基于廣義H橋電路的混合式直流斷路器

陸 翌，吳俊健，2，裘 鵬，陳 騫，許 烽，許可涵，徐 政

（1. 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2. 國網浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000；3. 浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027）

0 引言

隨著新能源技術的不斷發(fā)展，直流輸電承擔了越來越重要的電能輸送任務。基于VSC（電壓源型換流器）的直流輸電技術因其不存在換相失敗問題、潮流調節(jié)能力強和易于雙向輸送電能等優(yōu)點，在大規(guī)模長距離的電力傳輸和新能源并網中發(fā)揮了重要作用［1-2］。

基于MMC（模塊化多電平換流器）的直流輸電技術在眾多組成VSC 的拓撲結構中具有明顯優(yōu)勢。MMC采用子模塊級聯(lián)的方式構成，易于模塊化設計制造，制造難度小，損耗低，十分適合搭建直流電網。因此，基于MMC的多端HVDC（高壓直流輸電）電網是未來直流電網的發(fā)展趨勢［3］。但是，由于直流系統(tǒng)比交流系統(tǒng)的阻尼低，直流故障在線路上傳播的速度更快，這對控制保護提出了更高的要求。控制保護系統(tǒng)需要在發(fā)生直流故障時快速隔離故障區(qū)域，保證交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。

控制保護策略與直流電網的構建方式有關，直流電網一般有兩種構建方式［4-6］。第一種，采用具有直流故障自清除能力的MMC，如FBSM（全橋子模塊）等。這種構建方式下不需要采用直流斷路器，但由于電力電子器件的增加，系統(tǒng)的運行損耗也增大，變相增加了系統(tǒng)的投資成本。同時，在直流線路故障時，相關的換流設備需要閉鎖以隔離故障，這會對交流電網產生沖擊。第二種，采用HBSM（半橋子模塊）結構的MMC。該種構建方式是現(xiàn)有MMC-HVDC 工程中常用的一種結構，由于此種MMC 沒有故障自清除能力，需要加裝直流斷路器，所以直流斷路器作為關鍵性元件，其選擇十分重要。

目前，高壓直流斷路器的結構主要有3 種類型，即基于常規(guī)開關的傳統(tǒng)機械式、基于純電力電子器件的固態(tài)式和二者結合的混合式。傳統(tǒng)的機械結構斷路器受到常規(guī)開關開斷速度的影響，難以滿足直流系統(tǒng)對故障清除快速性的要求。固態(tài)直流斷路器在技術層面可以實現(xiàn)，但其器件數(shù)量多，成本高昂，經濟性差。混合式直流斷路器是目前的研究重點，近年來得到了充分的發(fā)展。2012年，ABB公司開發(fā)了世界首臺混合式高壓直流斷路器［7］。2015 年，國網智能電網研究院有限公司研制了級聯(lián)混合式高壓直流斷路器［8］。2017年，南瑞集團研制了全橋混合式高壓直流斷路器。混合式直流斷路器的動態(tài)特性較好，但是考慮其成本因素，故工程應用還處于探索階段。

文獻［9］提出了一種組合式高壓直流斷路器，但其仍需采用雙向電力電子器件串聯(lián)結構以用于電流方向切換。文獻［10］提出了一種典型的半橋型多端直流斷路器，但是該混合式直流斷路器不能隔離母線故障。文獻［11］提出了全橋型混合式直流斷路器，其主斷部分只需要單向電力電子器件即可實現(xiàn)雙向故障的隔離，但是需要使用大量晶閘管。

針對目前相關研究中存在的問題，本文提出一種基于廣義H 橋電路的混合式直流斷路器。該斷路器具有以下特點：拓撲中所有支路的權重一致，發(fā)生故障時的處理方式一致，可以快速恢復非故障線路的功率傳輸；取消了常見的反并聯(lián)二極管，減少了IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的數(shù)量，節(jié)省了直流母線，改善了工程的經濟性，適用于多端直流電網的建設。本文首先分析了所提混合式直流斷路器的拓撲結構和各部分功能，隨后對其工作過程進行分析，繪制了電流流向示意圖；接著搭建四端直流測試系統(tǒng)并對其各階段的運行特性進行仿真測試；最后將本文所提的多端直流斷路器與其他混合式斷路器方案進行了經濟性對比。

