加回路電阻，如直流斷路器轉移支路電力電子模塊采用RC緩沖回路。輸電線路在電暈作用下逐漸放電，在穩態下系統電壓大部施加于直流斷路器兩端。

第2步，直流斷路器軟合閘暫態過程中，轉移支路電力電子模塊逐一導通，軟合閘過程首先為Ⅰ類充電暫態。當剩余未導通的轉移支路電力電子模塊等效電容兩端電壓充至MOV的動作電壓時，進入Ⅱ類充電暫態過程。該暫態過程中，輸電線路電壓階梯式上升。

通過上述分析，在輸電線路通過直流斷路器軟合閘接入電網的應用場合中，直流斷路器兩側隔離開關閉合時輸電線路會產生一定的過電壓，但在直流斷路器軟合閘過程中輸電線路電壓是階梯式上升過程。

2.2.2 換流站接入直流電網

換流站從直流側啟動時，往往需要配置預充電回路，增加了設備成本和占地。直流斷路器采用軟合閘策略后可以實現換流站在無預充電回路下從直流側啟動。

第1步，合直流斷路器兩側隔離開關后，系統電壓通過直流斷路器兩端電容給換流站子模塊電容充電。由于換流站三相橋臂子模塊的等效電容Co為毫法級，遠大于混合式直流斷路器的等效電容C，在穩態下系統電壓基本施加于直流斷路器兩端。

通過上述分析，在換流站通過直流斷路器軟合閘從直流側啟動的應用場合中，直流斷路器兩側隔離開關閉合時不會產生過電壓，且直流斷路器軟合閘可實現換流站子模塊階梯式充電、不需要額外預充電回路。

2.2.3 重合閘快速恢復故障線路

第1步，保護跳直流斷路器后200～400 ms間收到重合閘指令時，直流斷路器兩側隔離開關處于閉合狀態。忽略等待重合閘指令期間直流斷路器等效電容兩端電壓通過自身內阻的放電(放電常數秒級)，直流斷路器兩端電壓為系統電壓、輸電線路電壓約為0。

第2步，直流斷路器軟合閘的暫態過程中，轉移支路電力電子模塊逐一導通，軟合閘過程首先為Ⅰ類充電暫態。當剩余未導通的轉移支路電力電子模塊等效電容兩端電壓充至MOV的動作電壓時，進入Ⅱ類充電暫態過程。該暫態過程中，輸電線路電壓階梯式上升。

通過上述分析，在直流斷路器重合閘實現輸電線路故障快速恢復的應用場合中，直流斷路器軟合閘過程電壓階梯式上升。

2.2.4 合/重合閘于故障

輸電線路和換流站存在故障時，其等效模型中的電容Co被短路。合閘操作在合兩側隔離開關后系統電壓全部施加于直流斷路器兩端，與重合閘操作前的狀態相同。

第三，報賬人員因為自己要提前核算原始票據，占用大量時間來粘貼原始票據，對此多有意見。但同時又因為種種原因粘貼情況不符規定，反而增加了財務人員的工作量，也造成了報銷師生與財務工作人員的矛盾。

軟合閘直流斷路器的暫態過程中轉移支路電力電子模塊逐一導通，軟合閘過程首先為Ⅰ類充電暫態。當剩余未導通的轉移支路電力電子模塊等效電容兩端電壓充至MOV的動作電壓時，進入Ⅱ類充電暫態過程，此時故障電流開始加速上升，故障電流流過直流斷路器的MOV。

2.3 軟合閘策略優化設計

2.3.1 軟合閘過流保護方法

硬合閘過流保護方法中保護電流測點往往設計于轉移支路，其過流保護定值門檻需要大于系統額定電流，使得合閘于故障后開斷的電流及MOV能量均較大。

通過對不同應用場合下合閘/重合閘暫態過程分析可以得出：軟合閘過程合/重合閘于故障暫態過程中，耗能支路電流是加速上升的。因此，軟合閘過流保護方法可以基于耗能支路電流來設計。合閘和重合閘可以共用同一個軟合閘過流保護定值門檻，也可以獨立配置，軟合閘過流保護定值門檻設計原則為：躲過合/重合閘于正常線路或換流站過程中的短脈沖充電電流，并留有一定安全裕度。

