新型具有限流功能多端口高壓直流斷路器拓撲

章寶歌，孫瑞

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院, 蘭州市 730070)

0 引 言

隨著新能源與電力電子技術的不斷發展，多端柔性直流輸電技術在世界上引起了廣泛關注[1-2]。柔性直流輸電具有低慣量、低阻抗、諧波含量低等優點[3]。由于直流輸電沒有過零點的特性，使得故障電流切除和清理的難度增加[4-5]。所以，對直流故障的關斷和清除成為當今該領域研究的主要問題之一[6-7]。

為了實現故障電流的切除和清理，國內外學者對直流斷路器(DC circuit breaker，DCCB)展開了廣泛的研究，并進行了理論分析[8-10]。ABB公司于2012年研制出了首臺常規DCCB[11]。全球能源互聯網研究院有限公司研發出了H橋級聯DCCB[12]。南京南瑞繼保電氣有限公司研發出500 kV的DCCB，并在張北四端柔性直流輸電網絡中投入運行[13]。但這些常規二端口DCCB，其主要的問題是一個主電路對應一個轉移支路，電力電子器件投入數量多，從而導致其造價高。

多端口高壓直流斷路器(multi-port DC circuit breaker，MP-DCCB)拓撲能很好地解決電力電子器件數量的問題。目前，只有少數文獻提到MP-DCCB。文獻[14]提出了多個DCCB共用轉移支路。文獻[15]提出了一種基于DCCB的MP-DCCB，其轉移支路上僅需具備單向分斷電流能力，可以節約一半數量絕緣柵雙極型晶體管 (insulated gate bipolar transistor，IGBT)成本。但這些MP-DCCB在故障切除時，故障電流過大，避雷器消耗的能量過多。

為了解決故障電流過大的問題，傳統的DCCB限流方式是在直流線路上增加限流電抗器和在DCCB內增加限流電感，但電感值的增大將直接影響直流系統的動態特性[16-17]。

針對以上問題，另提出新型MP-DCCB，具有以下幾個優點：1)主電路是由常規二端口延伸到多端口，可以大大降低成本費用；2)增加限流支路，可以顯著降低故障電流的峰值；3)增加接地支路，可以有效地減少金屬氧化鋅避雷器(metal oxide varistors，MOV)消耗的能量，間接地減小避雷器關斷的電流大小并縮短關斷時間。

隨著高壓直流輸電技術的發展，迫切需要新型斷路器，這為斷路器進一步研究提供了現實需要。國內外學者對斷路器進行了改進，為研究提供了理論基礎。用PSCAD建立仿真模型，通過改變參數，為研究提供了驗證基礎。

本文主要對DCCB拓撲進行改進，并對其性能進行理論分析。首先介紹新型MP-DCCB的拓撲結構和時序過程，并對各階段進行理論分析；然后依據理論分析進行元件參數設計；最后在PSCAD軟件中進行仿真，驗證新型MP-DCCB在故障時的限流和關斷能力。

1 新型MP-DCCB拓撲和工作原理

1.1 MP-DCCB在電網中位置

MP-DCCB的電網位置與故障模型如圖1所示，其中圖1(a)為四端高壓直流輸電系統中MP-DCCB的位置示意圖[18-20]。圖1(b)是以MP-DCCB1為研究對象的故障模型圖；當F點發生接地故障時，電流從MP-DCCB1的非故障端口1、3和4流入，故障端口2的電流則直接流向故障點。

圖1 MP-DCCB的電網位置與故障模型Fig.1 MP-DCCB and fault location in a power system

1.2 新型MP-DCCB拓撲

圖2是常規二端口DCCB電路拓撲圖。其中：K

圖2 常規二端口DCCB電路拓撲Fig.2 Conventional two-port DCCB topology

為機械開關，T為反向串聯的IGBT，T0為轉移支路上的IGBT，MOV為金屬氧化物避雷器。基于該電路拓撲發展起來了ABB式DCCB和H橋級聯DCCB[11-12]。其電路的缺點是：一個主電路對應一個轉移支路，電力電子器件投入數量多，從而導致造價高；沒有加入限流支路，導致故障切除時故障電流過大；沒有加入接地支路，導致MOV消耗的能量過多，間接導致關斷時間過長。

本文提出一種新型具有限流功能多端口高壓直流斷路器拓撲，具有能夠抑制短路故障電流的峰值、降低避雷器消耗的能量和縮短避雷器關斷的時間等優點，其電路拓撲結構由4部分組成：主電路、限流支路、換流支路和接地支路，如圖3所示。

