基于直流配网开关设备研究

西北民族大学电气工程学院 谷鹏旭

1 直流断路器

直流断路器由它们的分断电流原理可分为三类：机械直流断路器、固态直流断路器和混合直流断路器。

1.1 机械直流断路器

有两种消除直流电弧的方法。第一种是在增加电弧电压的同时扩大电弧，直到不能维持电弧电流为止。第二种方法是引入一个振荡电路，然后使其通过以创建一个零交叉点而达到对断路器的灭弧。前者显然不适合具有较高电压的直流配电网络。现如今，市场上大多数机械式直流断路器其中的吸收电路和放电电路是其重要的电路组成部分，它们与机械开关和振荡电路共同构成主要部件。

当断开机械开关触点时，由于LC振荡电路的振荡，高频电流会叠加在DC电弧电流上。如果振荡电流与直流电弧电流相比具有更大的反向振幅，则将产生一个零交叉点，这将导致电弧关断并且将输送直流电流。在振荡电路中，电流通过吸收迅速减小到零，并且放电电路和避雷针实现了直流电流的断开。在高频振荡过程中会产生过电流和大电流，并且通过使用在振荡电路两端并联连接的电路来吸收能量，以防止在此过程中损坏设备。负载能力强、运行稳定、由于导通损耗低可长时间工作。但这种断路器由于电流分断能力小、容易出现广泛的误差，这就是其无法满足的原因。

1.2 固态直流断路器

固态直流断路器主要可以控制电力电子设备的开与关，用于直流电流的切换状态，使其基于IGBT、IGCT、SCR、GTO等电力电子设备这些功能可以更好的被实现。固态直流断路器具有感应电路、驱动和控制电路及其他类型的电路，相关的固态功率电子电路、缓冲器吸收和放电电路。其相比于机械式直流断路器，用于电力电子设备的断路器都具有响应速度快、可靠性高、无电弧、无声音、无接触的特点，可满足直流配电网保护的要求且坚固耐用。其缺点是在导通的状态下的高损耗。

1.3 混合直流断路器

直流断路器由机械开关和固态开关组合而成。混合式直流断路器具体的闭合与断开的过程如下：当机械开关断开，固态开关上就会产生电弧电压，同时正向电压也随即被建立。添加了功率电子固态开关，并且触发脉冲被打开。电力电子设备通常具有非常小的导通状态电阻，该电阻比机械开关电路小得多。因此，在低压条件下，机械开关断开电路，固态开关也迅速断开，直流电流也断开。混合直流断路器可以结合其中的前两个优点。因此，混合式直流断路器是当前的主要的发展方向。混合式直流断路器可以在几微秒内实现直流电流截止，并且其电压水平和分流能力仍在不断提高。可以得出结论，混合式直流断路器具有直流配电网的运行条件。

2 直流故障限流器研究

2.1 直流故障限流器的拓扑结构和工作原理

直流故障限流器的相关拓扑（此处以单极直流系统为例），主要包括可控开关管、二极管、控制器、电感器、电容器、采样和测量设备等。直流故障限流器主要具有三种工作模式。当系统处于正常运行状态时，可控开关保持完全断开，可以认为是导体，并不影响系统运行，因此故障极限如下。此时，转换器处于LC滤波状态。当负载侧发生支路故障时，测量装置将检测到过电流并将其反馈给控制器，然后控制器迅速作出响应，从而使开关管可以进行直流斩波。限制并延迟波形状态，电流为固定值。当故障消失时，故障电流限制器将运行模式切换为运行模式。如果错误仍然存在，请关闭开关并消除错误。同样，如果相邻分支发生故障，则分支的电流和电压也会振动。在这种情况下，故障电流限制器可以稳定电压和电流并改善电能质量。

2.2 直流故障限流器动态模型与控制策略

斩波电路动态模型如下：

在上面的公式中Vin和Vout分别为输入电压和输出电压，iL是电感电流，P是负载功率，D是占空比，，如果开关频率为f，那么。

假设故障限流时长为Tlim，则故障限流控制目标可表示如下：

在正常操作期间，将控制信号1发送至开关管以使其保持接通状态。当系统检测到负载侧发生短路故障时，通过直流电控制故障限流器，以将输出电流与给定电流值进行比较，然后由控制器PI形成调制信号。开关管控制由PWM调节器产生的信号。添加了电压比例链接以改善系统的响应能力，并通过改变占空比来限制输出电流的大小来实现。最后，在电流限制模式下，如果延迟后仍然存在错误，则开关控制信号将输出为零。换句话说，错误被阻止。

3 直流故障限流器仿真

3.1 仿真模型

在PSCAD/EMTDC中建立相应模型，电源电压为5kV，内阻为0.1Ω。这一模型主要包含两条负载馈线支路，由此做如下仿真：（1）在支路L1处设置短路故障，在有无故障限流器两种情况下，通过对电流和电压的波形图进行比较，来分析故障限流器的性能；（2）当故障发生于分支L1处时，在分支L2上存在无限电流设备的情况下，通过对电压和电流波形进行比较，来分析限流器的性能。仿真系统对应的其他参数可见表1所示。

表1 系统参数

3.2 仿真结果分析

如果L1的负载侧发生短路故障，则可以看到如图1所示的相关情况，图中显示了两种情况下无限电流设备中馈线L1的电流和电压波形。其中，如果有冷潮时段，则以红色表示；没有冷潮时段时，则以蓝色表示。如图1所示，通过馈线支路限制器的最大故障电流可以达到600A。如果包含故障电流限制器，则故障电流可以限制为120A，如果包含电流限制器，则电压应为120V。它会迅速下降，即使经过0.2s的延迟，滤波电容器的能量也不会迅速下降。故障电流限制器将电流限制为零，并隔离故障组件。

图1 馈线L1上的电流波形

当线L1发生短路故障时，图2中所示的相关情况，很好的显示了在反馈线中没有故障限流器的两种情况下的电压波形。其中，如果有故障限流器时段，则以红色显示，没有故障限流器时段时，则以蓝色表示。可以从图中可以看与分析出，如果限流器在没有的故障的情况下，在相邻分支L1中发生短路故障，则L2处的电压将降至100V，L2的电流也随即有了上升趋势。故障限流器的L2基本上可以保持稳定的电流和电压，因此当系统另一部分发生故障时，限流器可以基本保持电压和电流稳定，从而提高了电源的可靠性并改善了电能质量。

图2 馈线L2上电压波形

结论：对于DC配电网的保护，DC开关设备意义重大。DC配电网安全稳定运行的关键在于DC开关设备的快速可靠运行。首先，本文分析了三种不同类型的直流断路器。然后，分析了断路器的工作原理和性能，得出混合式直流断路器和固体式直流断路器可应用于DC配电网保护的结论。最后，通过仿真验证了DC故障限流器的性能。