混合式高压直流断路器的控制策略与实验研究

杜翼，江道灼，陈可，王玉芬，尹瑞，张弛

(浙江大学电气工程学院，杭州市310027)

0 引言

随着近几年电力电子技术的提高，基于电压源型换流器的高压直流输电技术得到快速发展，使得多端直流输电网络在工程中得到应用。与高压交流输电相比，高压直流输电的有功损耗相对较低，而无功损耗为零［1－3］。然而，高压直流输电系统中的阻抗相对较小，发生短路故障时，短路电流会迅速上升。因此，需要快速、可靠的直流断路器来隔离故障，为了在换流过程中尽量减少干扰，应该在几 ms内清除故障［4－6］。

现有的高压直流断路器(机械型)能够在几十ms内断开电路，但对于高压直流输电系统，现有的高压直流断路器远不能达到要求。此外，机械型高压直流断路器需要添加无功元件来制造电流过零点。现有的断路器主要有:金属回路转换断路器、中母线断路器、中母线接地断路器、大地回路转换断路器。这些断路器和混合型高压直流断路器的差异主要在2个方面:(1)这些传统的断路器的动作速度远远慢于混合式高压直流断路器，且电流是被转移而不是开断;(2)这些传统的断路器只适用于电压等级相对较低的输电系统［7－9］。

虽然近几年直流断路器技术已经有了长足的进步，但国内外大多数的研究还基本处于样机制作和验证阶段，容量较小且集中在一些特殊的领域，无法投入工程应用［10－11］。由于直流系统不存在电流过零点，因而直流电弧的熄灭比交流电弧困难得多。固态断路器应用绝缘型双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、集成门极换流晶闸管(insulated gate commutated thyristors，IGCT)等全控电力电子器件串(并)联构成固态开关回路，以实现直流电路的通断，然而大量的全控型器件串并联会产生较大的损耗［12－13］。本文采用一种混合式高压直流断路器的拓扑结构，能够适用于相对较高的电压等级，同时能够在几ms内开断短路电流，很好地满足高压直流输电系统的需求;同时提出了一种故障预处理的控制策略，在故障发生时提前进行换流，从而缩短故障发生后线路开断的时间。最后利用PSCAD进行建模仿真，同时制作单元样机进行降压实验，进一步说明提出的混合型高压直流断路器拓扑结构的有效性和可靠性。

1 限流式混合直流断路器的拓扑结构与工作原理

1.1 拓扑结构

基于电力电子复合开关的限流式直流断路器，其拓扑结构如图1所示。机械开关S采用高速斥力开关，该装置动作时间短，可以显著缩短直流断路器的开断时间;电力电子复合开关由IGBT阀组T1与晶闸管阀组T2串联构成，由于晶闸管的容量较大，静态电阻也较大，其均压(均流)技术亦较为成熟，因此该复合开关可以有效降低电力电子器件的串(并)联数量及均压(均流)难度;限流电路由限流电感L、晶闸管DL、DL'及能量释放电阻RL构成，故障发生时，L用于限制短路电流上升率，故障切除后，L中储存的能量经DL、DL'及RL释放，并限制L的感应过电压;续流二极管D用于释放电源出口与短路点间的线路阻抗中储存的能量，故障切除后，线路阻抗经续流二极管与短路点续流，其感应过电压不会对其他设备产生影响。

图1 基于电力电子复合开关的限流式直流断路器拓扑结构Fig.1 Topology of DC hybrid circuit breaker with current limiting based on combinatorial electronic power switch

1.2 混合式高压直流断路器分闸特性

在线路正常运行时，固态开关部分关断，而电路都流经机械开关。断路器关断时，此处换流方式以自然换流方式为例进行说明。在关断时由于固态开关部分与机械开关部分相结合，能实现混合式开关的软关断和快速分闸，限制机械触头燃弧，提高主触头分闸速度。

直流线路正常供电时，断路器两端电压US为0，机械开关电流iS为电路正常电流，固态开关电流iT为0。在t1时刻混合式直流断路器开始正常分闸动作，驱动控制电路同时向固态开关部分发出导通动作信号，向机械开关部分发出分闸信号。由于机械开关动作时间相对固态开关部分慢得多，因此固态开关部分首先动作准备开始导通，但是由于此时机械开关部分仍然保持闭合状态，机械开关两端电压US很小，一般达不到固态开关的导通电压，因此固态开关部分仍然保持关断。

