一种配网级联式固态直流断路器的拓扑设计

丁璨，聂太平，田小健，袁召

(1. 三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2. 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)，武汉 430074)

0 引言

近年来，随着光伏发电、风力发电等可再生能源发电和储能装置的接入以及各类电力电子换流器的发展，直流配电网相对于传统交流配电网的优势越来越明显[1 - 5]。由于直流电网的阻抗小，当发生短路接地故障时，会出现过高的瞬时电流，而且直流配电网中存在着大量的IGBT、二极管和晶闸管等电力电子器件无法承受瞬时大电流，若不及时处理故障，系统将会造成重大损失，因此直流配电网必须快速切除隔离故障[6 - 8]。直流断路器是解决这一问题的有效方法[9]。

直流断路器是直流配电网的核心设备，在电网正常运行期间，可以调整电网的运行状态以实现调度的灵活控制。在发生故障时，直流断路器可以快速切断故障电流并隔离电网的故障部分[10 - 12]。目前研究的直流断路器重点集中在输电领域，适用于配电网的直流断路器较少。直流断路器按断路器的拓扑和分断电流可分为纯机械式、固态式和混合式直流断路器[13 - 14]。纯机械式开断电流速度较慢，混合式开断速度较快、通态损耗低，但是主要运用在中高压直流输电领域[15 - 16]。对于直流配电网而言，固态式断路器因其优异的性能受到了国内外的广泛关注，特别是风力和光伏发电的发展为固态式断路器提供了开发的基础和广阔的发展前景[17 - 19]。

文献[20]提出一种采用半控型器件代替全控型器件的固态断路器拓扑结构，减少了投入费用，但是不能实现完全的软关断，关断速度比全控型器件慢。文献[21]提出了一种基于IGBT串联技术的固态式方案，能够在10 kV条件下关断实验，将直流断路器应用到更高的电压等级场合，但串联均压难度较大。文献[22]提出了晶闸管与桥式IGBT单元串联再与串联IGBT单元并联的拓扑，通过对时序控制策略分析，验证了该策略能够有效保护各部分器件，确保直流断路器的安全运行。文献[23]提出了一种在转移支路用晶闸管单元串联级联模块的拓扑结构，将级联模块应用到转移支路可以降低损耗，但增加了控制的复杂性。

针对以上的拓扑方案的优缺点，本文提出了一种适用于直流配电网的级联模块式固态直流断路器设计方案。本文首先介绍了该方案的拓扑结构，详细分析了断路器的工作原理和时序控制；对各部分参数进行了等效数值分析，并借助PSCAD/ETDMC的电磁暂态环境进行了仿真验证，通过与其他的方案进行对比分析，说明了本文所提方案的优势。

1 级联模块式固态直流断路器方案

1.1 拓扑结构

图1为本文提出的级联模块式固态直流断路器方案的拓扑结构，具有双向导通和阻断电流、双向切除故障的能力。

图1中，该拓扑主要由主支路、转移支路和耗能支路组成，其中，故障电流、主支路电流、转移支路电流、换流电容电流、耗能支路电流分别用is、iz、iT、ic、imov表示。D1—D4为桥式二极管组，用以保证发生故障时对IGBT的复用，从而减少IGBT的数量。本文中，将限流电感Ls1、Ls2平均分配在断路器两端，用来抑制短路故障电流上升率和峰值，减缓故障传播的速度。主支路由反并联晶闸管组与反串联IGBT单元串联构成，用来承担系统正常运行时的额定电流；由桥式二极管组与级联模块组成了转移支路，每个级联模块由1个二极管、1个IGBT、1个电容和电阻组成，采用级联模块能够解决大量IGBT串联动态均压问题，提升IGBT的利用率。耗能支路又称避雷器支路是由金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistor, MOV)组成，在断路器中的主要作用是在关断电流的瞬间抑制关断过程中的过电压，保护系统中的各器件安全，以及吸收故障切除过程中限流电感元件储存的能量。同时引入接地续流二极管组D5，其采用快恢复二极管串联组成，具有导通压降低电流大、反向阻断时承受高电压的特性，在分断电流后，与故障侧限流电感形成吸收回路，吸收电感中的能量，减轻避雷器的压力。

图1 级联模块式固态直流断路器拓扑结构Fig.1 Cascade modular solid-state DC circuit breaker topology

1.2 工作原理和时序控制

本文级联模块式固态直流断路器中桥式二极管组是对称结构，在电流双向通流时的工作原理相同，当短路故障发生在断路器右端时，转移支路电流流过二极管组D1、D3和级联模块结构；当短路故障发生在断路器左端时，转移支路电流流过二极管组D2、D4和级联模块结构，从而实现故障电流的双向阻断功能。因此本文仅取一个方向进行断路器电流分断原理的分析，选取短路故障发生在右端、且包含D1和D3的转移支路为例。图2为故障切除过程中的断路器电流与电压波形图，其中，UCB为断路器开断过电压，Udc为系统额定电压。

