直流混合型斷路器與直流故障限流器的匹配研究

張 翀， 邱清泉， 張志豐, 肖立業(yè), 夏 東

(1. 中國科學院應用超導重點實驗室, 北京 100190; 2. 中國科學院電工研究所, 北京 100190; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

直流混合型斷路器與直流故障限流器的匹配研究

張 翀1,2,3， 邱清泉1,2， 張志豐1,2, 肖立業(yè)1,2, 夏 東1,2

(1. 中國科學院應用超導重點實驗室, 北京 100190; 2. 中國科學院電工研究所, 北京 100190; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

目前，直流斷路器的開斷容量還難以達到直流電網(wǎng)的要求,通過限流器和斷路器的配合是解決問題的有效方式之一。本文在分析混合型直流斷路器開斷原理及其特性的基礎上，對斷路器與直流限流器的配合問題進行研究。首先，以ABB公司混合型直流斷路器為例，通過PSCAD/EMTDC軟件建立仿真模型，對其開斷原理和過程進行分析；然后，根據(jù)直流電網(wǎng)電壓等級、開斷電流大小和開斷過程IGBT承受電壓電流等不同要求，研究限流器對斷路器的影響, 進而確定匹配原則；最后，通過故障狀態(tài)分析計算確定限流器的參數(shù)。

直流故障限流器； 混合斷路器； 限流開斷； 配合

1 引言

為了滿足風能、太陽能等波動性可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)的需求，基于電壓源型換流器的多端直流輸電系統(tǒng)(VSC-MTDC)的研究引起國際上越來越多的關注和重視，一批基于VSC-MTDC的多端柔性直流輸電示范工程已經(jīng)建成投運，直流電網(wǎng)的研究也方興未艾。

然而，VSC-MTDC線路上一旦發(fā)生短路故障，相當于換流器直流側的電容直接放電，其短路電流會快速上升，最大值可達數(shù)十千安。過快的電流上升率將帶來熱量集中、電弧火花、電磁應力等問題，同時因為換流器中有反并聯(lián)的二極管會形成不控整流橋，所以單純通過控制換流器是無法切斷故障電流的，短路電流甚至會損壞換流站[1,2]。發(fā)展快速大容量的高壓直流斷路器是解決這個問題的有效方法，然而，對于直流斷路器而言,現(xiàn)有IGBT/IGCT等電力電子器件的過載能力并不十分理想,而且只能承受有限的電流和電壓變化率。若要求采用電力電子器件開斷故障電流,則直流斷路器在故障電流上升到一定值之前必須完成開斷,這對直流斷路器的快速開斷提出了很高的要求；同時，高壓大容量的快速機械開關也面臨滅弧困難的問題。因此，即便采用快速機械開關和電力電子開關相結合的方式，目前所能達到的快速開斷能力也是有限的。

如果能夠在VSC-MTDC線路中串入短路故障限流器(FCL)，采用限流器抑制故障電流的大小和上升速度，就可有效降低直流電網(wǎng)故障對斷路器開斷容量的要求。目前關于直流故障限流器的研究主要有電阻型[3-5]、電感型[6,7]、阻抗型[8]。文獻[9]針對電感型限流器開展研究，針對潮流反轉時，電感會對潮流控制的靈活性產(chǎn)生不利影響的問題，提出利用超導電阻型限流器的設想。但是該文獻中利用超導電阻限流存在嚴重的不足，首先，文中針對200kV電壓等級的斷路器需要的失超電阻高達25Ω，如此大的阻值需要的超導帶材用量無論從體積和造價都很大；其次，作者研究了帶材失超后，限流器承受的電壓高達212.5kV，較高的電壓等級意味著體積的進一步增加；另外，從故障發(fā)生到發(fā)送開斷信號用于故障檢測的延遲時間高達20ms，在這段時間內，通過超導電阻限流時，電阻長時間通過較大的故障電流，給帶材的能量耗散及帶材的失超恢復帶來困難。文獻[10]針對直流機械斷路器與超導限流器的配合問題進行了研究，故障后通過與斷路器串聯(lián)的超導帶材的限流，使得斷路器的開斷電流減小，降低了短路故障對直流系統(tǒng)的影響。文獻[11]針對限流式混合直流斷路器的限流開斷特性進行研究，限流電路由電感和能量釋放回路構成，通過限制短路電流上升率降低對機械開關速動性的要求。

