具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器

章宝歌，焦越敏，平善言，吴伯祥

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州市 730070)

0 引 言

近些年，柔性直流电网技术发展成为了新能源发电的重要输电手段之一[1-2]，高压直流(high voltage direct-current，HVDC)输电具有更加广阔应用前景[3-4]。随着新能源发电并网容量逐年提升，高压直流输电由于能够更有效提高可再生新能源利用效率，规模不断扩张[5-6]。但由于直流输电系统的结构日益复杂，给系统的运行及换流站带来了很大的安全隐患[7-8]。高压直流断路器(DC circuit breaker，DCCB)作为保护直流系统安全稳定运行的核心装备，提升直流断路器的快速分断能力，降低断路器故障电流的上升率以及解决直流短路故障时的隔离问题，都是急需解决的问题[9-10]。

高压DCCB分为机械式DCCB、全固态式DCCB及混合式DCCB三种[11-12]。混合式DCCB结合了前两者的技术优点，能完美满足直流开断速度快要求的同时能够实现直流通态损耗更小[13-14]。传统的混合式DCCB采用绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)串并联组成转移支路，消耗半导体器件多，成本较高[15-16]。文献[17]提出的拓扑在成本上用电容取代了IGBT。但电路的电流值一度达到了20 kA，容易对限流器件造成损害，对断路器的器件来说，其性能要求较高，且该拓扑所需开断时间比较长。文献[18]提出的拓扑结构加了接地二极管，故障侧的电流通过二极管耗散，不再经由避雷器吸收，从而减少了避雷器吸收的能量，但故障侧的电流放电所需时间较长。文献[19-20]提出的拓扑结构都加了预充电电容，故障电流被切断后电容的电压极性发生变化，但其电压很难恢复到原有极性，因而当重合闸时，需要进行预充电。文献[21-22]提出的拓扑结构在限流模块优势明显，但在重合闸方面没有描述。

本文提出一种具有重合闸功能的限流型混合式高压直流断路器(current limiting hybrid high voltage DC circuit breaker with reclosing function，RFL-HDCCB)拓扑。该断路器既能够实现限流功能，又只需对电容预充电就可实现无限循环。且该断路器最主要的优势在于两套晶闸管实现了双向故障开断和重合闸功能。首先，介绍RFL-HDCCB的结构以及工作原理，分析运行过程，对重合闸过程进行介绍。其次，给出断路器的关键参数。最后，对断路器的可性进行仿真验证。

1 拓扑结构和工作原理

1.1 拓扑结构

RFL-HDCCB拓扑结构如图1所示。其主体结构采用了全桥式整流电路，由通流支路、限流支路、断流支路和旁路支路4部分构成。Rs、Ls、Ud分别为模块化多电平换流器等效后串联的电阻、电感值和直流电源电压值，Rf为直流线路等效电阻，Ldc为直流电抗器电抗值。

图1 RFL-HDCCB拓扑结构

1)通流支路。由超快速机械开关(ultrafast mechanical switch，UFMS)和负载转换开关(load commutation switch，LCS)组成。

2) 限流支路。按照功能，限流支路分为三部分：(1)晶闸管阀组T1、T2，二者交互作用，主要作用则是为了可以迅速高效地将通流支路上的故障电流进行安全转移，保证了UFMS系统可在零电流零电压的条件下对系统进行迅速可靠地自动关断。(2)T5a、T5b反向并联晶闸管组和电容C构成的串联支路。有三方面作用，其一，通过对电容C的反向充电可储存部分能量；其二，限制了限流电抗L两端的过电压，其三，有效保证了T1、T2的可靠关断。(3)由晶闸管阀T6a、T6b反向并联晶闸管组和限流电阻RL及限流电抗L构成的串联支路，在故障回路电流中用来抑制短路电流的迅速上升。

