集成潮流調節功能的多端口直流斷路器及其控制研究

丁 超，郭心銘，許 烽，裘 鵬，陸 翌

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.中國科學院電工研究所，北京 100190；3.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

直流電網是高壓直流輸電的一種形式，具有換流站數量少［1］、系統容量大、對可再生能源波動的抑制能力強［2］等特點。但直流電網傳輸線較多，需要大規模應用直流斷路器，增加了成本和損耗，降低了直流電網的經濟性。由于直流電網電流有多個傳輸路徑，當n節點直流電網傳輸路徑大于n-1 時，即存在一些支路的電流不受控制，僅由線路阻抗和端口電壓決定，帶來了傳輸瓶頸、線路過流等問題［3］，進一步減弱了直流電網的可靠性。因此，在進行直流系統設計時需同時考慮以下兩點：一是網狀系統的線路潮流解耦問題；二是額外增加多個故障隔離裝置所帶來的系統損耗與成本增加的問題。

為解決第一個問題，即直流潮流控制的問題，研究人員提出CFC（電流潮流控制器），是一種高效、小體積的直流潮流調節裝置。由于直流線路阻抗較小，串聯進直流線路的電容電壓只需要系統電壓的百分之一即可大幅度地調節電流［4］。在已有的研究中，全橋CFC 以較高的自由度、冗余度獲得了較好的控制效果［5-7］，但應用在直流電網時，隨著需要調節的支線增多，全橋CFC 的器件數量成倍上升。半橋CFC 可以利用較少的器件實現同樣的功能，但半橋CFC 存在控制耦合，設計較為復雜［8］。

針對第二個問題，集成化是降低設備成本與損耗的主要方法，多端直流斷路器由于共用MB（主斷路器）支路，在端數較多的場景下可以有效降低成本［9］。當系統中串聯電力電子設備較多時，損耗也是不可忽略的問題。由于多端直流斷路器與潮流控制器結構上具有一定的相似與重合，進一步提高集成度，有助于減小損耗與成本。文獻［10-11］采用分立式的直流斷路器結合全橋CFC，有利于多端拓展，但由于采用雙向MB 結構，成本較高。文獻［12］提出一種三端CFC，采用單向MB 結構，但受限于MB 結構分散，成本依然較高。文獻［13］將多端直流斷路器部分LCS（負荷轉移開關）用全橋CFC 代替，同時多端共用單向MB，節省了成本，但該斷路器需要較多的機械開關，穩定性不高。文獻［14］提出一種基于二極管橋的結構，減少了機械開關數量。

以上結構采用全橋CFC，在實際運行中存在冗余狀態，增加了開關損耗與成本。而半橋CFC的控制邏輯較為復雜，限制了其多端化拓展。目前已有的半橋CFC 控制方式有查表法［15］和邏輯運算法［16］，這兩種方法的工程實現較復雜。文獻［8］提出的滯環方法實現簡單，但電容電壓存在較大波動。上述控制方法局限于兩條線路的潮流分配。文獻［17］創新性地提出一種載波移相的控制方式，可以單獨控制n-1 條線路電流，但該方式僅采用電流控制，電容電壓是隨著工況變化的。故障電流的轉移需要一定的轉移電壓［18］，如果采用文獻［17］控制方式，將半橋CFC 直接與多直流斷路器結合，可能存在故障電流轉移失敗的問題。

針對上述問題，本文結合半橋CFC 與HCB（混合式直流斷路器）的特點，提出一種CFCHCB（具有潮流調節能力的直流斷路器）結構，相比于其他已有的設計，其具有開關元器件少、經濟性強的特點。依據兩者融合后的運行特性，計算拓撲主要參數，并根據直流斷路器多支路轉化對CFC電容電壓的固定取值需求，改進半橋CFC的調制方式與控制目標。

1 CFC-HCB的工作原理

n端CFC-HCB 的結構如圖1 所示，端口1 接入直流母線（DC bus），端口2 至端口n接入直流支線，每條支路都配備UFD（超快速機械開關）與RCB（殘余電流開關），除去直流母線，直流支線需配備限流電感。每條線路連接一個半橋Tak-Tbk〔Tak和Tbk均為IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），k=1，2，…，n〕，與電容C一起構成CFC潮流調節部分。MB 支路包含串聯IGBT、MOV（氧化鋅避雷器），與二極管橋Dk（k=1，2，…，n）一起完成故障分斷功能。為了便于分析，指定直流母線上的電流為I1，正方向為流向CFC-HCB；指定直流支線Linek（k=2，…，n）電流為Ik，正方向為流出CFC-HCB。

