基于直流系统故障保护的三端口直流断路器拓扑研究

陈 超， 刘文君， 俞天毅， 刘 飞， 查晓明

(武汉大学电气工程学院， 湖北 武汉 430072)

1 引言

多端和网状形式正逐渐地被考虑应用于直流系统[1,2]。对于多端直流系统，在故障发生时，应该快速有效地隔离故障部分，使系统的正常部分能够保持稳定的直流电压继续运行[3-5]。

机械断路器(Circuit Breaker，CB)广泛应用于交流系统，其在闭合状态下具有低电阻的特点，并且在关断时可以实现电流隔离的作用[6,7]。然而，它用于直流系统时存在着灭弧困难的问题，因为直流电流没有过零点[8]。为了使其应用于直流系统，必须增加额外的电路来产生电流过零点[6]或者采用其他熄灭直流电弧的方法[9]。固态断路器使用的是电力电子器件，它可以避免直流电弧这一问题[10,11]。然而，电力电子器件在运行时产生的大量损耗使其不适合直接用于多端直流系统[10]。混合断路器由隔离开关和电力电子设备组合而成，它能够快速中断故障电流并隔离故障部分以进行故障保护，同时在正常运行期间保持较低的导通损耗。

为了解决这些问题，提出了多端口断路器。文献[16]提出了一种多端口断路器拓扑，将多个断路器集成于一个，该拓扑可减少IGBT的使用数量，但是对端口的使用有一定限制且无法实现能量的双向流动，并且未给出实验验证。

基于以上考虑，本文提出了一种三端口直流断路器拓扑。通过集成化设计，该拓扑可将电力电子器件的数量减少一半，同时仍然保留终端在一个端口被切断时继续运行的能力。

2 直流断路器

混合直流断路器的一种经典拓扑如图1所示。其中正方形是一个电力电子(Power Electronic，PE)单元，由两个反向串联的IGBT组成，它能够实现双向开断。断路器由上支路、下支路和一个限流电感组成。作为保护装置的RCD缓冲电路和浪涌放电器与两个支路并联，并未在图1中标出。上支路是主传导(Main Conduction，MC)支路，包含一个隔离开关T和负载换向开关LCS。在正常运行时，电流经由MC支路流通。下支路是主分断(Main Breaker，MB)支路，由n个PE单元串联而成。短路电流就在下支路中断，两个支路中串联的电感LCL用于限制过电流。

图1 混合直流断路器拓扑Fig.1 Hybrid circuit breaker topology

当在一个终端检测到故障时，MB支路的PE单元将导通，再将LCS关闭以强制故障电流完全换向到MB支路，然后断开隔离开关T以确保LCS故障部分完全分离，并且在之后的故障中断中不会遭受过电压。在LCS被安全隔离后，MB支路的PE单元同时关闭以中断故障电流。当故障电流衰减到零时，直流母线电压uDC将在MB支路的PE单元中平均分配，使PE单元的IGBT不会处于过压危险。

在如图2所示的多端直流系统中，同一端子通常会有三个或更多个混合断路器。图2虚线框中的电路在图3中详细示出，它可以被视为一个三端口断路器。由图3可知，单独的MB支路具有较多的电力电子组件，在实际应用过程中会出现体积庞大和价格昂贵等问题。为了解决这些问题，本文提出了一种能够将MB支路中的组件数量减少一半的拓扑，第3节将详细介绍其电路结构和工作原理。

图3 同一端的混合断路器Fig.3 Hybrid circuit breakers at one terminal

3 三端口直流断路器拓扑

3.1 拓扑结构

为了将同一端子的三个断路器集成到单个三端口断路器中，首先需将三个MB支路的端子侧与它们各自的MC支路断开，并将它们连接在一起形成单独的端子N0，如图4(a)所示。当端口1发生故障时，CB1能够在CB1和CB2的两个MB支路配合下关断，每个MB支路的PE数量可以减少0.5n，如图4(b)所示。又由于MB支路并有缓冲电容，因此会有电流流过CB3的MB支路，这将导致故障过电压在CB1和CB2的MB支路不均匀地分布。因此，可以在每个MB支路都串联一个隔离开关TS，以确保可以均等分配过电压，如图4(c)所示。通过上述调整，可得到一种三端口断路器，最终的等效电路如图4(d)所示。拓扑改进前后所需元件数量比较见表1。

图4 三端口直流断路器拓扑演变过程Fig.4 Derivation of topology for three-port DC circuit breaker

表1 拓扑改进前后所需元件数量比较Tab.1 Comparison of number of components required before and after topology improvement