為了使斷路器達到最佳的開斷效果，需要研究直流混合型斷路器與限流器的限流開斷配合問題，并分析限流類型及參數(shù)對斷路器開斷過程的影響。本文就這一問題展開了初步的研究。

2 直流混合型斷路器的開斷原理及其發(fā)展現(xiàn)狀

混合型直流斷路器的基本拓撲結構如圖1所示。它將機械開關與電力電子器件結合。正常情況下由機械開關導通電流，通態(tài)損耗較??；故障情況下，首先導通固態(tài)開關，然后分斷機械開關，利用機械開關分斷時產(chǎn)生的電弧電壓為固態(tài)開關(已施加觸發(fā)脈沖)建立陽極正向電壓，使其順利導通；固態(tài)開關導通后，由于開關觸點間電弧電阻大于固態(tài)開關導通電阻，使得電流能夠自然地從機械開關換流至固態(tài)開關，從而保證機械開關在低壓小電流下順利分斷；機械開關分斷后立即關斷固態(tài)開關，從而切斷電流通路。

圖1 混合型高壓直流斷路器的基本拓撲結構Fig.1 Basic topology of hybrid DC circuit breaker

混合式直流斷路器用快速機械開關來導通正常運行電流，用固態(tài)電力電子器件來分斷短路電流，結合了機械開關良好的靜態(tài)特性與電力電子器件快速關斷的動態(tài)性能，具有通態(tài)損耗小、開斷時間短、壽命長等優(yōu)點，是目前高壓直流斷路器研發(fā)的新方向，具有廣闊的應用前景[10,11]。

2012年ABB公司研制出基于IGBT的320kV/2kA等級的混合型直流斷路器[12]，拓撲結構如圖2所示，主要包括旁路開關支路(快速機械隔離開關+輔助直流開關)和主直流開關支路(半導體斷路器+避雷器組)。

圖2 ABB混合型直流斷路器Fig.2 Hybrid circuit breaker by ABB

2014年阿爾斯通公司(ALSTOM)研制出120kV/2kA等級的混合式高壓直流斷路器，結構原理圖如圖3所示。該混合式高壓直流斷路器也采用機械開關與半導體固態(tài)開關相結合的混合型結構[13]，但其轉移支路由多個模塊級聯(lián)構成，模塊中采用晶閘管而不是IGBT,并且每個模塊中的避雷器動作電壓逐漸遞增。

圖3 Alstom研制的混合型斷路器Fig.3 Hybrid circuit breaker by Alstom

2015年國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院(SGRI)研發(fā)了200kV等級的混合型斷路器[12]，結構如圖4所示。主要包括主開關支路(快速機械隔離開關+H橋)、電流轉移開關支路(H橋半導體斷路器)和吸收支路(避雷器組)。

圖4 智能電網(wǎng)研究院混合型斷路器Fig.4 Hybrid circuit breaker by SGRI

上述三種混合式高壓直流斷路器的性能參數(shù)比較如表1所示。由此可見，目前主要的直流斷路器的電壓在120～320kV左右，而電流開斷能力最大達到15kA，難以滿足實際運行的VSC-MTDC系統(tǒng)的要求，通過FCL的串入，可以有效提升直流斷路器的開斷能力。

表1 高壓直流混合型斷路器性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of high voltage DC hybrid circuit breaker

3 直流混合型斷路器的建模分析

考慮到目前智能電網(wǎng)研究院和ALSTOM公司尚未公布其直流混合型斷路器的詳細設計參數(shù)，本文以ABB公司的320kV/2kA混合型直流斷路器為對象(如圖2所示)，利用PSCAD/EMTDC軟件進行建模分析。圖5為斷路器仿真模型及其開斷過程電流轉移波形圖，ICB、Iline、IR、IIGBT分別為機械開關、線路、避雷器、 IGBT的電流。