圖3 新型MP-DCCB電路拓撲Fig.3 New topology of MP-DCCB

1)主電路：由機械開關(ultrafast disconnector，UFD)和負載轉換開關(load commutation switch，LCS)所組成。其中LCS是由IGBT和二極管D并聯組成。

2)限流支路：由晶閘管T1—T4及預充電電容器C1(值為C1)、限流電感LV(值為LV)構成了H橋式的限流支路。由晶閘管T5、T6、TC2、電阻R2(值為R2)和可調電容器C2(值為C2)所構成的預充電輔助電路。其中晶閘管T5、T6、電阻R2和可調電容器C2支路用于穩態運行時給電容C1進行預充電。可調電容器C2有2個作用：1)對電容C1進行分壓，防止電容C1被擊穿；2)可通過調節電容C2自身電容值來調節電容C1的預充電電壓，待電容C1充完電，導通晶閘管TC2，可調電容器C2的能量經R2釋放，使C2電壓值恢復為0。

3)斷流支路：由多個IGBT組成的T0和避雷器并聯構成。

4)接地支路：由晶閘管Tg和電阻Rg(值為Rg)串聯所組成的接地支路，用于吸收故障側的能量。

1.3 新型MP-DCCB工作原理

正常工作原理：在直流系統穩態運行時，MP-DCCB工作在穩態運行狀態，此時主電路導通，限流支路、斷流支路和接地支路均處于關斷狀態。

限流原理：發生直流短路故障，檢測到短路故障，控制MP-DCCB開始動作，給T1、T2和T0觸發信號，T1、T2和T0因受到短路正向電壓導通。LCSk收到關斷信號后立即關斷，機械開關開始動作。待其達到額定開距，給T3觸發信號，T3受到C1正向電壓導通，C1開始放電，T1由于承受C1反壓而自行關斷。當C1放電結束后繼續被反向充電，觸發T4，T4受到C1正向電壓導通，LV開始投入故障回路。

斷流原理：斷路時關斷斷流支路IGBT，同時導通接地支路Tg。Tg因受到接地正向電壓導通，將直流線路電抗快速故障隔離。與此同時，避雷器動作，吸收非故障側電抗所儲存的能量。

接地支路原理：故障側電抗儲存的能量將通過接地支路上的接地電阻Rg進行消耗，直至故障側能量衰減至0。

2 新型MP-DCCB分斷過程

圖4為在故障發生時，MP-DCCB之外的等效電路。Lk為與MP-DCCB連接故障線路的故障點F到MP-DCCB的等效電感；Lj(j=1,···,n且j≠k)(值為Lj)為與MP-DCCB連接非故障線路的換流站等效電感、線路感抗、限流電抗器及集中參數下等效電感。Lk1(值為Lk1)為其他MP-DCCB到故障點F的等效電感。各個換流站可以等效為高壓直流電壓源Udcj(j=1,···,n)(值為Udcj)。由于系統中電阻相對較小，可以忽略換流器、線路阻抗以及各電力電子器件的電阻值和通態壓降。

圖4 故障時MP-DCCB外部等效電路Fig.4 Equivalent circuit outside MP-DCCB during a fault

2.1 電容器C1預充電方案

系統正常運行時，觸發T5和T6，T5和T6受電網正向電壓而導通，直流電網中的電流給C1進行預充電。當C1充電完成后，流過T5和T6中的電流為0而自動關斷，如圖5所示。此時的C1的電壓為：

圖5 電容C1預充電電流路徑Fig.5 Pre-charge current path of capacitor C1

(1)

式中：UC1為電容C1的電壓值；Udc為直流電網的電壓值。

2.2 新型MP-DCCB分斷過程

圖6是新型MP-DCCB分斷過程的控制時序。新型MP-DCCB分斷過程的控制時序如下：

圖6 MP-DCCB控制時序Fig.6 Control timing of MP-DCCB

1)t0到t2階段(t0

t0到t2階段是MP-DCCB的換流階段。t0時，與MP-DCCB端口k相連的直流線路發生短路故障，故障電流ik快速上升，此時的ik流過LCSk和UFDk，如圖7(a)所示。t1時檢測到過流，給T1、T2和T0觸發信號，T1、T2和T0因受到短路正向電壓導通，LCSk收到關斷信號后立即關斷，實現換流。待LCSk上的電流降為0，開始關斷UFDk，此時的ik流過T1、T2和T0，如圖7(b)所示。此換流過程不影響故障電流的增長，則ik的大小為：