从表1可知，改进后的拓扑比改进前的拓扑减少了一半的PE单元，这有助于断路器体积的减小和成本的降低。

3.2 断路器故障中断策略

当端口1发生故障时，等效电路如图5所示。故障电流将从端口2和端口3流向端口1。为了防止故障危及整个系统，必须关断端口1的MC支路，使故障中断。故障中断过程可以分为三个阶段，每个阶段涉及的电压和电流的示意波形如图6所示。

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图5 三端直流断路器端口1发生故障时拓扑Fig.5 Topology of fault inception at port 1 of proposed three-port DC circuit breaker

图6 故障中断期间波形图Fig.6 Schematic waveforms during fault interruption

(1)阶段一(t1

图7 故障中断阶段一拓扑Fig.7 Topology of fault interruption step one

(2)阶段二(t2

iMB1↑+iMC1↓=ip1=ip2+ip3

(1)

式中，iMB1、iMC1分别为MB1、 MC1支路的电流(A)；ip1、ip2、ip3分别为端口1、端口2、端口3的电流(A)。

图8 故障中断阶段二拓扑Fig.8 Topology of fault interruption step two

iMC1的值减小，而iMB1增加，当iMC1达到零时，隔离开关T1断开，将LCS1与电路隔离，避免在电流中断时LCS1两端产生过电压。

(3)阶段三(t3

(2)

式中，uMB12为MB1和MB2串联支路两端的电压(V)；n为PE单元的个数；uPE为单个PE单元的电压(V)；uDC为直流母线电压(V)；λ为端口到短路故障点的长度(m)；L为单位长度的电感值(H/m)；LCL1为端口1的限流电感值(H)；ip1为端口1的电流(A)；t为时间(s)；R为单位长度的电阻值(Ω/m)。

图9 故障中断阶段三拓扑Fig.9 Topology of fault interruption step three

图10 故障中断阶段三等效电路Fig.10 Equivalent circuit for step three: current interruption

每个MB支路都并联了RCD缓冲器和避雷器，可以吸收部分短路电流和限制过电压。当阶段三完成(iMC1=ip1=0)时，故障电流将衰减到零，故障端口则从系统隔离出去。直流母线电压将在两个MB支路平均分配。

4 仿真验证

本文所提出的三端口直流断路器可用于中低压直流系统。端口1和端口2分别接50Ω电阻，作为负载端，端口3接100kV直流电源，作为电源端。端口1在t=0.3995s时刻发生短路故障，在t=0.4s时，MB1和MB2支路导通，LCS1在0.01ms后关断。故障电流从MC1支路换流至MB1和MB2支路，同时又有电流从MC2和MC3支路流过。在电流换向之后，故障电流会在MB1和MB2支路被中断。仿真参数见表2。

表2 仿真参数Tab.2 Simulation parameters

各支路的电流波形如图11和图12所示。MC1支路在短路故障发生后被迅速切断，因此，电流的峰值较小。故障电流从MC1支路换流至MB1和MB2支路，因此，MB1和MB2支路的故障电流先增大后被关断为零。

图11 iMC1、iMC2和iMC3波形Fig.11 Waveforms of iMC1, iMC2 and iMC3

图12 iMB1和iMB2波形Fig.12 Waveforms of iMB1 and iMB2

MB1和MB2支路的电压波形如图13所示。在故障中断的过程中，MB1和MB2支路分别出现了80kV的过电压，之后便震荡下降，直至稳定在50kV，即两条MB支路对电源电压进行分压。

图13 uMB1和uMB2波形Fig.13 Waveforms of uMB1 and uMB2

ip1、ip2和ip3波形如图14所示。从图14可以看出，在故障中断之后，端口1处的电流衰减到零；端口2的电流有一定的波动，但未受较大的影响，在短路故障发生和结束时都可正常工作；端口3作为电源端，输出的电流是端口1与端口2电源的总和，当端口1被切除后，其输出的电流与端口2的电流相同。

图14 ip1、ip2和ip3波形Fig.14 Waveforms of ip1, ip2 and ip3

5 实验结果

本实验中每一条MB支路分别有2个用于关断短路电流的IGBT。当故障发生，两条MB支路导通后，会有4个IGBT同时用于中断短路电流。端口3作为供电端，与200V直流源相连，端口1和端口2作为负载端，分别与30Ω的电阻相连，端口1是发生短路故障的端口。实验参数见表3。

表3 实验参数

图15为MC1支路的电流和电压波形。当端口1发生短路故障后，短路电流迅速上升，在0.2ms后，短路电流被换流至MB1和MB2支路，MC1支路被关断。因此，短路电流在MC1支路中产生较小。

图15 uMC1和iMC1波形Fig.15 Waveforms of uMC1 and iMC1

图16和图17为MB支路的电流波形和PE单元的电压波形。可以看出，短路电流被换流至MB支路后继续增大，0.2ms后被中断为零；短路故障中断后，单个PE单元的分压为50V，两个PE单元的分压为100V，这与理论相符。