3) 断流支路。由IGBT和避雷器并联构成。该部分用以承载和开断故障电流，利用避雷器来耗散非故障侧的能量。

4) 旁路支路。由晶闸管阀组Tby与泄能电阻Rby串联组成。在避雷器动作时隔离了故障侧与非故障侧电压之后，再用泄能电阻吸取故障侧电能。

1.2 工作原理

1) 稳定运行。当直流控制系统正常工作时电流只流过通流支路，而其他支路均保持在闭合状态。

2) 限流过程。直流系统发生故障，被检测到后，导通通流支路中的T2、T4以及断流支路中的IGBT，电流向限流支路转移，同时给通流支路中的LCS关断信号。当UFMS达到完全开距后，T1、T5a导通，电容C开始放电，T2因承受反压逐渐关断。当电容C两端电压为0时，开始反向充电，同时T6a也因耐受正压而导通，限流电阻RL和限流电抗L开始运行。当电容C两端的电压高于系统电压后，电容C所在的支路电流逐渐开始减少，至减小到0，电容C关断，限流电抗L所在支路完全投运行。

3) 断流过程。断流支路中的IGBT关断，金属氧化物避雷器(metal oxide varistor，MOV)导通，同时旁路支路导通，使得故障侧和非故障侧的故障隔离开后，非故障侧的电流逐渐减小至0后避雷器自行安全切断。

4) 旁路过程。当避雷器开始动作后，旁路支路中的泄能电阻Rby吸收耗散故障侧的能量。

5) 重合闸过程。与交流断路器相同，直流断路器在分断一段时间后也要进行重合闸，以保证电流短路故障排除，恢复系统正常供电，提高系统供电的可靠性。当该电路进行重合闸时，由于电容C的电压极性发生改变，不需要再给电容充电即可切断故障电流，实现故障电流的重合闸过程。由于限流模块的对称性，无论故障电流的方向如何变化，限流模块都可以辅助切断故障电流。

2 过程分析

2.1 故障关断

1)电容C预充电阶段(t0—t1)。

从t0到t1，直流系统稳定运行。在此期间，通过T2和S的导通来完成电容C的初始充电。电容C的充电原理图如图2所示，大电阻R1的作用是限制充电电流的值。当电容C充电完成时，流过T2的电流减小到0，T2被成功关断。至此电容C的预充电完成。

图2 电容C预充电电路图

2) 限流准备阶段 (t1—t3)。

t1时刻电路发生故障，由于未检测到电流发生故障，通流支路正常工作，其余支路处于被旁路状态。在t2时刻检测到短路故障后，T2和T4以及断流支路IGBT导通，确保LCS和UFMS不需要承受高电压。向LCS发出分断指令。电流迅速转移，UFMS开始分断，电流通流支路传输到T2和T4所在的通路。该时段的电流路径如附录图A1(a)所示。

t2时刻，晶闸管T1处于关断状态，但电容的电压加在晶闸管T1两端，晶闸管T2两端的电压等于LCS与UFMS的导通压降(大于0)，此时给晶闸管T2触发信号，晶闸管T2成功导通。该时段的电流路径如附录图A1(b)所示。在t3时刻，UFMS达到额定开距。

设直流系统电源电压为Ud，直流系统总电流为id，电抗电流为iL(t)，在t2—t3期间，可得：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可得：

(3)

3) 限流阶段 (t3

在t3时刻，UFMS完全达到开距后，给T1及T5a导通信号，T1立即导通(t3时刻，T2已成功导通，分析C、T5a、T1、T2组成的回路可知，由于T1导通之前承受正压，故而在给T1导通信号后，T1成功导通)，换相电容C投入运行。由于电容C阳极电压方向与短路电流方向相反，电容首先放电，电容C释放的电压促使T5a导通，T2转而承受反压，其初始的阳极电流因此迅速下降，流向T2的电流逐渐转移到T1。直至t4时刻，流过T2的电流减小到0，T2被T1成功关断。该时段的电流路径如附录图A1(c)所示。

t4时刻，T2关断，但电容C放电还未结束。t5时刻，电容C放电结束。该时段的电流路径如附录图A1(d)所示。

电容C放电的动态过程描述为：

(4)

(5)

式中：uC为电容C两端的电压；iC为电容C两端的电流；C为电容C的电容值。

由于T2关断迅速，可忽略不计，即认为电流在t3时刻全部转移至T5a支路中，得i(t3)=id(t3)=I0，联立式(4)及式(5)可解得此阶段中电容电压及电容支路电流为：

(6)

(7)

