一种H桥型高压直流断路器的拓扑结构和故障隔离策略研究

许 烽， 江道灼， 虞海泓， 陆 翌， 裘 鹏， 陈 骞， 黄晓明

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

一种H桥型高压直流断路器的拓扑结构和故障隔离策略研究

许 烽1，2， 江道灼2， 虞海泓1， 陆 翌1， 裘 鹏1， 陈 骞1， 黄晓明1

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

为降低混合式高压直流断路器的昂贵造价，提出了一种H桥型高压直流断路器，并对其联接于直流正负极时不同的故障隔离控制策略分别进行了研究。H桥型高压直流断路器沿用了混合式高压直流断路器的关键部件和断流理念，利用H桥结构特有的电流流向特性，对混合式直流断路器内的关键部件进行了整合，通过重新布局使得直流断路器内的IGBT个数大幅减少。在保证同等直流故障处理能力的前提下，相比于混合式高压直流断路器，H桥型高压直流断路器的投资成本大幅降低。为验证H桥型高压直流断路器及其故障隔离策略的有效性，在PSCAD/EMTDC内建立了一个三端单极直流网络模型。仿真结果验证了H桥型高压直流断路器在隔离直流线路故障方面的可行性和有效性。

H桥型高压直流断路器；故障隔离；电流开断能力；经济性；直流电网

0 引言

基于电压源型换流器的直流电网技术为新能源并网与消纳问题提供了一种有效的解决方案，已成为当前研究热点[1-4]。相比于交流电网，直流电网系统阻尼较低，因此故障发展速度更快，控保难度更大。为快速隔离直流故障，保障直流电网相关设备安全稳定运行，且尽可能减少故障对交直流系统运行的影响，需要采用高压直流断路器技术[5-6]。

目前，高压直流断路器主要集中于3种类型，分别是基于常规开关的传统机械式直流断路器、基于纯电力电子器件的固态直流断路器和基于二者结合的混合式直流断路器[7-10]。传统机械式直流断路器通态损耗低，但受到振荡所需时间和常规机械开关分断速度的影响，难以满足直流系统快速分断故障电流的要求；固态直流断路器需要使用较多器件串联，使其通态损耗大、成本高。因此，就目前研发现状而言，基于常规机械开关和电力电子器件的混合式直流断路器最具有大规模商业化应用前景，为各方研究的重点[11-14]。

2012年，ABB宣布开发出世界上首台混合式高压直流断路器，开断时间5 ms，额定电压320 kV，电流切断能力9 kA[15]。2014年，ALSTOM完成混合式高压直流断路器原型产品测试工作，开断时间5.5 ms，额定电压120 kV，电流切断能力5.2 kA。2015年，国网智能电网研究院研制的混合式高压直流断路器，额定电压为200 kV，切断电流能力超过15 kA，开断时间为3 ms。近些年来，虽然高压直流断路器的研究和制造有了较为长足的进步，但是造价较为昂贵，经济性差。这一方面阻碍了直流断路器的工程化应用，另一方面延缓了直流电网的进一步发展。因此，如何在保证直流断路器性能的前提下降低其制造成本是一个重要课题。

针对上述问题，在借鉴混合式直流断路器设计理念的基础上，通过改变直流电流的流通路径，提出了一种H桥型高压直流断路器。以下将从拓扑结构、控制策略以及与传统混合式直流断路器的对比3个方面，对H桥型高压直流断路器的相关特性进行阐述。

1 混合式高压直流断路器

图1给出了混合式高压直流断路器的拓扑结构，由通流支路和断流支路并联构成[15]。其中，通流支路由超快速机械开关和通流开关串联构成；断流支路由多个断流单元串联而成，每个断流单元均包括若干正、反向串联的IGBT（全控制电力电子器件）及反并联二极管，并配备独立的避雷器。由于线路电流具有双向流通特性，因此，无论是通流开关还是断流开关，都考虑了双向断流能力。

图1 混合式高压直流断路器结构

正常运行情况下，通流支路内的超快速机械开关和通流开关处于导通状态，断流开关处于关断状态，直流电流从通流支路流过。直流侧发生接地故障后，流过通流支路的故障电流迅速增大。当故障电流超过预设值之后，断流开关迅速导通，同时，通流开关立即关断，故障电流将由通流支路转移至断流支路。当流经通流支路的电流下降至0时，超快速机械开关断开。待超快速机械开关断开动作完成，对断流开关施加关断信号，直流网络剩余部分的能量将通过避雷器泄放。至此，实现直流故障隔离。