圖1 CFC-HCB的基本結構

1.1 故障阻斷模式

以線路2為例，發生故障后的故障阻斷過程如圖2所示。線路2的電流迅速流向短路點，直流母線與其他直流支路電流通過上橋臂流入線路2，如圖2（a）所示。當主保護檢測到短路故障后，即閉鎖故障橋臂上的Ta2 與Tb2，以及非故障線路的下橋臂的Tb1、Tb3、…、Tbn，同時導通非故障線路的上橋臂的Ta1、Ta3、…、Tan與MB支路，此時潮流控制部分的電容會迫使電流由Ta1/Tan-CTb2-UFD2 回路轉移至Ta1/Tan-MB-D2 回路，此時電流流經Tb2 的反并聯二極管，如圖2（b）所示。UFD2 的斷開需要一定的時間，這段時間短路電流會持續流經Ta1/Tan-MB-D2 支路。當檢測到機械開關分斷完畢后，MB分斷，此時電流轉移至Ta1/Tan-MOV-D2 支路，如圖2（c）所示。電流開始下降，直至維持在MOV漏電流等級。此時斷開RCB2，漏電流去除，完成故障阻斷。同時CFC-HCB 中非故障線路對應的半橋啟動，線路電流重新分配，如圖2（d）所示。

圖2 故障阻斷過程

1.2 雙向負荷電流分斷

在輸電線兩端均配置CFC-HCB 或直流斷路器的前提下，如果需要分斷流入CFC-HCB 的負荷電流，可分兩種情況：一種是分斷線路電流，負荷電流流入CFC-HCB 的一個節點意味著從另一個CFC-HCB 的節點流出，通過兩個CFCHCB 之間的通信，使得流出CFC-HCB 負荷電流分斷，之后再斷開本節點的CFC-HCB機械開關，完成線路分斷；另一種情況是直流母線負荷電流分斷，即電流從換流站流入CFC-HCB 的情況，非故障條件下跳開換流站交流側的交流斷路器即可完成負荷電流分斷。

1.3 重合閘模式

重合閘控制首先需要判斷故障是否已清除。對于長距離輸電線路，可以通過MB 支路注入一個電壓脈沖，觀測反射時間與反射波形來判斷故障是否清除。對于短距離輸電，可以采用文獻［19］提到的殘余電壓法，如圖3所示。這種方法需保證線路兩端均為換流站，且換流站出口均有斷路器，在兩端斷路器均分斷的情況下，線路中應無負載，所以短路電阻為唯一回路。在故障線路末端放置一個電壓探頭，同時閉合RCB2，由于MOV 存在殘余電流，如果故障線路為永久故障，則線路電壓會一直維持在較低水平。若故障線路為短時故障，故障清除后，漏電流會使得直流線路逐漸建立電壓，當超過一定閾值后，即判斷故障清除，可以重合閘。此時導通MB 支路，進一步判斷故障情況，若殘余電流法出現誤判，則需再次關斷MB。若直流電壓建立完整，則可以繼續閉合UFD2，等待機械開關完全閉合，導通Ta2，同時閉鎖MB，完成重合閘。

圖3 重合閘條件檢測過程

1.4 潮流控制模式

與全橋CFC不同的是，半橋CFC雖然節省了開關管，但控制上存在耦合。傳統控制方法在三端潮流控制器中可以通過窮舉開關狀態來控制電容充放電與電流調節。然而隨著直流端數的增加，狀態組合數呈指數級增長，逐一分析開關狀態組合非常復雜。為了解決該問題，本節從電容接入的角度分析開關狀態。

將每條線路對應的半橋與電容狀態聯合分析。首先定義斷路器的出口為電流的正方向，沿正方向電流為正，反向為負。如圖4所示：當半橋上橋臂工作時，電容沿正方向接入線路，線路電流沿正方向增大或沿反方向減小，電流的變化方向都為正；同理，半橋下橋臂工作時，電流沿正方向減小或沿反方向增大，電流的變化方向都為負。

圖4 電容接入方式

定義開關函數Sc與Sk，分別表示連接變流器與直流線路的橋臂狀態：CFC運行工況見表1。

表1 CFC運行工況

由表1可以看出，電流增減方向只與橋臂組合狀態有關而與電流方向無關，即由電容的接入方向決定。因此，以直流母線為電壓基準，通過這兩種作用的電壓組合就可以完成各條線路電流的獨立調節。