1 基于廣義H橋電路的混合式直流斷路器

1.1 斷路器拓撲結構

混合式高壓直流斷路器的拓撲結構如圖1 所示。該斷路器由通流支路和主斷部分組成。通流支路由UFD（超快速機械開關）和LCS（轉移開關）組成；主斷部分由多組正、反方向的電力電子器件串聯(lián)而成，每組器件配備獨立的并聯(lián)避雷器，因此具有切換流通方向的能力，可以實現(xiàn)雙向斷流的功能。當故障電流被轉移至主斷部分時，主斷部分的所有器件需要共同承擔直流系統(tǒng)級的電壓，為了保證主斷部分正常工作，需要串聯(lián)較多的電力電子器件以承受高壓不致?lián)舸GBT是常用的全控型器件，但其造價較高，因此主斷部分嚴重影響了直流輸電系統(tǒng)的經濟性。直流電壓等級愈高，對投資成本的影響愈明顯。

圖1 混合式高壓直流斷路器的拓撲結構Fig.1 Topological structure of the hybrid HVDC circuit breaker

本文所述基于廣義H 橋電路的混合式直流斷路器由通流支路、二極管串、共用的主斷部分組成，結構如圖2所示。其中，每回通流支路由1個UFD 和1 個LCS 組成；主斷部分由多個模塊串聯(lián)組成，連接在2個二極管串之間。每個模塊由多個IGBT串聯(lián)和1個避雷器并聯(lián)組成。

圖2 基于廣義H橋電路的混合式直流斷路器的拓撲結構Fig.2 Topological structure of the hybrid DC circuit breaker based on generalized H-bridge circuit

所提出的斷路器包含1 個共用的主斷路器支路、2（n+1）個二極管串和n+1回通流支路，布置在同一個MMC 換流站內。其中，換流器連接點直接連接到MMC換流站，而其他n個線路連接點與直流線路相連，因此連接點的個數(shù)為連接到該換流站的線路回數(shù)加1。LCS與UFD串聯(lián)，MMC換流站和直流線路通過UFD和LCS相連，從而節(jié)省了直流母線，避免了母線故障。同時，每個連接點直接與每對二極管串的中間節(jié)點相連，構成廣義H 橋電路結構。由于上、下橋臂二極管的存在，如果IGBT器件兩端存在反向電壓，橋臂二極管會導通，為電流提供流通路徑，因此可以取消IGBT的反并聯(lián)二極管。共享主斷部分由IGBT器件形成單向流通結構，無需串聯(lián)用于方向切換的雙向器件，因此所需器件數(shù)量減半，這樣可以降低斷路器投資成本。

1.2 斷路器的工作過程分析

本節(jié)對基于廣義H 橋的混合式直流斷路器在正常運行和線路故障隔離狀態(tài)下的工作特性進行介紹。當斷路器正常運行時，共用的主斷路器斷開，每對二極管串均閉鎖。每條線路的UFD 和LCS 處于閉合狀態(tài)，多端直流系統(tǒng)通過UFD 和LCS 相連。正常運行負載電流流通路徑如圖3（a）所示。因此，LCS 中電力電子開關的數(shù)量，只需滿足負載電流總和的需要即可。以單條直流線路故障為例，對本文所述斷路器的故障隔離策略進行介紹。假設t0時刻，線路連接點i發(fā)生故障，那么故障電流的切斷可以分為4個階段：

圖3 基于廣義H橋電路的混合式直流斷路器電流流通路徑Fig.3 Current path of the hybrid DC circuit breaker based on generalized H-bridge circuit

1）階段Ⅰ：換流階段。如果保護系統(tǒng)在t1時刻檢測到故障，混合式斷路器便進行故障隔離。主斷路器支路內的IGBT觸發(fā)導通，同時故障線路的LCS 通過閉鎖IGBT 斷開。由于故障點的電壓跌落，與故障線路相連的下橋臂二極管串導通。通過電位關系易知，與非故障線路相連的其他下橋臂二極管串由于反向電壓維持阻斷狀態(tài)，而非故障線路的上橋臂二極管串會導通。此時，除了通過UFD和LCS相連外，非故障線路的部分電流也會沿著上橋臂二極管串匯集后，通過主斷部分往故障點饋入短路電流，如圖3（b）所示。

2）階段Ⅱ：UFD 分離階段。故障電流在t2時刻完全換流到主斷支路。然后命令故障線路上的UFDi在零電流零電壓狀態(tài)時打開。在當前研發(fā)能力下，UFDi需要大約2 ms才能完成其觸頭的完全分離。此時，UFD完成了故障線路的物理隔離。

3）階段Ⅲ：避雷器吸能階段。一旦UFDi在t3時刻完全打開，主斷部分立即通過閉鎖IGBT 斷開。然后故障電流轉移到避雷器支路，故障能量通過避雷器泄放，如圖3（c）所示。在此期間產生瞬態(tài)中斷電壓，故障電流在t4時刻下降到0。