上述过程表明，通流支路断开后，由超快速机械开关承受系统级的直流电压，通流开关承压较小，因此，通流开关内串联的IGBT个数较少。断流开关断开后需要承受系统级的直流电压，因此必须串联较多的IGBT以承受高电压。鉴于目前IGBT价格昂贵，混合式高压直流断路器的造价主要取决于断流开关，且直流电压越高，这种影响越明显。

2 H桥型高压直流断路器

2.1 拓扑结构

图2给出了H桥型高压直流断路器的拓扑结构，包括1个断流支路，2个上通流支路和2个下通流支路，每个通流支路内包含1个超快速机械开关和1个通流开关。一对上、下通流支路之间的端口与外部换流器或直流线路连接。与图1所示的混合式直流断路器内的通流开关和断流开关不同的是，H桥型直流断路器内的IGBT都仅需要单方向串联即可，无需正反向连接，因此，断流开关内IGBT使用个数可减半，这也正是直流断路器费用降低的原因所在。

2.2 控制策略

安装于正极的H桥型直流断路器与安装于负极的H桥型直流断路器在控制策略上略有不同，需分别阐述。联接于正极的H桥型直流断路器的控制时序如下：

（1）正常运行情况下，2个上通流支路内的超快速机械开关处于闭合状态，通流开关处于开通状态；2个下通流支路内的超快速机械开关处于闭合状态，通流开关处于关断状态；断流开关处于关断状态，直流电流从上通流支路流过，如图3（a）所示。

（2）直流接地故障发生后，流过上通流支路的故障电流快速增大。当故障电流超过设定值，断流开关内的IGBT迅速触发开通，同时开通与故障位置相近端的下通流开关（假设故障已准确定位），待断流开关和下通流开关真实开通后，关断与之相对应的上通流开关，如图3（b）所示。此时，故障电流将从与故障相近端的上通流支路转移至断流支路和相应的下通流支路。

（3）待流过上通流支路的电流减小至零值附近时，断开该上通流支路内的超快速机械开关，并同时跳开另一端下通流支路的超快速机械开关，如图3（c）所示。

（4）待上述超快速机械开关断开动作完成后，对断流开关施加关断信号，网络剩余部分的能量将通过避雷器泄放，如图3（d）所示。至此，故障隔离已完成，电网剩余健全部分可继续正常运行。待流过故障点的电流减小至零值附近后，向与其相连端的下通流支路内的通流开关和超快速机械开关施加关断信号，即可实现故障点的物理隔离。

整个故障隔离过程的简化流程如图4所示。当H桥型直流断路器联接于直流电网负极时，由于电压特性不同，故障电流流向将与联接于正极时的相反。以图3（b）为例，在联结于负极的情况下，若采用与图4相同的控制时序，当与故障相近端的上通流开关关断后，故障电流仍将通过二极管流通，导致电流不能切断，超快速机械开关不能正常打开。因此，对于联接于负极情况，需要调整各开关的控制时序，以实现故障电流在H桥内流向的转变。

图4 H桥型直流断路器联接于正极时的控制时序

H桥型直流断路器联接于负极时，正常运行情况下，2个上通流支路内的超快速机械开关处于闭合状态，通流开关处于关断状态；2个下通流支路内的超快速机械开关处于闭合状态，通流开关处于开通状态；断流开关处于关断状态，直流电流从下通流支路流过。当故障发生后，故障隔离过程的简化流程如图5所示。虽然开关的动作时序有所变动，但是，每一步变动的特征和意义与联接于正极的相同，在此不再赘述。

3 与混合式直流断路器对比分析

3.1 电流开断能力

从图4和图5可以看出，H桥型直流断路器隔离故障所需时间主要在于故障定位，操作通流开关和断流开关，打开超快速机械开关和关断断流开关，混合式直流断路器同样需要上述动作时序。与混合式直流断路器相比，H桥型直流断路器需要动作的开关量相对较多，但是，H桥型断路器在进行通流开关和超快速机械开关动作时，一般都是多个开关同时动作，因此，考虑到H桥型断路器和混合式断路器在动作原理和流程上的相似性，两者具有十分相近的开断时间。