考慮到重合閘操作之前已經完成一次電流開斷，MOV吸收的能量已經較大，需要盡可能地降低重合閘于故障再次開斷的電流，從而降低避雷器設計容量和成本。因此，建議重合閘時軟合閘過流保護定值門檻獨立配置。

2.3.2 耗能支路能量均衡方法

轉移支路電力電子模塊采用依次逐組導通的方式，根據式(4)可以得出每組轉移支路電力電子模塊的并聯MOV能量是不平衡的。最后一組導通的轉移支路電力電子模塊的并聯MOV能量最大。由于輸電線路的等效電容Co較小，MOV能量不平衡可以忽略。然而換流站的等效電容Cc相對較大，MOV能量不平衡影響較大，需要設計耗能支路能量均衡方法。

耗能支路能量均衡方法的設計原則為：保證流過每組MOV的短脈沖充電電流個數大致相同。在此原則下MOV能量均衡方法有很多種，其中較為典型的方法為：

1)首先將轉移支路電力電子模塊分為前后各一半；

2)然后按正序方向逐組導通前一半轉移支路電力電子模塊；

3)接著進行前后輪換：即將前一半轉移支路電力電子模塊分斷后，再將后一半轉移支路電力電子模塊導通；

4)最后按逆序方向逐組導通前一半轉移支路電力電子模塊。

3 仿真分析

為了驗證軟合閘策略分析，軟合閘過流保護方法和耗能支路能量均衡方法的正確性與有效性，在PSCAD/EMTDC仿真平臺上搭建了圖2所示的兩端柔性直流電網電磁暫態模型，仿真步長25 μs。其中，換流站S1采用500 kV理想直流源，換流站S2采用實際換流站模型，其關鍵參數如表1所示；直流斷路器DB1和DB2采用如圖1所示的混合式直流斷路器，其關鍵參數如表2所示；輸電線路采用真實輸電線路模型，其關鍵參數如表3所示。

表1 換流站S2關鍵參數Tab.1 Key parameters of converter station S2

表2 混合式直流斷路器關鍵參數Tab.2 Key parameters of Hybrid DC circuit breakers

表3 輸電線路關鍵參數Tab.3 Key parameters of transmission line

3.1 直流斷路器DB1軟合閘過程-輸電線路充電

圖6為直流斷路器DB1軟合閘給輸電線路充電的仿真結果。0.3 s時刻DB1兩側隔離開關合閘，輸電線路遠端產生一定的過電壓，約350 kV；2 s時刻直流斷路器DB1軟合閘，輸電線路電壓從初始60 kV階梯式上升至500 kV，前2組導通轉移支路電力電子模塊過程為Ⅰ類充電過程、第3組導通轉移支路電力電子模塊過程為Ⅰ類充電過程向Ⅱ類充電過程過渡，后面導通的轉移支路電力電子模塊過程為Ⅱ類充電過程。流過避雷器電流峰值最大約100 A，逐組導通轉移支路電力電子模塊過程約50 ms(每組間隔5 ms)。最后導通的轉移支路電力電子模塊的MOV能量最大，為60 kJ。

圖6 直流斷路器DB1軟合閘過程仿真結果Fig.6 Simulation results of DC circuit breaker DB1 soft-closing process

3.2 直流斷路器DB2軟合閘-換流站S2充電

圖7為直流斷路器DB2軟合閘給換流站S2充電的仿真結果。3.3 s時刻DB2兩側隔離開關合閘，換流站穩態電壓很低，可見系統電壓基本施加于直流斷路器兩端；4 s時刻直流斷路器DB2軟合閘，換流站電壓從初始2 kV階梯式上升至525 kV，第1組導通轉移支路電力電子模塊過程為Ⅰ類充電過程，第2組導通轉移支路電力電子模塊過程為Ⅰ類充電過程向Ⅱ類充電過程過渡，后面導通的轉移支路電力電子模塊過程為Ⅱ類充電過程。流過避雷器電流峰值最大約450 A，逐組導通轉移支路電力電子模塊過程約1 s(每組間隔100 ms)。最后一組導通的轉移支路電力電子模塊的MOV能量最大，為2.5 MJ。