2 CFC-HCB的潮流控制方法

根據對潮流控制器的狀態分析，結合多端直流斷路器的特點，提出潮流控制的新方法。由文獻［18］可知，直流斷路器工作時，需要LCS（負荷電流開關）承受一定的轉移電壓才能順利將故障電流轉移至MB 支路中。由圖4（a）可知，在CFCHCB 中，電容承擔主要的轉移電壓，而一些已有的半橋CFC 控制方法采用電容電壓與線路電流串聯控制，不能保證電容電壓恒定［18］，因此需要設計一種適用于CFC-HCB的電容控制方法。

從表1可以看出，電容的充放電取決于I1與Sc的狀態：當I1>0 且Sc=1 時，電容充電或旁路；當I1>0 且Sc=0 時，電容放電或旁路。可以認為在電流I1方向確定時，Sc決定電容的充放電回路。但電流獨立調節使得電容的充放電不一定平衡，導致電容穩態電壓的變化，因此需要額外的一條平衡線路橋臂，始終與直流母線橋臂互補平衡電容電荷。

電壓控制框圖如圖5 所示，其中：Uc為電容電壓；Uc_ref為電容電壓參考值；Ic為母線電流；Dc為電壓控制環輸出占空比，電容電荷不足或過剩的部分就由該調制方式平衡。平衡線路的電流不需要閉環控制，由基爾霍夫電流定律即可自然平衡。在調節支路電流時，以I1>0為例，若電流沿正方向增大，則需要滿足兩個條件：Sk在Sc=1時狀態為“1”，即電容保持旁路狀態；Sk在Sc=0 時狀態為“0”或“1”，電容保持旁路狀態或放電狀態。同時滿足這兩個條件，支路電流才會上升。通過母線連接半橋與支線連接半橋共用載波，同時調節該線路電流控制器的占空比輸出Dk>Dc，即可產生該調制效果。

圖5 電壓控制框圖

電流控制的調制方式如圖6 所示。共用載波后，Sm為電流增大的線路開關函數（對應占空比為Dm），Sn為電流減小的線路（對應占空比為Dn）。在紅色區域，電容沿正方向接入線路，對線路放電，線路電流上升；在藍色區域，電容沿反方向接入線路，從線路取電，線路電流下降；在其他無色區域，線路均保持旁路狀態。

圖6 電流控制的調制方式

基于圖6的調制方式，得到電容接入線路的邏輯關系Fc，即Sc異或Sk：

可以看出，通過電容對線路的充電與放電不會同時發生，兩種電壓狀態分布在Sc變化沿的兩側。Dk與Dc的差距越大，電容接入的時間越長，調節效果越強。CFC控制邏輯見表2。

表2 CFC控制邏輯

由表2可知，控制器輸出與電流改變方向是一致的，因此在設計控制器時無需像傳統控制器那樣判斷電流方向。電流控制框圖如圖7所示，其中Ik_ref為線路參考電流。需要注意的是，這種控制方式應規定電流的正方向，一般以CFC-HCB 電流出口方向為正方向，與正方向相同的電流為正，相反為負。

圖7 電流控制框圖

當系統結構發生變化，如控制電容電壓的母線退出運行，需要根據線路潮流情況調整控制策略，確定可控線路數量后，將某條線路由電流控制模式切換為電容電壓控制模式，以保證電容電壓穩定。

3 CFC-HCB參數計算

3.1 電容參數計算

當線路發生接地短路故障時，首先受到影響的是潮流控制中的電容C，在故障識別時間t0—t1內，電容可能處于對線路放電或充電，考慮到電容充電對電容的威脅較大，因此分析其中最壞的一種情況。以線路2 短路為例，如圖2（a）所示，此時電容的充電電流等于短路電流。電容的電壓變化為：

式中：t為時間。

式（4）表明在設計潮流控制所用的電容時需要考慮短路帶來的電容耐壓問題。i2（t）的表達式比較復雜，與傳輸線的參數及短路過渡電阻有關，考慮最極端的情況，即斷路器出口短路，則i2（t）可近似表示為：

式中：Leq為換流站等效電感與斷路器出口限流電感的總和；Udc為直流額定電壓。

在t0—t1這段時間內，CFC-HCB 需要完成電流的轉移。由于MB 支路與轉移支路由大量的IGBT 與二極管構成，這些器件帶來了導通電阻Ron與寄生電感Lst，由圖2（b）得到的等效轉移電路如圖8 所示，其中IUFD2為機械開關2 的電流，Usat為MB支路與二極管支路的導通壓降。

