基于直流配網開關設備研究

西北民族大學電氣工程學院 谷鵬旭

1 直流斷路器

直流斷路器由它們的分斷電流原理可分為三類：機械直流斷路器、固態直流斷路器和混合直流斷路器。

1.1 機械直流斷路器

有兩種消除直流電弧的方法。第一種是在增加電弧電壓的同時擴大電弧，直到不能維持電弧電流為止。第二種方法是引入一個振蕩電路，然后使其通過以創建一個零交叉點而達到對斷路器的滅弧。前者顯然不適合具有較高電壓的直流配電網絡。現如今，市場上大多數機械式直流斷路器其中的吸收電路和放電電路是其重要的電路組成部分，它們與機械開關和振蕩電路共同構成主要部件。

當斷開機械開關觸點時，由于LC振蕩電路的振蕩，高頻電流會疊加在DC電弧電流上。如果振蕩電流與直流電弧電流相比具有更大的反向振幅，則將產生一個零交叉點，這將導致電弧關斷并且將輸送直流電流。在振蕩電路中，電流通過吸收迅速減小到零，并且放電電路和避雷針實現了直流電流的斷開。在高頻振蕩過程中會產生過電流和大電流，并且通過使用在振蕩電路兩端并聯連接的電路來吸收能量，以防止在此過程中損壞設備。負載能力強、運行穩定、由于導通損耗低可長時間工作。但這種斷路器由于電流分斷能力小、容易出現廣泛的誤差，這就是其無法滿足的原因。

1.2 固態直流斷路器

固態直流斷路器主要可以控制電力電子設備的開與關，用于直流電流的切換狀態，使其基于IGBT、IGCT、SCR、GTO等電力電子設備這些功能可以更好的被實現。固態直流斷路器具有感應電路、驅動和控制電路及其他類型的電路，相關的固態功率電子電路、緩沖器吸收和放電電路。其相比于機械式直流斷路器，用于電力電子設備的斷路器都具有響應速度快、可靠性高、無電弧、無聲音、無接觸的特點，可滿足直流配電網保護的要求且堅固耐用。其缺點是在導通的狀態下的高損耗。

1.3 混合直流斷路器

直流斷路器由機械開關和固態開關組合而成。混合式直流斷路器具體的閉合與斷開的過程如下：當機械開關斷開，固態開關上就會產生電弧電壓，同時正向電壓也隨即被建立。添加了功率電子固態開關，并且觸發脈沖被打開。電力電子設備通常具有非常小的導通狀態電阻，該電阻比機械開關電路小得多。因此，在低壓條件下，機械開關斷開電路，固態開關也迅速斷開，直流電流也斷開。混合直流斷路器可以結合其中的前兩個優點。因此，混合式直流斷路器是當前的主要的發展方向。混合式直流斷路器可以在幾微秒內實現直流電流截止，并且其電壓水平和分流能力仍在不斷提高。可以得出結論，混合式直流斷路器具有直流配電網的運行條件。

2 直流故障限流器研究

2.1 直流故障限流器的拓撲結構和工作原理

直流故障限流器的相關拓撲（此處以單極直流系統為例），主要包括可控開關管、二極管、控制器、電感器、電容器、采樣和測量設備等。直流故障限流器主要具有三種工作模式。當系統處于正常運行狀態時，可控開關保持完全斷開，可以認為是導體，并不影響系統運行，因此故障極限如下。此時，轉換器處于LC濾波狀態。當負載側發生支路故障時，測量裝置將檢測到過電流并將其反饋給控制器，然后控制器迅速作出響應，從而使開關管可以進行直流斬波。限制并延遲波形狀態，電流為固定值。當故障消失時，故障電流限制器將運行模式切換為運行模式。如果錯誤仍然存在，請關閉開關并消除錯誤。同樣，如果相鄰分支發生故障，則分支的電流和電壓也會振動。在這種情況下，故障電流限制器可以穩定電壓和電流并改善電能質量。

2.2 直流故障限流器動態模型與控制策略

斬波電路動態模型如下：

在上面的公式中Vin和Vout分別為輸入電壓和輸出電壓，iL是電感電流，P是負載功率，D是占空比，，如果開關頻率為f，那么。

假設故障限流時長為Tlim，則故障限流控制目標可表示如下：

在正常操作期間，將控制信號1發送至開關管以使其保持接通狀態。當系統檢測到負載側發生短路故障時，通過直流電控制故障限流器，以將輸出電流與給定電流值進行比較，然后由控制器PI形成調制信號。開關管控制由PWM調節器產生的信號。添加了電壓比例鏈接以改善系統的響應能力，并通過改變占空比來限制輸出電流的大小來實現。最后，在電流限制模式下，如果延遲后仍然存在錯誤，則開關控制信號將輸出為零。換句話說，錯誤被阻止。

3 直流故障限流器仿真

3.1 仿真模型

在PSCAD/EMTDC中建立相應模型，電源電壓為5kV，內阻為0.1Ω。這一模型主要包含兩條負載饋線支路，由此做如下仿真：（1）在支路L1處設置短路故障，在有無故障限流器兩種情況下，通過對電流和電壓的波形圖進行比較，來分析故障限流器的性能；（2）當故障發生于分支L1處時，在分支L2上存在無限電流設備的情況下，通過對電壓和電流波形進行比較，來分析限流器的性能。仿真系統對應的其他參數可見表1所示。

表1 系統參數

3.2 仿真結果分析

如果L1的負載側發生短路故障，則可以看到如圖1所示的相關情況，圖中顯示了兩種情況下無限電流設備中饋線L1的電流和電壓波形。其中，如果有冷潮時段，則以紅色表示；沒有冷潮時段時，則以藍色表示。如圖1所示，通過饋線支路限制器的最大故障電流可以達到600A。如果包含故障電流限制器，則故障電流可以限制為120A，如果包含電流限制器，則電壓應為120V。它會迅速下降，即使經過0.2s的延遲，濾波電容器的能量也不會迅速下降。故障電流限制器將電流限制為零，并隔離故障組件。

圖1 饋線L1上的電流波形

當線L1發生短路故障時，圖2中所示的相關情況，很好的顯示了在反饋線中沒有故障限流器的兩種情況下的電壓波形。其中，如果有故障限流器時段，則以紅色顯示，沒有故障限流器時段時，則以藍色表示。可以從圖中可以看與分析出，如果限流器在沒有的故障的情況下，在相鄰分支L1中發生短路故障，則L2處的電壓將降至100V，L2的電流也隨即有了上升趨勢。故障限流器的L2基本上可以保持穩定的電流和電壓，因此當系統另一部分發生故障時，限流器可以基本保持電壓和電流穩定，從而提高了電源的可靠性并改善了電能質量。

圖2 饋線L2上電壓波形

結論：對于DC配電網的保護，DC開關設備意義重大。DC配電網安全穩定運行的關鍵在于DC開關設備的快速可靠運行。首先，本文分析了三種不同類型的直流斷路器。然后，分析了斷路器的工作原理和性能，得出混合式直流斷路器和固體式直流斷路器可應用于DC配電網保護的結論。最后，通過仿真驗證了DC故障限流器的性能。