圖7 直流斷路器DB2軟合閘過程仿真結果Fig.7 Simulation results of DB2 soft-closing process

3.3 輸電線路故障重合閘-暫時性故障

輸電線路暫時性故障重合閘成功的仿真結果。6 s時刻線路發生暫時性故障，DB1/DB2跳閘隔離故障，6.4 s重合DB1進行故障線路恢復。重合DB1期間，輸電線路電壓從初始60 kV階梯式上升至500 kV，前2組導通轉移支路電力電子模塊過程為Ⅰ類充電過程、第3組導通轉移支路電力電子模塊過程為Ⅰ類充電過程向Ⅱ類充電過程過渡、后面導通的轉移支路電力電子模塊過程為Ⅱ類充電過程，流過避雷器電流峰值最大約100 A，逐組導通轉移支路電力電子模塊過程約50 ms(每組間隔5 ms)。最后一組導通的轉移支路電力電子模塊的MOV能量最大，為2.26 MJ(含故障跳閘時的能量2.2 MJ)。

圖8 輸電線路暫時性故障重合閘的仿真結果Fig.8 Simulation results of transmission line transient fault reclosing

3.4 輸電線路故障重合閘-永久性故障

圖9為輸電線路永久性故障重合閘失敗的仿真結果。6 s時刻線路發生永久性故障，DB1/DB2跳閘隔離故障，6.4 s重合DB1進行故障線路恢復。重合DB1期間，由于線路故障仍存在，當流過最后一組轉移支路電力電子模塊并聯的避雷器電流大于軟合閘過流保護定值500 A時(定值設計略高于重合閘成功時的100 A脈沖電流)，分斷所有轉移支路電力電子模塊后電流從530 A降為0。未導通轉移支路電力電子模塊的避雷器能量從第一次電流開斷后的2.2 MJ上升至重合閘于故障再次分斷后的2.35 MJ，僅增加0.15 MJ。已導通轉移支路電力電子模塊的避雷器能量從第一次電流開斷后的2.2 MJ上升至重合閘于故障再次分斷后的2.225 MJ，僅增加0.025 MJ。

圖9 輸電線路永久性故障重合閘的仿真結果Fig.9 Simulation results of transmission line permanent fault reclosing

3.5 耗能支路能量均衡方法

圖10為直流斷路器DB2軟合閘給換流站S2充電時，逐組導通方法和耗能支路能量均衡方法的仿真對比結果。可以看出，采取耗能支路能量均衡方法后每組MOV能量更加均衡，MOV平均能量為1 017 kJ，最大MOV能量為MOV1的1 365 kJ、最小MOV能量為MOV3的710 kJ。采取耗能支路能量均衡方法后，不平衡度從143%降為34%。

圖10 耗能支路能量均衡方法的仿真對比結果Fig.10 Simulation comparison results of energy balance method

4 結論

本文提出了利用轉移支路電力電子模塊逐組導通的軟合閘策略，并分析了軟合閘策略的2類基本暫態過程，得出主要結論如下。

1)采用軟合閘策略可以降低輸電線路接入和故障重合閘的操作過電壓。但是在輸電線路接入合兩側隔離開關時會產生一定的過電壓，需要合理的系統參數設計來抑制該過電壓，可以進一步詳細研究。

2)采用軟合閘策略可以實現換流站從直流側無預充電回路并網啟動，但是耗能支路能量不平衡明顯，需要采用耗能支路能量均衡方法。

3)基于耗能支路電流的軟合閘過流保護方法,可以降低合/重合閘于故障時的開斷電流，從而降低耗能支路能量和設備成本。