圖8 等效轉移過程電路

由圖8 可知，若電流從電容轉移至MB 支路，則Uc至少要大于MB 支路與二極管支路的導通壓降Usat，即：

同時，為了加快轉移電流的過程，則需要更高的電容電壓以克服支路的寄生電感Lsr引起的電流轉移延遲，即：

由于電流轉移過程時間非常短暫，可以近似認為電容電壓不變，由式（7）可以計算出最大轉移時間為：

由式（8）可以看出，電流轉移時間由轉移支路寄生電感及此刻的故障電流決定，通過調節電容電壓可以改善該過程。

為了進一步計算出電容值，分析電容充放電過程，根據電容電荷守恒可得：

式中：T為開關周期；為每條支路的平均電流。

式（9）第一部分為電容平衡部分，即電容電壓控制效果，第二部分為各線路對電容的充放電效應，在一個周期T內，整個電容平衡方程需要平衡。通過式（9）可以計算出電容紋波：

式中：f為開關頻率；m為電流沿正方向減小的傳輸線數量。可以看出電容的紋波電容容值占主導，占空比和傳輸電流大小也起到關鍵作用。在實際工程中，式（11）通過不等式縮放條件，可近似表示出電容、頻率與電容紋波的取值關系。

3.2 潮流調節能力計算

為了分析潮流控制部分的電流調節能力，需要計算潮流控制的簡化外電路方程，根據基爾霍夫電壓方程可得：

式中：U1為母線端口電壓；Uk為每條支路端口電壓；為電容的平均電壓；Rk為每條線路等效電阻。

近似認為端電壓不變，對式（12）兩邊取差分可得：

式（14）為某一端的電流可變化范圍，即潮流控制的最大調節范圍，實際上該范圍只是用于計算出電容電壓的最大值，實際調節過程中會留有一定裕量。

4 方案對比

本節以N端應用為例，對不同的集成拓撲進行比較，以證明本文所提拓撲的優勢。目前已有的CFC-HCB方案的經濟性對比見表3，其中：Ur為MOV 動作電壓，設為1.5 倍直流母線電壓；UCES為單個IGBT耐壓；UD為單個二極管耐壓。

表3 不同CFC-HCB方案的經濟性對比

可以看出：分立式方案具有較多MB 結構，造成IGBT 數量成倍增長；文獻［12-14］方案采用二極管橋式結構，解決了MB 多路復用的問題；本文所提出的CFC-HCB 保留了這一優勢，該結構的另一個優點是CFC/LCS 的MOV較少，所有橋臂可以共用一個MOV。

這些方案的損耗由LCS/CFC結構決定。文獻［13-14］方案采用的主回路復用方式是全橋IGBT代替反串聯IGBT，與分立式方案相比有一定優勢，但不及文獻［12］方案。這些方案的電流每次需要流經4個開關管，損耗較高。本文提出方案的潮流調節部分采用半橋結構，導通損耗可以降低一半。

與其他拓撲結構相比，在相同的系統電壓和電流水平下，本文提出方案的損耗和成本最小。

5 仿真驗證

5.1 仿真環境

為驗證本文所提CFC-HCB 的功能，應用MATLAB/Simulink 搭建四端柔性直流輸電系統，如圖9 所示，其中：Ic1、Ic2、Ic3、Ic4為各換流站流出電流，I12、I13、I14、I23、I43為各換流站間線路電流。系統電壓500 kV，換流站1、2、3為功率站，換流站4 為電壓站。功率站1 輸出功率700 MW，換流站2 消耗功率250 MW，換流站3 消耗功率350 MW，換流站4 消耗功率100 MW。換流站1接入CFC-HCB，其他換流站均接入MHCB（多端混合式直流斷路器）。裝置中的二極管選用英飛凌的D1481N，6 800 V/2 500 A，IGBT選用ABB公司的5SNA 3000K45230 模塊［20］，耐壓4 500 V，最大瞬態關斷電流19 kA/5 ms［21］。線路模型采用高階π型等效電路，詳細的線路參數以及設備參數如表4所示，其中潮流參數的選取依據2%的線路電流及電容電壓紋波通過式（11）計算得到。