4）階段Ⅳ：故障隔離后運行階段。在故障隔離后，健全部分仍通過UFD和LCS連接以進行功率傳輸，如圖3（d）所示。值得注意的是，此時故障線路的上橋臂二極管串存在正向壓降。考慮到主斷部分避雷器支路的電阻很大，非故障線路分流較小，因此可以認為此時主斷部分處于開路狀態(tài)，橋臂上的二極管不會導通。至此，故障隔離過程已經完成。

2 四端直流系統(tǒng)仿真結果及分析

2.1 仿真系統(tǒng)結構

為了驗證混合式直流斷路器的可行性，在PSCAD/EMTDC中搭建了具有5條線路的四端單極直流電網測試系統(tǒng)。

換流站4維持整個系統(tǒng)的電壓，采用定直流電壓和無功功率控制。其余3座換流站均采用定有功功率和無功功率控制。4座換流站之間通過架空線路相連，換流站2 和換流站3 之間也通過1 條架空線路相連。系統(tǒng)架構如圖4 所示，系統(tǒng)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 四端系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of the four-terminal MMCHVDC system

表2 換流站控制模式Table 2 Control modes of converter stations

圖4 四端MMC-HVDC系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the four-terminal MMC-HVDC system

2.2 故障特性及響應

四端MMC-HVDC 系統(tǒng)混合式H 橋斷路器的拓撲結構如圖5所示。

圖5 四端MMC-HVDC系統(tǒng)混合式H橋斷路器的拓撲結構Fig.5 Topological structure of the hybrid circuit breaker based on generalized H-bridge circuit in the four-terminal MMCHVDC system

假設系統(tǒng)在t=2 s時，直流線路l12靠近換流站MMC2側發(fā)生單極接地故障，接地電阻為0.01 Ω。當系統(tǒng)檢測到故障后，混合式H橋斷路器1和混合式H橋斷路器2會同時動作跳開線路l12。對MMC2側的混合式H橋斷路器2故障特性進行分析，得到其故障響應如圖6 所示。圖6（a）表示流過主斷部分IGBT 開關支路和避雷器支路的電流，圖6（b）表示流過上橋臂二極管串的電流，圖6（c）表示流過下橋臂二極管串的電流，圖6（d）表示避雷器吸收的能量，圖6（e）表示流過LCS 的電流，圖6（f）表示從線路或換流站注入連接點的電流，圖6（g）表示連接點對地電壓和主斷部分兩端電壓。

圖6 單極接地故障時系統(tǒng)的故障響應Fig.6 Fault response of the single-pole-to-earth fault

從圖6可以看到，故障發(fā)生之后，直流線路的電流突然增大。在故障被檢測到之前，通過LCS的電流已經表現(xiàn)出明顯的增幅。

在換流階段，假設故障檢測時間為1 ms，在t1=2.001 s時，系統(tǒng)檢測到故障位置在直流線路l12靠近換流站MMC2 側，混合式斷路器便開始進行故障隔離。對主斷路器支路內的IGBT迅速施加導通信號觸發(fā)，主斷部分開關迅速閉合。同時，對故障線路的LCS1內的IGBT 施加閉鎖信號以使其斷開。由于故障點的電壓跌落至0，與故障線路l12相連的下橋臂二極管串D5導通，與非故障線路相連的上橋臂二極管串D2—D4導通。此時，除了通過UFD和LCS相連外，非故障線路的部分電流也會沿著二極管串D2—D4匯集后，通過主斷部分往故障點饋入短路電流，這個過程中通過非故障支路LCS的電流峰值約為2.2 kA。

在UFD分離階段，假設故障電流在t2=2.002 s時完全換流到主斷支路，此時，UFD1可以在零電流和零電壓狀態(tài)下開啟，UFD需要大約2 ms完成操作。

在避雷器吸能階段，一旦UFD1在t3=2.004 s時完全打開，主斷部分通過對支路內的IGBT迅速施加閉鎖信號使其斷開。故障電流轉移到避雷器支路，電流完全換向到避雷器。此時發(fā)生的故障電流峰值約為3 kA，并且發(fā)生的過電壓最大值為800 kV，約為直流電壓500 kV 的1.6 倍。在故障隔離過程中，避雷器吸收約7 kJ的能量。