(2)

式中：IkN為與MP-DCCB端口k相連直流線路的穩態電流值；ik為與MP-DCCB端口k相連直流線路的故障電流值。

2)t2到t3階段(t2

t2到t3階段是限流支路上T1的關斷階段，如圖7(c)所示。t2時，當UFDk已達到額定開距，給T3觸發信號，T3受到C1正向電壓導通，C1開始放電，同時T1受到C1反壓而關斷。此時，ik流過T2、C1、T3和T0。C1初始電壓值為uC1(t2)=UC1，這一階段電路方程組如下：

(3)

代入初始條件解方程組得：

(4)

其中：

(5)

式中：ij(j=1,···,n且j≠k)為與MP-DCCB端口j相連直流線路的非故障電流值；uC1為電容C1的電壓值。

3)t3到t4階段(t3

t3到t4階段是限流支路上C1和LV的限流階段，如圖7(d)所示。t3時，C1放電結束，電壓為0，C1開始反向充電；觸發T4，T4受到C1正向電壓導通，在C1和LV的作用下限流。C1和LV的電壓和電流初始值均為0。這一階段電路方程組如下：

(6)

代入初始條件解方程組得：

(7)

其中：

(8)

式中：iC1為電容C1的電流值；iLV為電感LV的電流值。

4)t4到t5階段(t4

t4到t5階段是LV單獨限流階段，如圖7(e)所示。t4時，C1反向充電結束，T2的電流為0而自動關斷，只剩下LV繼續限流。t4時故障電流為ik(t4)=I4，此后故障電流ik為：

(9)

5)t5到t6階段(t5

t5到t6階段是MOV與Rg的共同耗能階段，如圖7(f)所示。t5時，關斷T0，同時給Tg觸發信號，Tg因受到接地正向電壓導通，故障側電抗所儲存的能量通過Rg進行釋放；同時MOV動作，用于吸收非故障側電抗所儲存的能量。此時電路方程組如下：

圖7 新型MP-DCCB故障分斷電流路徑Fig.7 Breaking current path of MP-DCCB during a fault

(10)

避雷器需要關斷的時間為：

(11)

避雷器需要消耗的能量EMOV為：

(12)

式中：UMOV為MOV的電壓值；iMOV為MOV的電流值。

6)t6后階段(t>t6)。

t6時，非故障側電流降為0，故障側直流電抗中的電流通過Rg繼續耗能，直到消耗完畢，電流為0，如圖7(g)所示。設t6時故障電流ik初始電流為ik(t6)=I6，則此后的故障電流ik的大小為：

(13)

3 仿真與分析

3.1 限流支路器件參數設計

在模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)的四端直流電網輸電中，本文以圖1(b)所示的4端口MP-DCCB1進行理論分析。當MP-DCCB1第2端口連接的線路發生短路故障時，即：對應上述工作原理分析中所提到的MP-DCCB端口k=2，故障電流ik=i2。經過計算，與MP-DCCB1相連的非故障側線路感抗值分別為L1=0.25 H、L3=0.3 H、L4=0.35 H；與MP-DCCB1相連的故障側線路感抗值為L2=0.15 H。設MMC的等效直流電壓分別為Udc1=505 kV、Udc2=500 kV、Udc3=508 kV、Udc4=510 kV。

2)教師水平有待于提高，教師整體素質的高低直接影響課堂教學效果，是我們教學任務的中流砥柱。具有英語和專業知識的復合型人才太少，也就是能夠在中文和英文兩種語種進行自由轉換的教師太少，引進部分外教不會中午，進行內容解釋的時候不能清楚表達。

(14)

(15)

3.1.1 限流支路上C1值的選擇與設計

圖8 C1值對晶閘管電源及故障電流i2的影響Fig.8 The influence of capacitor C1 on power supply of thyristor and fault current i2

3.1.2 限流支路上LV值的選擇與設計

圖9 LV值對晶閘管電源及故障電流i2的影響Fig.9 The influence of inductance LV on power supply of thyristor and fault current i2