由图3（b）可知，在上通流支路断开以将故障电流全部转移至断流开关的过程中，上通流开关两端电压被导通的断流开关钳制，因此，通流开关断开后，所承受的电压很低，与混合式直流断路器内的通流开关相同。从图3（c）可以看出，在断流开关关断前一刻，其电流特性与混合式直流开关内的断流开关相同。因此，只要H桥型直流断路器内设备的承压、通流和断流能力采用与混合式直流断路器相一致的参数，H桥型直流断路器具有与混合式直流断路器相同的电流开断能力。

3.2 经济性

从上述分析可知，H桥型直流断路器的设备要求与混合式直流断路器相一致。H桥型所特有的电路特性，决定了其通流开关和断流开关内的IGBT仅需要单相串联即可。假设某一混合式直流断路器通流开关使用的IGBT个数为m，断流开关使用的IGBT个数为n，则具有相同开流能力和冗余度的H桥型直流断路器内，4个通流开关使用IGBT总个数为2m，断流开关使用的IGBT个数为n/2。另外，H桥型直流断路器内的超快速机械开关个数为4，是混合式的4倍。

当前，IGBT造价昂贵，断流开关成本占混合式直流断路器总成本的绝大部分。虽然H桥型直流断路器使用的超快速机械开关个数相比于混合式要额外增加3个，但断流开关IGBT使用个数减半所降低的成本要远大于机械开关增加的成本，因此，H桥型直流断路器的制造成本可大幅降低。

图5 H桥型直流断路器联接于负极时的控制时序

4 仿真结果及分析

4.1 仿真系统

为有效验证H桥型高压直流断路器对直流故障隔离的可行性，在PSCAD/EMTDC仿真软件内搭建了如图6（a）所示的三端单极柔直测试系统。每个站的额定容量均为400 MVA，换流站1和3采用定有功功率和定无功功率控制，稳态运行情况下分别向直流网络输送250 MW及150 MW的功率；换流站2采用定直流电压和定无功功率控制，控制直流电网电压稳定在400 kV。直流线路12、直流线路13和直流线路23的长度分别为100 km，80 km和50 km，平波电抗器设置为100 mH。每个桥臂包含50个半桥子模块，子模块电容为4 000 μF，子模块额定电压为8 kV，桥臂电感为29.3 mH。设定H桥型直流断路器的避雷器保护水平为500 kV。

图6 含H桥型直流断路器的三端网状直流系统

4.2 正极线路接地故障

t=1.0 s时刻，直流线路13的中间段发生接地故障，如图6（a）所示，接地电阻为1 Ω。图6（b）给出了电压电流正方向示意图，其中，Ut11，Ut12，Ut21，Ut22为上、 下通流开关两端承受电压，It11，It12，It21，It22为上、 下通流支路流过的电流，Is为流过断流开关的电流，Ia为流过断流支路避雷器的电流，Ub为断流支路所承受的电压。

图7给出了介于直流母线1和直流线路13之间的H桥型直流断路器电压电流响应波形。其中，图7（a）给出了上、下通流支路电流，图7（b）给出了流过断流开关和避雷器的故障电流，图7（c）给出了通流开关的承压，图7（d）给出了断流开关的承压。正常运行情况下，2个上通流开关开通，4个超快速机械开关闭合，2个下通流开关关断，断流开关关断。

从图7可以看出，当t=1.0 s故障发生后，直流电流迅速增大。假设从故障发生到故障完成定位的时间为1 ms，那么，在t=1.001 s时刻，向通流支路2的下通流开关和断流开关施加开通信号，延时100 μs后，即t=1.001 1 s向通流支路2的上通流开关施加关断信号。从图7可以看出，在上述指令发出后，It22和 Is迅速增大，相应地，It21迅速跌落至0，实现了故障电流向通流支路2上的顺利转移。待It21变化至0后，对上通流支路2和下通流支路1内的2个超快速机械开关施加开断信号，2 ms后，2个机械开关完成开断动作。再经过200 μs左右即t=1.003 3 s，向断流开关施加关断信号。从图7可以看出断流开关关断后，Is迅速降低至0，Ia迅速增大，实现了电流转移。与此同时，断流开关（避雷器）两端的电压迅速增大引发避雷器动作，吸收剩余能量，支路电流出现下降拐点。流过避雷器的电流能够在较短时间内减小至0，系统电压在经过一定幅度的波动后，趋向于400 kV。而后，断开下通流支路2内的超快速机械开关和下通流开关，则完成了故障线路的物理隔离。从图7（c）可以看出，在整个断路器隔离故障过程中，4个通流开关所承受的电压较小，与混合式断路器内的通流开关相似，所需使用的IGBT个数少，造价低。