圖5 斷路器開斷仿真圖Fig.5 Simulation of circuit breaker opening process

當直流線路正常運行時，主直流開關處于斷開狀態(tài)，快速隔離開關和輔助直流開關導通并流過直流電流。當在1s時刻發(fā)生短路故障時，經(jīng)過500μs延遲用于故障檢測和邏輯判斷，首先導通主直流開關，關斷輔助直流開關，系統(tǒng)開始換流，線路上的電流轉移到主直流開關上，此時輔助直流開關承受主直流開關的導通電壓，一般小于1kV，屬于其耐受范圍內。當流過快速隔離開關的電流為零時，快速隔離開關迅速打開以保護輔助直流開關避免遭受過電壓。在1.0025s快速隔離開關成功斷開后，主直流開關斷開，用于限制故障電流上升率的限流電感LB中的能量通過與主直流開關并聯(lián)的ZnO避雷器吸收，短路電流下降。當故障電流下降到零時，在1.005s打開剩余電流直流開關將故障線路隔離，防止避雷器熱過載。

圖6為開斷過程中IGBT單元和快速隔離開關的電壓波形及ZnO避雷器消耗能量。由于IGBT關斷速度極快,可在μs級內完成關斷動作，在1.0025s主直流開關關斷瞬間，線路電感中儲存的能量將在IGBT器件和機械開關兩端產(chǎn)生較大的過電壓，該過電壓有可能導致絕緣薄弱的地方產(chǎn)生火花甚至導致IGBT模塊損壞。

圖6 開斷過程電壓和能量波形Fig. 6 Voltage and energy waveforms in opening process

圖6(b)為主直流開關關斷后，ZnO避雷器導通耗能。為了體現(xiàn)開斷過程能量消耗情況，在剩余電流直流開關打開后，沒有考慮散熱條件，因此使得能量維持不變，實際上在散熱條件下曲線應該下降。

盡管電力電子型斷路器最大的缺點是通態(tài)損耗大,但該混合型斷路器由于主直流開關只有在發(fā)生直流側故障時導通，因此其不需要散熱系統(tǒng)。輔助開關導通電壓是一個 IGBT 和反并聯(lián)二極管的導通電壓之和，約為3～5V，當直流線路正常運行時流過的電流為2kA，其導通損耗為10kW，只需要小型的散熱裝置。相比于由多個IGBT串聯(lián)構成的固態(tài)型斷路器，其開關通態(tài)損耗要小得多，例如電壓等級為4.5kV的單個IGBT，導通壓降可以達到3.3V左右。若裝設于320kV的直流輸電線路，線路中串聯(lián)的IGBT開關至少需要72個(考慮過電壓時，數(shù)量還要更多)，那么單臺IGBT開關的導通壓降約為 238V，在通過數(shù)千安的正常電流時開關的通態(tài)損耗要大得多。

4 加裝故障限流器的開斷過程仿真分析

基于ABB直流混合型斷路器的研究，在限流器和快速斷路器接入電網(wǎng)的前提下開展故障限流開斷研究。故障電路原理如圖7所示。在直流線路發(fā)生故障后，通過限流器抑制故障電流的上升速度和幅值，從而降低對斷路器開斷容量的要求。

圖7 故障電路原理圖Fig. 7 Fault circuit diagram

VSC-MTDC直流網(wǎng)絡直流側短路故障情況包括：①正、負極性直流母線的線間短路；②正極性直流母線對地短路；③負極性直流母線對地短路。兩極短路故障發(fā)生的概率雖然比單極接地故障低，但其后果更加嚴重，本文以兩極故障為例。另外，在限流器和斷路器的接入方式上，往往是正極線路和負極線路都要接，研究時，認為它們的參數(shù)和操作是完全一致的，以一個極性安裝為例進行故障分析研究。