图16 iMB和uPE波形Fig.16 Waveforms of iMB and uPE

图17 iMB和u2PE波形Fig.17 Waveforms of iMB and u2PE

图18～图20为三个端口的电流波形和整个MB支路的电压波形。端口1发生短路故障后，短路电流被中断，端口电流震荡后变为零；端口2未发生故障，端口电流在故障中断过程的1ms内有些许波动，之后保持稳定；端口3在故障中断时电流震荡，之后稳定输出电流，其电流值与端口2的电流值相等。

图18 ip1和uMB波形Fig.18 Waveforms of ip1 and uMB

图19 ip2和uMB波形Fig.19 Waveforms of ip2 and uMB

图20 ip3和uMB波形Fig.20 Waveforms of ip3 and uMB

6 结论

本文提出了一种可应用于多端直流系统的三端口直流断路器的拓扑结构。该拓扑通过在一个端子处集成混合电路断路器，能够将电力电子器件的使用数量减少一半，大大减小了断路器的尺寸和成本。通过仿真和实验验证了该拓扑与故障中断策略的有效性。在后面的工作中，将重点研究n端断路器的拓扑演变规律，提出多端故障情况下的故障中断控制策略。

参考文献(References)：

[1] Beerten J, D’Arco S, Suul J A. Identification and small-signal analysis of interaction modes in VSC MTDC systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(2): 888-897.

[2] 吴俊勇，裴丛仙子，边国潮(Wu Junyong, Pei Congxianzi, Bian Guochao).光伏并网配电网中柔性环网开关的优化运行控制策略研究(Study on control strategy for optimum operation of soft normally-open points (SNOPs) in distribution network with PV generation)[J].电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2017，36(9):20-28.

[3] Li R, Xu L, Yao L. DC fault detection and location in meshed multiterminal HVDC systems based on DC reactor voltage change rate[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2017, 32(3): 1516-1526.

[4] 牛耕，孔力，周龙，等(Niu Geng, Kong Li, Zhou Long, et al.).含分布式电源的配电网的供电恢复技术研究综述(Review of power service restoration of distribution network with distributed generation)[J].电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2017，36(9): 51-62.

[5] 杨丽君, 魏玲玲, 卢志刚，等(Yang Lijun, Wei Lingling, Lu Zhigang, et al.).考虑可中断负荷的配电网分区动态故障恢复(Fault partition dynamic recovery strategy for distribution network considering interruptible loads)[J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2016, 35(8): 73-80.

[6] Shukla A, Demetriades G D. A survey on hybrid circuit-breaker topologies[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, 30(2): 627-641.

[7] 罗永捷，李耀华，李子欣，等(Luo Yongjie, Li Yaohua, Li Zixin, et al.).多端柔性直流输电系统直流故障保护策略(DC short-circuit fault protection strategy of multi-terminal HVDC systems)[J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2015, 34(12): 1-6.

[8] Liu W, Yang H, Liu F, et al. An improved RCD snubber for solid-state circuit breaker protection against bus fault in low-voltage DC microgrid[A]. 2015 IEEE 2nd International Future Energy Electronics Conference (IFEEC) [C]. 2015. 1-5.

[9] Bachmann B, Mauthe G, Ruoss E, et al. Development of a 500kV airblast HVDC circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1985, PAS-104 (9): 2460-2466.

[10] Li R, Wang Z X, Holliday D, et al. DC circuit breaker requirements in multi-terminal HVDC systems[A]. 8th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives [C]. 2016. 1-6.

[11] Tahata K, Uda R, Kuroda K, et al. Mitigation on requirement of DCCB by DC reactor for multi-terminal HVDC operation[A]. 12th IET International Conference on AC and DC Power Transmission[C]. 2016. 1-6.

[12] Hassanpoor A, Häfner J, Jacobson B. Technical assessment of load commutation switch in hybrid HVDC breaker[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(10):5393-5400.

[13] Zheng S, Wang Y, Wu X, et al. The voltage sharing of commercial IGBTs in series with passive components[A]. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition[C]. 2011. 3008-3012.

[14] Monadi M, Koch-Ciobotaru C, Luna A, et al. A protection strategy for fault detection and location for multi-terminal MVDC distribution systems with renewable energy systems[A]. International Conference on Renewable Energy Research and Application[C]. 2014. 496-501.

[15] 杜少飞, 谢文超, 朱永强，等(Du Shaofei, Xie Wenchao, Zhu Yongqiang, et al.).并网型直流微电网主动协调控制方法研究(Research on active coordination control method for grid-connected DC microgrid)[J]. 电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy), 2017, 36(6): 30-38.

[16] Mokhberdoran A, Van Hertem D, Silva N, et al. Multiport hybrid HVDC circuit breaker[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(1): 309-320.