图2 故障切除过程中的断路器电压与电流波形Fig.2 Circuit breaker voltage and current waveform during fault removal

短路故障切除与故障切除后恢复正常运行状态的详细过程如图3所示。

1)第1阶段(0—t1)：系统正常运行，主支路系统额定电流流过主支路，反串接IGBT导通，转移支路级联模块结构中的IGBT处于关断状态。

2)第2阶段(t1—t2)：t1时刻发生短路故障，该阶段故障电流迅速上升，但未达到故障检测和保护系统的限定值，因此短路故障继续发展。该阶段的电流路径如图3(a)所示。

3)第3阶段(t2—t3)：t2时刻，首先转移支路各IGBT导通，然后给主支路反串联IGBT发送闭锁信号，反串联IGBT关断使得电流由主支路转向至转移支路。

4)第4阶段(t3—t4)：t3时刻，主支路的晶闸管单元成功关断，流过主支路的电流衰减为0，故障电流完全换流至转移支路并稳定上升。该阶段的电流路径如图3(b)所示。

5)第5阶段(t4—t5)：t4时刻，转移支路各IGBT闭锁，故障电流开始给换流电容充电，转移支路上的电容电压迅速建立。该阶段的电流路径如图3(c)所示。

6)第6阶段(t5—t6)：t5时刻，总的换流电容电压之和到达避雷器的动作电压，此时故障电流换流至耗能支路，流过避雷器的电流开始上升，电容电流逐渐衰减。

7)第7阶段(t6—t7)：t6时刻，级联模块的电容电流衰减为0，级联模块电容电压达到避雷器的保护水平，故障电流完全换流至耗能支路，转移支路中阻容电路的能量逐渐衰减为0，不会出现能量累计的情况进而损坏IGBT器件，非故障侧的电流开始减小，避雷器开始吸收限流电感Ls1中的能量，短路故障切除成功的标志是故障侧的电流衰减至0，此时断路器两端的电压为直流配电系统的额定电压。通过D5续流二极管组接地来释放限流电感Ls2中的能量，电流流通路径如图3(d)中的虚线所示。

图3 不同阶段的电流路径图Fig.3 Current path diagrams for different stages

本文的级联模块式固态直流断路器的拓扑结构中采用桥式二极管组和续流二极管组D5，将限流电感均匀分配在断路器两侧，使得避雷器吸收的能量减少，减轻其压力，降低了对避雷器通流容量的能力。避雷器吸能的减少，使得避雷器吸收能量的时间缩短，进而缩短了切除故障的总时间。

综上所述，该断路器在短路故障时切除故障的时序控制如图4所示。

图4 切除故障的时序控制Fig.4 Timing control for fault removal

2 直流断路器的参数分析

2.1 转移支路的参数数值分析

在t4时刻，转移支路各IGBT闭锁，故障电流开始给换流电容充电，转移支路上的电容电压开始增加，当换流电容电压之和大于直流系统额定电压，故障电流开始衰减，直流系统限流电感中的能量向级联模块中的电容转移。此时等效电路图如图5所示。

图5 转移支路等效电路图Fig.5 Transfer branch equivalent circuit diagram

忽视系统小电阻Rdc，则由图5可列写二阶微分方程如式(1)所示。

(1)

式中：Cav为单个级联模块的换流电容值；uc为所有电容串联后的总电容电压值；Ls为直流系统的总限流电感值。

故障电流流过级联模块中的电容时间为t6—t4，此时故障电流为Ic。则方程的解如式(2)—(3)所示。

(2)

(3)

解得：

(4)

从式(4)可以看出故障电流流过电容的时间与系统电压、限流电感值、电容值有关，还与短路时刻的故障电流Ic有关，其不是一个固定值。若换流电容值过大，换流电容时间t-t4变长，进而切断故障的时间要延长。同时限流电感值的增大会抑制电流的上升率，也会影响断路器的开断时间，综合考虑，本文的电容值选取为40 μF。

2.2 耗能支路的参数分析

由于限流电感中存储着大量的电磁能量，在关断电流的过程中会产生过高的过电压，这不仅会使断路器中的各器件出现损坏现象，严重时还会影响系统的安全运行。因此，需要在转移支路处并联耗能支路，以防止电压过高。本文选择金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistor, MOV)作为此装置。

为了保证故障成功清除，选MOV时，选择其残压必须是直流系统额定电压的1～2倍，这样保证MOV的容量可以吸收系统所有的能量，在忽略系统电阻的情况下，分断过程中MOV吸收的能量如式(5)所示。

(5)

式中Imov为耗能支路电流最大值。当引入接地续流二极管时，故障侧电感中的能量由接地续流二极管与大地相连释放掉，这样MOV吸收的能量小于Qmov，即：

(6)

3 仿真验证

为了验证本文所提出的级联模块式固态直流断路器拓扑结构的优势和可行性，通过在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真环境中搭建10 kV直流配电网的直流断路器仿真模型。断路器仿真参数如表1所示。