3.2 MP-DCCB1的仿真驗證過程

圖10 MP-DCCB1仿真圖Fig.10 Simulation diagram of MP-DCCB1

在t0=2 s時，與MP-DCCB1端口2相連的直流線路發生短路故障，故障電流i2快速上升，此時的i2流過LCS2和UFD2。t1=2.001 s時，檢測到過流，給T1、T2和T0觸發信號，T1、T2和T0因受到短路正向電壓導通，LCS2收到關斷信號后立即關斷，實現換流。待LCS2上的電流降為0，開始關斷UFD2，此時的i2流過T1、T2和T0。t2=2.003 s時，當UFD2已達到額定開距，給T3觸發信號，T3受到C1正向電壓導通，C1開始放電，同時T1受到C1反壓而關斷。t3=2.003 4 s時，C1放電結束，電壓為0，C1開始反向充電；同時觸發T4，T4受到C1正向電壓導通，在C1和LV的共同作用下限流。t4=2.004 35 s時，C1反向充電結束，T2的電流為0而自動關斷；只剩下LV繼續限流。t5=2.005 s時，關斷T0，同時給Tg觸發信號，Tg因受到接地正向電壓導通，故障側電抗所儲存的能量通過Rg進行釋放；同時MOV動作，用于吸收非故障側電抗所儲存的能量。t6=2.005 8 s時，非故障側電流降為0，故障側直流電抗中的電流通過Rg繼續耗能，直到消耗完畢，電流為0。

3.3 性能對比

為了更加客觀地分析本文所提出的新型MP-DCCB的故障分斷能力，將此方案與ABB以及基于ABB發展起來的無接地、無限流常規DCCB(ABB方案)進行對比分析，兩種方案性能對比結果如圖11所示。加入限流支路后，故障線路上的故障電流降低了48.6%，如圖11(a)所示。加入接地支路，新型MP-DCCB上避雷器所消耗能量減少了54.8%，如圖11(b)所示。從圖11(c)可以看出，在同等條件下，新型MP-DCCB上避雷器關斷電流減少了52.4%，時間縮短了0.8 ms。從圖11(d)可以看出，本文方案與ABB方案在避雷器承受電壓方面并無差別。

圖11 新型MP-DCCB與ABB方案的性能對比Fig.11 Performance comparison between new MP-DCCB and ABB solution

3.4 經濟性對比

3.4.1 單個斷路器的電力電子器件經濟性

為能夠更加客觀地說明本文所提的單個斷路器拓撲在故障分斷時的經濟性，將其與ABB混合式斷路器的電力電子器件需求進行對比。對于IGBT，采用目前已成功實現商業化應用的5SNA1500E330305型的IGBT，其額定參數為3.3 kV/1.5 kA。考慮到工程中的IGBT的電壓和電流一般不超過其額定值的50%，單個IGBT承受的電壓電流為1.65 kV/0.75 kA。對于晶閘管，采用國內已具備大規模生產能力額定參數為8.5 kV/5 kA的晶閘管，考慮50%安全裕量。在500 kV的直流系統中，單個斷路器在轉移支路上的電力電子器件數量需求對比如表1所示。

表1 本文方案與ABB方案器件數量需求對比Table 1 Comparison of demand for element quantity between the new solution and ABB solution

由表1可知，本文所提方案與ABB方案相比，由于晶閘管耐壓高，通流大，可以大幅減少開關器件的使用數量，大大降低了開關器件的成本。從器件可靠性方面分析，工程中應盡量避免大量的電力電子器件串并聯，因為大量的電力電子器件串并聯會面臨嚴苛的均壓均流問題。與IGBT相比，晶閘管具有更加成熟的技術條件，在同等工況下器件串并聯所帶來的問題更易處理，可靠性也更高。

3.4.2 斷路器保護n條線路的經濟性

由3.4.1節分析可知，一個斷路器在故障分斷時，ABB式斷路器內所需要的開關器件數量是7 205個，而本文方案所需要的開關器件數量是5 215個；將本文所提出的斷路器與ABB式斷路器運用在保護n條線路時，開關器件數量需求對比如表2所示。

表2 斷路器保護n條線路時器件數量需求對比Table 2 Comparison of demand for element quantity when circuit breaker protects n lines

由表2可知，當保護n條線路時，線路所需要的ABB式斷路器為n個，而所需要本文方案的斷路器為1個；與ABB式斷路器相比，使用本文方案所節約的開關器件數目為7 205n-5 215個。當n=2時，節約開關器件數目為9 195個，節約率為65.8%；當n=3時，節約開關器件數目為16 400個，節約率為75.5%；當n=4時，節約開關器件數目為23 605個，節約率為81.9%。隨著保護線路n的增多，所節約的開關器件數量就越多，這將進一步降低斷路器內的開關器件在直流系統中的投資成本。