4) 限流阶段 (t5

t5时刻，电容C放电结束，其反向电流降至0后电容开始充电。同时T6a因承受正压而自行导通，限流电抗所在回路开始投入运行。该时段内的电流路径如附录图A1(e)所示。

(8)

(9)

(10)

id=iC+iL

(11)

化简得：

(12)

令iC(t5)=I5，将初始值UC(t5)=0代入得：

iC=ACλsin[λ(t-t5)]+I5cos[λ(t-t5)]

(13)

(14)

(15)

随着电容C反向充电，流过电容C的电压uC逐渐升高，当uC升高至系统电压时，发生故障的线路的电流开始减小。t6时刻，电容电流iC减小至0，电容电压uC充至最高电压，电容支路断开。

5) 限流阶段 (t6

t6时刻后，限流电抗L所在支路完全投入运行。该时段的电流路径如附录图A1(f)所示。

将t4代入式(13)、(14)、(15)中得id(t6)=iL(t6)=I6，阻感支路中瞬时电流iL为：

(16)

式中：τ0=(L0+L)/RL；R∑=RL+Rs。

限流阻抗L支路的导通，减少了故障电流的上升速率。

6) 吸能阶段 (t7

t7时刻，避雷器MOV达到工作电压，避雷器MOV导通运行，IGBT关断，同时旁路支路晶闸管Tby收到导通信号。避雷器MOV投入运行后，开始吸收非故障侧能量并限制过电压。故障侧电抗开始通过旁路支路晶闸管Tby对接地电阻Rby放电。t8时刻，流过避雷器的电流为0，避雷器吸能结束。该时段内的电流路径如附录图A1(g)所示。

t7至t8时段为避雷器吸能时间，记为Δt，由式(16)可得t7时刻的故障电流为id(t7)=iL(t7)=I7，由KVL得：

(17)

解上式得：

(18)

式中：Δt为避雷器吸能时间；UMOV为避雷器的动作电压；τ1=L/(RL+RS)；ΔU=Ud-UMOV。

由式(17)可知，电抗值越小，电流下降速率越快，避雷器吸能时间Δt越短。

7) 旁路阶段 (t8

t8时刻非故障侧电流降为0，故障侧储存在直流电抗Ldc中的电流继续通过接地电阻Rby放电耗尽能量。t9时刻，故障侧电流清除完毕，该时段的电流路径如附录图A1(h)所示。

2.2 重合闸

由于直流输电的故障类型有暂时性故障和永久性故障两种类型，重合闸也分为了两种情况。当故障为暂时性故障时，断路器正常闭合，其时序如图3所示。

图3 正常闭合时序图

正常闭合时，开通T1和T5a，在电容C的放电作用下，流经断流支路IGBT的电流迅速上升，断路器两端电压下降为限流支路及断流支路的导通压降。几微妙后，流经IGBT的电流达到正常负荷电流后，通流支路的UFMS在零电流低电压的条件下无弧合闸，导通LCS，电流转移至通流支路，重合闸完成，其电流图如图4所示。如若流经IGBT的电流依旧上升，则为永久性故障。

图4 RFL-HDCCB正常闭合电路图

当故障类型为永久性故障时，只需要重新调换T1和T2的动作顺序，以及重新调换T3和T4的动作顺序，用T5b替换T5a，用T6b替换T6a，即可再次切断故障电流，实现重合闸功能。由前面章节所述的工作原理可知，在RFL-HDCCB初次运行前，需要先对电容进行预充电储能，但在RFL-HDCCB开断故障电流的过程中，直流电源将对电容器C进行充电，不仅使得换相电容的电压能得到补充，也减少了避雷器吸收的能量。RFL-HDCCB完成故障电流关断后，电容的放电路径全部阻断，电容中的能量得以保存，后续每次开断故障电流都不需要对换相电容进行再次充电。重合闸电流路线如附录图A2所示。由附录图A2可知，RFL-HDCCB重合闸后将恢复至附录图A1的初始工作状态。

3 仿真分析

3.1 器件参数设计

1) 电容值C的选择。

本文提出的RFL-HDCCB拓扑通过晶闸管T1(T2)控制电容所在支路的导通关断，又电容的充放电也控制着晶闸管T2(T1)的关断，故而电容C所能承受的电流要大于短路电流峰值。在设计电容值C时，要考虑到其在充电时电容的耐压能力。电容值C在放电过程中系统能量平衡关系式如下:

(19)

分析式(19)可知，故障电流与电容值C成正比。

电容值C在充电过程中能量平衡式如下:

(20)

式中：Wdc为电容反向充电期间向限流支路转移的能量。

分析式(20)可知，电容值越大，转移的时间越长，转移能量越大。

本文以500 kV直流系统为研究对象，电容C的预充电电压取U0。C、idc、UC的关系如图5所示。由图5可知，电容值C越小，电容充电越快，电流峰值越低，电阻和电抗所在支路完全投入所需时间越短；但电容值C越小，故障清除后uc的绝对值将越大，该部分绝缘成本投入越大。本文电容值C的取值为10 μF。

图5 C、idc、UC的关系

2) 限流电阻值RL的选择。

通过限流电阻耗能后，避雷器吸收的能量减少。电流随电阻值RL变化的规律如图6所示。

由图6可知，阻值越大，限流能力越好。但综合考虑到电阻的体积、经济性、散热性能及限流能力等方面因素，本方案采用的限流电阻值为15 Ω。

图6 限流电阻RL与iL的关系

3) 限流电抗值L的选择。

限流电抗在电路中的使用，抑制了电流的上升速率。电抗越大，抑制效果越明显，但会延长限流电抗L完全投入的时间，使故障分断时间延长。从t5时刻开始投入运行，至t6时刻完全运行，此时，iC=0代入式(13)可得：

Δt0=arctan(-IL/λAUdcC)/λ

(21)

式中：Δt0为阻感支路从开始到完全投入故障回路所需要的时间。

分析式(13)可知，λ的值与电抗L成正比；由式(21)可知，Δt0将会随着λ的增大而增大；再者，当流过其的故障电流达到稳态时，电抗值L越大，电抗L本身所储存的能量越多。

图7为电抗值L变化时故障线路电流的变化规律。从图7可知，电抗值L越大，故障电流的二次上升速率越慢，但与之相反的是，电抗值L越大，限流电抗完全投入所用的时间却越长。由于目前高压电抗成本高，但要保证它的绝缘及安全，因而对于500 kV直流系统，阻感支路采用200 mH的限流电抗。

图7 限流电抗L与idc的关系

3.2 直流故障电流仿真

本节以如图1中所示的等效系统模型建立了基于PSCAD的仿真系统模型，表1给出了该仿真模型系统中的一些主要参数。

表1 仿真参数

图8所示为在永久性故障时，RFL-HDCCB分断故障和重合闸过程中的故障电流转移示意图。

图8 仿真电路波形

在t=3.0 s时，系统发生短路故障，延迟了1 ms后到t=3.001 00 s时检测到故障，开始转移电流。LCS立即关断，同时使限流支路中的晶闸管T2、T4以及断流支路的IGBT导通，UFMS开始打开。经过2 ms，即t=3.003 00 s时，UFMS达到额定开距而完全关断，同时T5a导通。此时T1因承受正向电压而导通，电容C开始放电。t=3.003 10 s时，T2因承受反压关断。t=3.003 35 s时，电容C放电结束，开始反向充电，且T6a导通，限流电抗L所在支路投入使用。t=3.005 00 s时刻，限流电抗L所在支路完全投入运行，电容支路关断，电流上升速度减小。t=3.005 50 s时，断流支路的IGBT关断，避雷器开始消耗非故障侧电流，同时旁路支路的晶闸管Tby导通，旁路支路消耗故障侧的能量。t=3.007 20 s时，故障侧电流为0，电路故障清除。经过300 ms后，t10时刻为RFL-HDCCB的重合闸时刻。

3.3 性能对比

为了验证本文所提方案的开断性能，本文在相同仿真条件下与已有的其他方案进行仿真对比分析。方案1为文献[15]所提的新型HDCCB拓扑，方案2为文献[14]提出的具有限流功能的直流断路器拓扑，方案3为本文所提出的RFL-HDCCB拓扑。