直到t2时刻机械开关开始脱扣燃弧，电弧电压开始上升，当t3时刻电弧电压达到固态开关部分的导通电压时，固态开关导通，此时由于固态开关通态电阻比电弧电阻小，电流开始实现换流，机械开关部分电流下降，固态开关部分电流上升。到t4时刻电流完全转移至固态开关部分，完成了电流的转换过程，机械开关电流iS下降至0，而固态开关电流iT为此时线路电流。之后固态开关需要持续导通一段时间保证机械开关完全动作以及绝缘恢复，直到t5时刻电弧完全熄灭，机械开关完成完全分闸，此时对固态开关发出关断信号，固态开关关断，多余储能由缓冲、吸收及放电回路释放，混合式断路器实现分闸作用。整个正常分闸过程如图2所示。

图2 混合式直流断路器正常状态下分闸波形图Fig.2 Waveform of hybrid mechanical-static DC circuit breaker when it is switching off normally

1.3 断路器切除短路故障时的分闸特性

当发生短路故障时，混合式断路器的切断短路电流分闸过程与正常的分闸过程基本一致，当检测电路检测到短路故障时，由驱动控制电路向固态开关部分发出导通动作信号，并向机械开关部分发出分闸信号进行短路故障切除。只是由于短路发生，动作过程中电流持续增大，且动作过程中短路电流较正常切断的运行电流而言大很多。其动作过程与换流特性可参见前文的阐述。

2 限流式混合直流断路器的故障预处理控制策略

传统的直流断路器沿用了交流系统的故障处理方法，即通过接收上层控制系统的控制信号，或通过判断线路瞬时电流值是否越限，来控制线路的通断。而混合直流断路器由于同时采用了机械开关与固态开关，且开断时需经过换流过程，这为一种故障预处理控制策略的实现提供了可能，其流程图如图3所示。

图3 直流断路器故障预处理控制策略示意图Fig.3 Schematic diagram of fault pretreatment control strategy of DC circuit breaker

(1)当直流系统电流瞬时值不超出阈值，且线路电流变化率不超出设定值时，判定为故障未发生，因此直流断路器不预先进行换流过程。若此时上层控制系统发出关断信号，则直流断路器在收到信号后开始关断流程。

(2)当直流系统电流瞬时值超出阈值，但线路电流变化率始终未超出设定值时，判定为故障发生。在此情况下，直流断路器无法预先进行换流过程，只能在判定电流越限后开始关断流程。

(3)当线路电流变化率超出设定值，直流系统电流瞬时值尚未超出阈值时，判定为故障即将发生，开始进行“预关断”过程，即发出机械开关关断信号与复合开关导通信号，将线路电流换流至复合开关回路，并开始计时。继续检测线路电流瞬时值，若在设定时间内电流值超出阈值，或接收到上层控制系统的关断信号，则判定为故障发生，直接向复合开关发出关断信号，继续完成断路器关断流程;若在设定时间内电流值始终未超出阈值，或未接收到上层控制系统的关断信号，则发出机械开关导通信号，在机械开关闭合后断开复合开关回路，重新将线路电流换流至机械开关回路，直流断路器恢复正常运行。

相比传统的故障处理方法，本文提出的故障预处理控制策略可以在电流越限前进行换流，从而缩短故障发生后线路开断的时间。若提前换流后故障没有发生，则在设定时间内，虽然直流断路器的损耗有所增大(由机械开关的导通损耗增大至复合开关的导通损耗)，但并不会对线路的正常运行产生影响。

根据上述分析，当情况(2)发生时，直流断路器无法预先进行换流过程，这种情况可以通过减小线路电流变化率的设定值来避免。当直流线路的等效负载电阻R突然减小时，线路可用以下微分方程表示:

式中:i为直流电流瞬时值;L为本文提出的限流式混合直流断路器的限流电路电感(忽略线路阻抗)。解之得:

由式(2)可知，当R突然减小时，直流电流由额定值I逐渐上升至Udc/R。在该过程中，直流电流变化率不断减小至0，其最大值为

由式(2)～(3)可知，在L确定的情况下，R越小，直流电流的变化率及其终值越大。设定直流电流允许阈值为1.25I，则 R的允许值为0.8Udc/I。将其代入式(3)得:

将式(4)作为线路电流变化率的设定值，当检测到电流变化率大于该值时，可证明线路电流终值将大于1.25I，因此需进行“预关断”过程;当电流变化率小于该值时，则不进行“预关断”过程。

根据以上分析，故障预处理控制策略可缩短的线路开断时间为直流电流开始上升至超出电流阈值所经历的时间。当直流系统发生严重接地故障，且接地故障电阻为0时，可算得:

式中Δt为故障预处理控制策略可缩短的线路开断时间。当接地故障电阻不为0时，可算得:

3 建模仿真

3.1 机械开关的建模仿真

机械开关在开断短路电流的过程中会产生电弧，为了真实地模拟机械开关的特性，仿真模型中机械开关利用电弧模型进行模拟。Cassie电弧模型比较适合低电阻电弧以及大电流燃弧期间的电弧建模，在交流电弧理论中主要用于电流过零点前的电弧描述。而针对直流系统，由于不存在电流过零点，采用此模型较其他模型可以相对准确地反映直流电路中电弧的外部特性，对于不存在震荡换流回路的直流断路器的研制具有较为重要的理论意义。

电弧模型表示为如下方程:

式中:τ为模型中的电弧时间常数;g表示电弧电导;u和 uc则分别代表电弧电压与电弧电压常量［14－17］。

Cassie电弧模型表达了电弧电压、电弧电导、时间常数、电弧电压常数之间的关系，将电弧时间常数与电弧电压常量视为常值处理。利用PSCAD建立电弧仿真模型如图4所示，开断过程电弧电阻变化如图5所示。

图4 电弧仿真模型Fig.4 Arc simulation model

3.2 断路器的建模与仿真

利用PSCAD仿真软件对所提出的限流式直流断路器进行建模仿真。仿真参数如下:直流电源40kV;机械开关S为高速开关，电弧模型采用Cassie电弧模型如3.1节所述;固态开关开通时间10 μs，关断时间400 μs(即SCR阀组T2的导通时间和零电流下正向阻断能力恢复时间);缓冲电路 CT=100 μF、RT=50 Ω;限流电路 L=20 mH、RL=2 Ω;负载电阻 R=20 Ω，忽略线路阻抗。假设在t=0.5 s时发生短路故障，仿真结果如图6所示。

图5 开断电弧电阻变化Fig.5 Arc resistance change during circuit current interrupting

图6 直流断路器仿真波形图Fig.6 Simulation waveforms of DC circuit breaker

如上所述0.5 s时线路负载发生接地短路故障，由于采用故障预处理控制策略，故障判断时间几乎可以忽略。机械开关S在0.3 ms时基本完成换流，即电力电子复合开关于0.500 3 s导通。0.503 s，机械开关S完成零电压下的分闸过程，此时向电力电子复合开关发出关断信号。IGBT阀组迅速断开，约400 μs后晶闸管阀组T2亦恢复正向阻断能力，电力电子复合开关完全关断，短路故障被切除。

4 实验

为了验证本文所述的高压直流断路器的有效性和合理性，进行了降压实验，制作了一个电压等级为50 V的混合式直流断路器的单元样机。实验电路的拓扑结构如图1所示，电路器件参数如下:缓冲电路CT=47 μF、RT=50 Ω;限流电路 L=50 mH、RL=2 Ω;负载电阻R=50 Ω。由于不存在低压实验的高速斥力开关，为达到快速开断的要求，采用固态开关进行模拟。

为了验证上文所述的直流断路器分闸过程的相关特性，利用单元样机，进行了短路实验。换流过程的实验波形图如图7所示。t1时刻之前装置工作在正常状态，t1时刻发生短路故障;t2时刻模拟高速斥力开关断开，IGBT阀组和晶闸管阀组闭合;t3时刻IGBT阀组和晶闸管阀组断开;t3之后的时间段为能量释放阶段。

图7 直流断路器实验波形图Fig.7 Testing waveforms of DC circuit breaker

图8 为IGBT阀组和晶闸管阀组开关过程的实验波形图。在t1时刻，IGBT阀组先断开，t2时刻晶闸管阀组断开。从实验波形图可以看出，在t1到t2时间内，IGBT阀组需要短时承受一个电压，与理论分析相同，由于缓冲电容的存在，短时电压值在能够接受范围。在晶闸管阀组关断之后，即t2时间以后，相较于IGBT阀组，晶闸管阀组的静态电阻更大，从图8中可以看出静态时，IGBT阀组承受的电压远小于晶闸管阀组静态分压。

图8 IGBT与晶闸管断开过程波形图Fig.8 Waveforms of IGBT and thyristor interrupting process

5 结语

本文详细地叙述了混合式高压直流断路器的工作原理。提出了一种故障预处理控制策略;利用PSCAD对Cassie电弧模型和整个混合式直流断路器进行建模仿真，同时制作了单元样机，进行了降压实验;仿真和实验结果表明:在系统发生短路情况下，混合式直流断路器能够快速地开断短路电流，还可以在直流线路分断后为直流线路及负载中储存的能量提供释放回路，同时利用晶闸管阀组与IGBT阀组串并联，有效地节省了 IGBT的数量，具有较大的经济效益。

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