通常，高壓直流斷路器在MMC附近。在直流系統中，ABB式斷路器是二端口的，則每個MMC附近需要n個斷路器；而本文方案是多端口斷路器，則每個MMC附近需要1個斷路器，使用本文方案可以大大減少斷路器的數量和占地面積。對于整個系統來說，本文所提斷路器適用于我國的直流超高壓、大電網系統。

3.4.3 避雷器的經濟性

根據圖11(b)所示，在斷路器切斷故障時，由于本文所提的新型拓撲中加入了限流支路和接地支路，與ABB方案對比，避雷器所需求的容量減少了54.8%。避雷器開斷容量越大，所需要串并聯絕緣子柱就越多，開關器件均壓均流的可靠性就越低。考慮到斷路器內的避雷器有一定的使用壽命，在斷路時，避雷器需經過劇烈的材料升溫吸收故障電流能量，而本文方案由于故障電流較小，避雷器材料升溫不急劇，可以有效延長斷路器使用壽命。使用本文MP-DCCB可以有效降低避雷器容量需求，延長避雷器及其斷路器的使用次數，提升斷路器重復性，從而間接地節約了投資成本，降低避雷器與斷路器的配置問題。

與此同時，不僅避雷器所需求的容量將大幅減少，而且避雷器的個數也將大大減少。一般一個斷路器內部需要配置一個避雷器，在保護n條線路時，線路對ABB式斷路器所需要的避雷器是n個，而本文方案所需要的避雷器為1個，節約了n-1個避雷器，這將從另外一個方面減少避雷器投資成本，提高經濟性。

4 結 論

本文提出新型具有限流功能多端口高壓直流斷路器拓撲，在ABB以及基于ABB發展起來的基礎上由常規二端口延伸到多端口，增加限流支路和接地支路，分析了其電路結構、工作原理、動作時序過程、元件參數設計和仿真驗證。與目前已有的ABB方案相比，新型MP-DCCB具有以下優點：

1)新型MP-DCCB上主電路由常規二端口延伸到多端口，大大降低成本費用。

2)新型MP-DCCB限流支路上使用了基于電力電子器件的電容和電感來綜合限流，有效降低了短路故障電流峰值。與ABB以及基于ABB發展起來的無接地、無限流常規DCCB關斷方案相比，其故障線路電流降低了48.6%。

3)MP-DCCB增加接地支路，將晶閘管Tg和接地電阻Rg串聯來消耗故障側直流點能量，實現了故障的隔離。應用在500 kV四端高壓直流電網中，采用國內已具備大規模生產能力額定參數為8.5 kV/5 kA的晶閘管，考慮50%安全裕量，所需晶閘管的數量一共為133個，在同等條件下，新型MP-DCCB所消耗能量減少了54.8%。

4)與常規二端口DCCB相比，新型MP-DCCB上的避雷器關斷電流減少了52.4%，時間縮短了0.8 ms。

5)本文的方案與ABB方案相比，限流支路上晶閘管可以大幅減少開關器件的使用數量。與IGBT相比，晶閘管成本更低，可靠性更高。

6)在限流支路上，提高了拓撲已有器件的使用次數。在故障分斷結束后，限流電容再次充電，為MP-DCCB下一次分斷做好準備。

本文方案的通流支路由常規二端口延伸到多端口，從而減少電力電子器件的使用數量，大大降低成本費用；限流支路采用半控型電力電子開關，可以在投入后抑制故障電流上升率，為故障隔離爭取更多的時間，同時也減少了斷流支路上IGBT的數量；接地支路自行吸收故障側所儲存的剩余能量，不會對故障側電路造成過多影響，緩解了限流水平與故障快速隔離之間的矛盾，從而降低了避雷器的耐壓水平、吸收能量和技術難度等。

本文所提出的新型MP-DCCB拓撲結構，能夠很好地保護直流電網，具有一定的工程應用價值。然而，在實際的工程實用中，由于直流電網的電壓等級高，需要進一步對開關器件的控制策略和均壓均流效果進行研究與論證，保證MP-DCCB的可靠性。進一步而言，單個MP-DCCB的拓撲設計需要考慮與其他MP-DCCB的相互配合等問題，這需要進一步深入研究。