3种方案的故障电流、避雷器吸收能量对比结果如图9所示。

图9 不同方案故障电流、避雷器吸收能量对比图

由图9可知，方案1没有抑制故障电流的能力，在避雷器未动作前，故障电流迅速增加至峰值。由于对输出电流不能进行有效控制，因此故障消除时间需要8.32 ms。方案2增加了限流功能，故障电流增长速度明显降低，同时也降低了避雷器吸收的能量，对避雷器性能的要求大大降低。但因为加入了限流电抗，却也拉长了避雷装置吸能的时间，因此排除故障的时限又增加了，直至8.83 ms才可清除故障。方案3，即本文所提拓扑电路，电流的峰值以及电流的上升率极大减少，故障关断时间为7.20 ms。相比方案1、方案3故障线路中电流峰值下降22.3%；在限流的作用下，线路电流下降52.1%；避雷器吸收能量比方案1减少34.2%；故障关断时间也比方案1降低了1.12 ms。相较于方案2，方案3电流的峰值虽然没有降低，但关断所需时间降低了约1.65 ms；避雷器吸收的能量比方案2降低了34.2%。综上所述，本方案与其他方案相比更有前景。

3.4 经济性对比

为能够进一步更加客观地阐述本文所提的断路器拓扑在实现故障分断时更具经济性，将文献[15]所提的新型HDCCB拓扑，文献[14]提出的具有限流功能的直流断路器拓扑以及本文所提出的拓扑的器件使用数量和器件吸收的能量进行对比。

方案1：新型HDCCB。该方案中转移支路中的电力电子器件为IGBT，通常电力电子转移支路需要承受1.5倍的额定直流电压，即额定电压为500 kV，转移支路的耐压值为750 kV。需要承受的电流峰值为9.4 kA，需要的IGBT数量为2 700个。且避雷器吸收的能量为14.5 MJ，对避雷器的性能要求很高。

方案2：具有限流功能的直流断路器。方案2中，由于限流支路的加入，断路器中电流的峰值显著降低为9.4 kA，转移支路的耐压值为750 kV，需要的IGBT数量为1 800个。其晶闸管需要数量为166个。避雷器吸收的能量为12.0 MJ，相较于方案1，对避雷器的性能要求降低。

方案3：本文方案。当短路故障发生时，由于限流支路的结构具有对称性，当电容的电压极性转变时，晶闸管T1、T2动作顺序调换，因而晶闸管T1、T2的电压和电流也发生了调换，同理晶闸管T3、T4动作顺序调换，晶闸管T3、T4的电压和电流也发生了调换。T1、T2的电压波形图如图10所示。由图10可知，晶闸管组(T1、T2、T3、T4)的耐压峰值达到700 kV，电流峰值为9.4 kA。因此，每组晶闸管需要83个，总共需要332个晶闸管。IGBT阀组耐压为750 kV，需要的IGBT数量为1 800个。相较于方案2，避雷器吸收的能量为7.9 MJ，对避雷器性能的要求更低。

图10 T1、T2电压波形图

在额定直流电压相等的条件下，三种方案的对比结果如表2所示。

表2 三种方案对比结果

方案1中，混合式直流断路器造价高昂的原因是大量使用IGBT器件，方案2、3使用晶闸管取代了大多数IGBT器件，降低了晶闸管的造价。方案3虽然晶闸管的使用数量比方案2多，但其关断时间以及避雷器MOV的耗能均比方案2降低很多，且因避雷器耗能减少，对其性能要求更低，显著降低了避雷器的造价。晶闸管的经济性能远远高于避雷器的经济性能。总体分析，方案3的可靠性和性价比较高。

4 结 论

本文通过分析所提RFL-HDCCB结构、原理、参数设计以及仿真验证，得到以下结论。

1) 与IGBT相比，晶闸管的成本更低。采用两组晶闸管实现双向故障电流分断，主限流部分采用大量串联晶闸管，使其具有一定的经济优势。

2) 限流支路的结构是对称的，因此电容C的电压极性不影响故障电流的分断。无论故障电流方向如何变化，限流模块都可以辅助切断故障电流。

3) 无论是瞬时性故障还是永久性故障，RFL-HDCCB都能实现重合闸功能，保证了直流系统在零电流和几乎零电压的条件下恢复正常供电，保证了直流输电系统的安全。