3 不同方案的對比分析

3.1 所需半導體器件數(shù)量

混合式直流斷路器所需的半導體數(shù)量會極大影響其投資成本。對LCS 而言，其電壓應力相當?shù)停瑹o需串聯(lián)以滿足電壓極限的要求，并聯(lián)個數(shù)取決于最大負載電流。LCS 所需的半導體數(shù)量與主斷部分相比很少，因此混合式直流斷路器的成本主要由主斷部分的器件決定。主斷支路通過的線路最大電流一般大于單個IGBT 的最大關斷電流，需要并聯(lián)以滿足電流切斷能力的要求。同時，主斷支路需要串聯(lián)多個IGBT 以承受瞬時關斷電壓。因此主斷部分所需要的IGBT 總數(shù)由式（1）確定。

式中：ceil表示向上取整；假設MMC 輸出的電壓為額定直流電壓Udc，避雷器的保護水平uARR取仿真算例中的過電壓最大值，即uARR=1.6Udc；IIGBT為IGBT 的額定電流；VIGBT為IGBT 的額定電壓；為主斷部分通過的線路最大電流。主斷部分中二極管的數(shù)量是IGBT的2倍。

某線路所連接的二極管串，其單個橋臂所需的半導體數(shù)量如式（2）所示。

式中：ID和VD分別為一個二極管的額定電流和額定電壓。由于每條線路連接了上、下2個橋臂，所以數(shù)量是單個橋臂的2倍。

3.2 方案對比

從斷路器運行特性的角度進行方案對比。與文獻［12］所述方案相比，在發(fā)生換流器出口短路故障時，其所述方案拓撲只能斷開所有直流出線來處理換流器出口短路，本文所述方案的拓撲中，所有支路的權重一致，發(fā)生故障時的處理方式一致，都只需斷開故障支路。與文獻［13］所述方案相比，其方案拓撲中LCS 是環(huán)狀結構，電流分布不確定。而本文所述方案中，流過LCS 的電流即為線路電流。

從斷路器經濟性的角度進行方案對比。根據(jù)文獻［13］，假設IGBT 的額定值為3.3 kV/2 kA、價格為2 134 美元/個，晶閘管的額定值為4 kV/1.65 kA、價格為593美元/個，二極管的額定值為4.5 kV/1.875 kA、價格為260 美元/個。以避雷器保護水平800 kV、電流切斷能力3 kA 的混合式H橋斷路器2 為例進行計算，考慮50%的器件數(shù)量冗余。本文所述直流斷路器為方案1，文獻［11］為方案2，文獻［9］為方案3。方案2 和方案3 所述斷路器的拓撲結構如圖7 所示。在實際的工程應用中，所有器件的數(shù)量都應留有冗余以提高安全性。本文中，所有方案的功率器件數(shù)量計算公式都已經統(tǒng)一。同時，不同方案都取器件所需最小數(shù)量的2倍以保證安全裕量的統(tǒng)一。根據(jù)表3，可以得到每個方案所需的總成本如表4所示。

表3 方案間的投資對比Table 3 Investment comparison of the schemes 個

表4 方案所需總成本Table 4 The total investment of the schemes

圖7 方案所述斷路器的拓撲結構Fig.7 Topological structures of the hybrid circuit breakers proposed in the schemes

從表4 中可以看出，方案2 和方案3 的投資成本較高，不適用于直流網絡的長期發(fā)展。方案1有明顯的成本優(yōu)勢，適用于多端直流網絡的發(fā)展。在直流線路回數(shù)更多、線路連接較為復雜的網絡中，這種經濟性優(yōu)勢會更加顯著。

為了凸顯所提多端口直流斷路器的功能，將不同方案間的開斷性能進行對比，如表5所示。所有方案均能實現(xiàn)線路故障隔離和重合閘。本方案和方案2 能節(jié)省直流母線，避免直流母線故障。3種方案都可以實現(xiàn)重合閘功能。綜合表4對投資成本的分析，本方案在不需要直流母線的基礎上，實現(xiàn)了完整的功能，具有較好的經濟性。

表5 各方案的開斷性能對比Table 5 Comparison of the breaking performance of the schemes

4 結論

本文提出了一種基于廣義H 橋電路的混合式直流斷路器，通過仿真驗證和對比分析，可以得到如下結論：

1）本文所述主斷路器通過擴展二極管H 橋復用，并且取消了無用的反并聯(lián)二極管。同時，LCS 通過二極管H 橋復用，所需IGBT 數(shù)量減少一半。

2）本文所述方案的故障隔離時序動作邏輯清晰，故障隔離能力強。所有支路的權重一致，發(fā)生故障時的處理方式一致。

3）相比于混合式高壓直流斷路器，本文所述方案的經濟性好，可以最低的成本實現(xiàn)所需的所有功能，具有廣闊的應用前景。