圖7中，CB為直流斷路器，F(xiàn)CL為故障限流器，可以是電阻、電感或阻抗型(電阻+電感)，且其參數(shù)值可以合理選擇。在此模型的基礎上，本文主要開展混合型斷路器與限流器的配合問題研究，在短路故障發(fā)生后，通過投入不同類型及不同限流參數(shù)的限流器來限制短路電流，使得斷路器更容易開斷。研究的重點在于以斷路器的最大開斷電流、開斷瞬間IGBT和快速隔離開關承受瞬態(tài)過電壓的峰值為研究對象，探索限流器對開斷過程的影響。

混合式直流斷路器的開斷時間主要取決于內部的快速隔離開關，實現(xiàn)混合式直流斷路器在2ms時間內開斷電流的關鍵是設計制造出能在2ms內開斷的快速隔離開關。因此除了快速分斷操作機構外，還需要保證快速隔離開關的耐壓等級足夠高，因為在主斷路器支路關斷瞬間快速隔離開關會遭受瞬態(tài)過電壓，所以開斷過程的過電壓是能否實現(xiàn)斷路器成功開斷的重要因素。

假設短路故障發(fā)生在1s時刻，通過投入限流器進行故障電流限流，實現(xiàn)快速斷路器的故障電流切除。下面分別針對不同類型限流器的限流作用，開展斷路器的開斷特性研究。在 PSCAD/EMTDC 下搭建仿真系統(tǒng)[14]，如圖8所示。模擬正常運行與故障發(fā)生后電容放電階段的限流開斷過程，正常運行時直流電源提供正常運行電流同時為電容充電；BRK2閉合，短路故障發(fā)生后刀閘 BRK1、BRK3 打開，形成了電容經(jīng)故障線路的放電回路。圖8中 CB即為混合直流斷路器及其觸發(fā)控制電路和波形顯示電路的封裝結構，仿真模型參數(shù)如表2所示。

圖8 仿真電路模型Fig.8 Simulation circuit model

參數(shù)數(shù)值電源電壓/kV320線路電阻/Ω0.07線路電感/H0.0005放電電容/μF200負載/Ω160避雷器額定電壓/kV90緩沖電阻/Ω5緩沖電容/μF0.05

4.1 電阻型限流器

圖9為電阻型限流器限流時的開斷波形。由圖9(a)可知，短路故障發(fā)生后，在換流之前的時間段內通過機械開關的電流迅速上升，在固定的故障檢測觸發(fā)時間內，限流電阻越大，通過機械開關的電流峰值越小。之后在1.0005s換流后，通過主直流開關的IGBT故障電流繼續(xù)上升(見圖9(b))，但是從圖9(b)中可以看出，針對開斷9kA的故障電流，需要的電阻值高達35Ω，若用超導帶材實現(xiàn)限流，那么帶材的需用量和造價以及限流器體積會很大。圖9(c)中隨著限流電阻值的增加，IGBT單元兩端的峰值電壓變化很小，這是由于當主直流開關關斷后電流換流至ZnO避雷器耗能，雖然限流電阻不同，所分擔的電壓不同，造成IGBT兩端電壓不同，但限流阻值和ZnO避雷器相比變化幅度不大，因此阻值的變化造成電壓差異較小，但在開斷后IGBT端電壓達到相同值。

圖9 開斷過程電流波形Fig.9 Current weaveforms of breaking process

由圖9(b)可知，故障發(fā)生后，從換流過程開始到主斷路器支路斷開期間，電容的能量逐漸被電阻消耗，電流上升較平緩，但在換流之前的故障初始階段內電流已上升到較大值(見圖9(a))，使得IGBT在這段時間內長時間承受較大的故障電流，這對IGBT器件的電流耐受能力帶來挑戰(zhàn)，造成關斷損耗較大，較大的損耗還增加了對散熱系統(tǒng)的投資。

以上分析說明在電力電子型斷路器開斷過程中，電感的作用尤為重要。故障發(fā)生后，故障電流迅速上升，如果電感值太小，可能超過器件的最大承受di/dt能力。因此下文以感抗型限流器和阻抗型限流器為對象進行研究。