表1 断路器仿真参数Tab.1 Circuit breaker simulation parameters

3.1 仿真分析

按照表1的参数设置，短路故障发生在0.2 s处，短路电阻为1 mΩ，本文所提的直流断路器在故障状态下的各支路电流和开断电压波形如图6所示。

图6 故障状态下的各支路电流与开断电压波形Fig.6 Current and voltage waveforms of each branch in fault state

从图6可知，0.2 s时刻直流系统负载侧发生短路故障，故障电流快速上升。在t= 0.200 2 s时转移支路中各级联模块的IGBT导通，同时闭锁主支路中的反串联IGBT，故障电流换流至转移支路，主支路电流开始衰减直至为0。在t= 0.201 67 s时刻，转移支路电流增长至开断电流最大值即为最大开断短路电流5 kA，故障电流上升率为2.395 kA/ms，同时关断转移支路的各级联模块的IGBT，故障电流换流至各级联模块中的电容中，经过50 μs，故障电流换流至耗能支路，此时会在断路器两端产生过电压，避雷器将其钳位在16.82 kV，并耗时1.24 ms衰减为0，避雷器吸能结束，切除短路故障。切除故障电流总时间为2.96 ms，最大开断电流为5 kA，符合假设系统对直流断路器的性能要求，验证了本文提出的级联模块式固态直流断路器拓扑结构的可行性。图7为单个级联模块的电容电压和IGBT电压波形图。

图7 电容电压和IGBT电压波形Fig.7 Capacitance voltage and IGBT voltage waveform

从图7可知，在t=0.201 67 s时刻，各级联模块的IGBT关断，故障电流转移到耗能支路，此时各个电容上产生的电压为3.368 kV，总电容电压总和为16.84 kV，此时故障电流开始减小。通过电阻可以更快地让电容电压降到与级联模块IGBT电压一致，在重合闸时电容电压不会超过IGBT的额定电压。图8为避雷器特性参数的仿真波形。

从图8可知，切除短路故障电流时，流过MOV的电流峰值为4.71 kA，MOV的电压保护水平为16.82 kV，在切除短路故障过程中MOV吸收的能量为43.5 kJ。图9为主支路晶闸管和反串联IGBT承受的电压波形图。

从图9可以看出，在系统正常运行状态时，主支路上的过电压主要是加在晶闸管组两端，由其承受瞬时过电压16.68 kV，反串联IGBT承受较小的电压1 V左右，这符合晶闸管耐压、耐流能力高的性能，若过电压大部分加在反串联IGBT上，会损坏IGBT器件，进而影响整个断路器的性能。

图9 主支路晶闸管和反串联IGBT承受的电压波形图Fig.9 Voltage waveform of main branch thyristor and reverse series IGBT

3.2 仿真对比

为了更好地说明本文所提出的级联模块式固态直流断路器的优势与特点，本文对文献[15]提出的新型固态直流断路器方案进行了仿真分析，图10为文献[15]方案的直流断路器避雷器吸能仿真波形图，图11为文献[15]方案的直流断路器电流波形图。通过图10—11可知，文献[15]方案故障切除时间为4.25 ms，避雷器吸收的能量为87 kJ。通过文献[15]提出的方案与本文提出的方案在同样的最大开断电流值和电压等级条件下进行对比，可得：本文所提出的方案避雷器吸收的能量比文献[15]减半，吸能的时间也缩短，进而分断电流时间减少，而文献[15]方案的分断电流时间较长。在技术工程上，文献[15]方案中转移支路直接采用IGBT串联的形式，动态均压和导通同步性的问题对IGBT性能要求较高；而本文所提的拓扑结构解决了大量IGBT的动态均压难题，在一定程度上降低了工程技术难度，但同时也增加了一定的器件数量。

图10 文献[15]提出的固态直流断路器的吸能波形图Fig.10 Energy absorption waveform of solid-state DC circuit breaker proposed in reference [15]

图11 文献[15]提出的固态直流断路器电流波形图Fig.11 Current waveforms of solid-state DC circuit breakers proposed in reference [15]

4 结论

本文提出了适用于直流配电网的级联模块式固态直流断路器设计方案，能够双向导通和阻断电流。首先对其拓扑结构、工作原理和时序控制进行了详细阐述；再通过等效数值分析了直流断路器中的各部分参数；最后在PSCAD/EMTDC环境中进行了仿真验证。

仿真结果和理论分析表明，本文所提的方案能够有效快速地切断短路故障电流，并在故障切除后为系统中电感等元件储存的能量提供了释放回路，减少了避雷器吸收的能量，降低其压力。同时解决了转移支路中的IGBT动态均压等问题。

通过与其他文献中的方案进行对比分析，发现本文提出的方案具有以下优势：切除故障电流时间减少，避雷器通流容量减半，工程技术难度降低，对固态直流断路器的工程应用有一定的参考价值。