图7 电压电流响应曲线

图8 系统电压电流响应曲线

为更加清楚地观察到直流断路器动作前后系统潮流及电压的变化情况，将仿真时间轴延长，同时对过流波形作截顶显示处理。图8给出了直流电流和直流电压的响应曲线。其中，Id1，Id2，Id3分别为换流站 1，2，3直流出口电流；Id32，Id12和Id31为直流线路23，直流线路12和直流线路13上流过的电流。

从图中可以看出，直流电压和直流电流在经历过几十毫秒的剧烈振荡后，能够快速恢复至稳定运行状态。故障隔离前后，换流站馈入和馈出的直流电流维持不变，由于直流线路13已处于隔离状态，换流站1和换流站3将分别仅通过直流线路12和直流线路23向换流站2输送功率，因此，直流网络潮流发生改变。

4.3 负极线路接地故障

为验证H桥型直流断路器连接于负极时，隔离故障线路控制时序的有效性，将图6（a）正极接地，负极沿用原正极配置结构。仍以t=1.0 s直流线路13中间段发生接地故障为例，介于直流母线1和直流线路13之间的H桥型直流断路器电压电流响应波形如图9所示，电压电流正方向标识仍沿用图6（b）。

图9 电压电流响应曲线

图9 （a）—9（d）所展示波形的含义与图7（a）—7（d）相同。经对比发现：图7（a）中，故障后流过2个上通流支路的电流 It11和 It21快速增大，待通流支路2的上通流支路关断，下通流支路导通后，It21转移至It22，而后It11与It22始终维持相同；图 9（a）中，故障后流过2个下通流支路的电流It12和It22快速增大，待通流支路2上的下通流支路关断上通流支路导通后，It22转移至 It21，而后 It12和It21始终维持相同。可见，除通流支路的动作对象变化外，直流断路器的响应特性与联接于正极情况十分相似，验证了故障隔离控制时序的正确性。

5 结论

以上提出了一种H桥型高压直流断路器，通过分析和仿真，可以得到如下结论：

（1）H桥型高压直流断路器能够有效实现直流故障隔离，确保直流剩余健全系统的正常运行。

（2）相比于混合式高压直流断路器，H桥型高压直流断路器造价低，更具推广前景。

（3）H桥型高压直流断路器故障隔离时序的动作逻辑原理与混合式高压直流断路器相似，故障隔离能力与混合式直流断路器相当。

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（本文编辑：方明霞）

Study on Topology Structure and Fault Isolation Strategy of H-bridge Type HVDC Breaker

XU Feng1，2，JIANG Daozhuo2，YU Haihong1，LU Yi1，QIU Peng1，CHEN Qian1，HUANG Xiaoming1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

In order to reduce the great cost of the hybrid HVDC breaker，a H-bridge type HVDC breaker is proposed in this paper，and different fault isolation strategies are studied in the case of the positive and negative poles connection.The key components and fault isolation principle of the hybrid breaker are used in the H-bridge type breaker.According to the characteristic of current flow direction of the H-bridge structure，the key components of hybrid HVDC breaker are integrated，and the number of IGBT in the HVDC breaker is greatly reduced by re-layout.The fault clearing capability of the H-bridge type HVDC breaker is equal to the hybrid breaker，but its investment cost is reduced dramatically.A model of a three-terminal monopolar HVDC network is developed in PSCAD/EMTDC to verify the validity of the proposed breaker and its fault isolation strategies.Simulation results prove validity and feasibility of the proposed solution.

H-bridge type HVDC breaker；fault isolation；current interrupting capacity；economy；DC network

TM561

A

1007-1881（2016）12-0005-06

2016-10-17

许 烽（1988），男，博士，主要研究方向为高压直流输电和柔性直流输电及大功率电力电子技术。