表4 仿真參數

圖9 四端柔性直流輸電系統仿真

5.2 潮流控制仿真

圖10 展示了潮流調節過程中直流母線電流、直流支線電流與電容電壓的變化。當四端柔性直流輸電系統穩定運行后，電流I12=0.4 kA，I13=0.6 kA，I14=0.4 kA。t=1.5 s 時，使CFC-HCB由旁路狀態進入潮流調節狀態。改變線路12 與線路13的電流指令I12=0.6 kA，I13=0.4 kA，電容電壓指令Uc=3 kV，約50 ms 后電容電壓Uc達到設定值，約200 ms 后兩線路電流達到設定值。兩條線路改變的電流基本一致，因而平衡線路電流基本不變。t=2.5 s 時，單獨改變I12=0.4 kA，此時兩線路電流不平衡，需要I14平衡兩條線路，230 ms后，I12達到設定值，I13和Uc保持不變。因此在該控制模式下，電流可以單獨調節，同時電容電壓可以保持恒定值，為故障阻斷功能提供了有利條件。

圖10 潮流調節過程

圖11 展示了本文所提控制方法的作用效果，用于驗證圖7 的調制方法。圖11 中：u12為端口1與端口2之間的電壓，u13為端口1與端口3之間的電壓，u14為端口1 與端口4 之間的電壓；uT1為直流母線連接的半橋上橋臂電壓，由式（1）可知對應Sc；uT3為開關管T3電壓，對應開關函數S2；uT5為開關管T5電壓，對應開關函數S3。結合圖11（b）可知：Sc與S2信號異或的面積即為電容對線路12 放電的時間積，線路電流增大，u12取值為｛0，3 kV｝；Sc與S3信號異或的面積即為電容線路13 放電的時間積，線路電流下降，u13取值為｛－3 kV，0｝。圖11（c）為平衡線路的電壓，由于需要平衡電容電壓，線路電流可能上升也可能下降，u14取值為｛－3 kV，3 kV｝。

圖11 橋臂電壓與端口電壓

5.3 故障阻斷仿真

圖9所示的四端柔性直流輸電系統中，傳輸線12 于t=4 s 時發生接地短路故障，接地電阻0.01 Ω，接地位置為線路12 上距換流站150 km 處，圖12給出了故障阻斷波形。如圖12（a）所示，發生短路故障后，CFC-HCB端口1電流ic1迅速上升，共用節點的其他線路電流也同步升高。圖12（b）中iIGBT與iMOV分別為轉移支路電流與耗能支路電流，繼電保護于t=4.001 s時判斷出發生短路故障，閉鎖故障線路的上、下橋臂及非故障線路的下橋臂，同時導通非故障線路的上橋臂及MB中所有IGBT。如圖12（c）所示，此時工作在潮流控制工況下的電容有足夠的電壓，輔助斷路器快速換流，結合式（8）與仿真工況及實際參數，計算出換流時間為59.1 μs，實際仿真的轉移時間如圖12（d）所示，約為52 μs，基本接近。故障電流此時由機械開關路徑轉移至MB 二極管路徑，故障線路對應的機械開關UFD2 開始進行無電弧分斷。多端直流斷路器的首要目標是在保證故障被隔離的同時，其他線路及變流器可以實現故障穿越，因此需要在故障阻斷期間導通非故障線路的上橋臂，保證其他線路的功率供應，如圖12（e）所示。機械開關約2 ms后完成分斷，MB支路開始關斷，電流迅速轉移至MOV耗能支路。通過計算MOV上電流、電壓對時間積分，可以得出MOV 最終耗散的能量EMOV=13 MJ。

圖12 故障阻斷波形

5.4 電容電壓影響仿真

為驗證電容電壓對故障電流轉移的影響，控制CFC-HCB 的電容電壓工作在1 000 V 和3 000 V，對比觀察UFD 中電流的轉移情況，如圖13所示。

圖13 不同電容電壓下的UFD電流

可以看到，當電容電壓較小時，UFD 中電流無法鉗位至零電流，說明在機械開關分斷的這段時間內可能產生電弧而使分斷失敗，證明了控制電容電壓的必要性。

6 結語

本文提出一種具有潮流調節功能的經濟型多端直流斷路器，克服了以往在直流電網中斷路器與潮流控制器成本和損耗較高的問題。分析潮流控制與故障阻斷的具體過程，采用改進后的調制方式與控制算法，使CFC-HCB 的電容電壓保持恒定，并計算其關鍵參數。通過四端直流系統進行仿真驗證，結果表明所提出的CFC-HCB 可以很好地實現潮流控制與故障阻斷功能。

由于CFC與多端直流斷路器共用潮流/負荷轉移的功能，若其中一些關鍵元件損壞，將導致斷路器無法正常工作，后續研究中將通過器件或設備冗余來解決該問題。