4.2 電感型限流器

故障后串入線路的電感雖然會因儲存的能量造成開關關斷困難，但電感會限制故障初始階段電流的上升速率，使得電流在短時間內幅值有所降低，有利于開斷。而且對混合式直流斷路器的設計要求與電感值的大小有重要關系，當 VSC-MTDC 發(fā)生直流側故障，直流側相當于一個恒壓源，電壓值等于線路的輸電電壓。此時若忽略線路電阻，則故障電流呈線性上升，電流上升的速度主要取決于直流側電感值的大小。下面通過改變限流電感值進行開斷特性分析。

圖10為電感型限流器時的限流開斷過程電流。由圖10(a)中機械開關電流ICB可以看出，在固定的故障檢測觸發(fā)時間內，故障電流上升到4kA，相比于圖9(a)中電阻限流時換流之前機械開關的電流就已經(jīng)到達7kA，說明利用電感限流時故障電流上升率要明顯小于電阻限流時，電流變化率過大不僅可能使得器件承受的電流變化率超過其允許范圍而損壞，而且會造成主直流支路關斷瞬間在斷路器兩端產(chǎn)生較大過電壓。同時機械開關支路故障電流大造成一方面需要更多的IGBT并聯(lián)流通大的電流，另一方面增加機械開關電流過零時間。同樣，在換流過程中，不同于圖9(b)中電阻限流的情況下IGBT較長時間通過較大電流，故障電流逐漸上升至最大值，電流上升的速率隨著電感值的增加而減小。按照斷路器2ms的固定開斷時間，若電感值很大，則電流上升速度慢，可降低其開斷過程機械開關流過故障電流的幅值，對斷路器開斷能力的要求可以適當降低，這樣其成本也可以降下來；然而電感值越大，電抗器本身的體積和成本會上升，還會影響VSC-MTDC潮流控制的靈活性。反之，若電感值很小，則電流上升速度很快，對斷路器開斷電流的能力要求很高，開斷過大故障電流的快速直流斷路器不僅難以制造，其成本也會過高。因此，需要選取適當?shù)碾姼兄担瓤梢砸种齐娏鞯纳仙俣?，保證VSC-MTDC 的直流側電壓不嚴重跌落的情況下迅速可靠地開斷直流側故障電流，又能兼顧經(jīng)濟性等因素[15]。因此，下面開展故障限流過程中感抗型限流器參數(shù)的分析計算。

圖10 開斷過程電流Fig.10 Current during interrupting process

4.3 電感限流條件下，斷路器斷開故障電網(wǎng)的分析及限流電感參數(shù)計算

圖11為故障線路簡化等效電路圖。其中Udc為故障初始電容放電階段等效電源，Ldc和Rdc分別為線路電阻和電感，LB為限流電感，Rl為負載，開關S模擬短路故障，線路參數(shù)根據(jù)文獻[16-19]中已有參數(shù)分別取0.07Ω/km、0.05mH/km,線路長取10km。故障發(fā)生瞬間，電感限流器進行限流，根據(jù)電感電流在故障前后瞬間不會突變，由穩(wěn)態(tài)運行可得：

(1)

則故障后線路電流為：

(2)

由此可得故障電流變化率為：

(3)

可求得故障電流最大上升率為：

(4)

圖11 故障線路等效電路圖Fig.11 Equivalent circuit diagram of fault line

根據(jù)文獻[14,20]中故障電流最大上升速率一般為3.5～10kA/ms，按照3.5kA/ms分析計算，由式(1)～(4)可求得電感值為91.9mH。

表3為改變限流電感的大小，研究開斷的最大故障電流及關斷瞬間IGBT單元和機械開關承受過電壓的情況。隨著限流電感值的增加，流過斷路器的最大故障電流明顯減小。盡管UIGBT和UCB也隨著電感的增加而有所減小，但相比于利用純電阻限流時(UIGBT為91.2kV)，其過電壓峰值明顯要高很多，這是電感限流器用于故障限流的缺陷。

表3 電感限流器時電壓和電流Tab.3 Voltage and current for inductor current limiter

4.4 阻抗型限流器

當所匹配的限流器類型為電阻和電抗時，故障發(fā)生后既可以限制故障電流的幅值，又可以抑制故障電流上升速率。根據(jù)4.1.3節(jié)電感參數(shù)的分析計算，該部分取定電感值L為91.9mH，通過附加小的限流電阻研究阻抗型限流器對斷路器開斷過程的影響。

圖12為阻抗限流時的限流開斷波形。其說明限流電感值固定在91.9mH時，無論從電流還是能量角度考慮，附加的電阻對斷路器的開斷更有利。表4為電流和電壓的變化情況。

由表4可知，隨著電阻的增加，開斷的最大故障電流減小。雖然電壓變化很小，但與純電感限流器時相比有所減小。綜上可知，當故障限流器為電感型時，額外附加的限流小電阻的增加，將有利于斷路器的順利開斷。如果降低限流電感，增加電阻(超導限流器)，在故障電流的上升率和穩(wěn)態(tài)值滿足直流開斷要求條件下，超導限流器在直流穩(wěn)態(tài)運行時無損耗和壓降，潮流控制的靈活性也會提升。

圖12 限流開斷波形Fig.12 Limiting and breaking waveforms

R/Ω1235810UIGBT/kV93.8993.7993.7593.4893.4193.35Imax/kA9.259.179.088.928.698.54UCB/kV373.92373.67372.69372.52372.31371.89

5 結論

根據(jù)不同的限流類型和參數(shù)值，得出直流混合型斷路器與限流器的匹配原則：

(1)若利用電阻型限流器進行限流，首先，需要的限流電阻較大，所需的超導帶材多、造價高、體積大；其次，限流過程中通過IGBT器件的故障電流大，較長時間通過大電流，不僅對器件的電流耐受而且對超導帶材的能量耗散和失超恢復帶來挑戰(zhàn)。

(2)若利用感抗型限流器進行限流，故障后抑制故障電流上升速率，對IGBT器件本身的實用特性更有利。但是電感限流的缺陷是過電壓問題，給斷路器的絕緣設計帶來困難。

(3)在電力電子型斷路器的實用中，器件本身的電流變化率、浪涌電流峰值等參數(shù)是關鍵限制因素，因此，阻抗型限流器更適合于混合式斷路器，附加的限流電阻不僅能減少故障電流值，而且可以降低暫態(tài)過電壓。

(4)混合型直流斷路器已發(fā)展成為直流斷路器的一個重要類型，其電路拓撲相對變化不大，僅在各元器件的選型和設計上有一定差異。在目前的產(chǎn)品中，采用大電感限流，但是過大的電感不僅不利于潮流的靈活控制，而且增加了過電壓。采用阻抗限流思路可以解決上述問題，因此以上結論對于混合型直流斷路器具有普適性。

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Study on coordination of DC hybrid circuit breaker and DC fault current limiter

ZHANG Chong1,2,3, QIU Qing-quan1,2, ZHANG Zhi-feng1,2，XIAO Li-ye1,2, XIA Dong1,2

(1. Key Laboratory of Applied Superconductivity, Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；2. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China；3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China)

Direct current circuit breaker is an essential equipment for the removal of DC power grid faults, and its breaking capacity is insufficient to meet the requirements of DC power grid. With the cooperation of current limiter and circuit breaker, it can effectively improve the breaking capacity of circuit breaker, ensuring the safe operation of DC power network. Based on the development of the hybrid circuit breaker, the paper studies the coordination of the circuit breaker and the DC current limiter. Firstly, the DC hybrid circuit breaker and its principle are analyzed briefly by PSCAD/EMTDC software. Secondly, according to the DC power grid voltage level, the maximum breaking current and the current of IGBT, the effect of current limiter on circuit breaker are studied, then the matching principle is determined. Thirdly, the values of the current limiting parameters are determined.

DC fault current limiter; hybrid circuit breaker; fault current limiting and breaking; coordination

2016-02-29

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2015CB251005)

張 翀(1988-)， 男， 河南籍， 碩士研究生， 研究方向為柔性直流輸電故障限流與開斷； 邱清泉(1979-)， 男， 山東籍， 副研究員/碩導， 博士， 研究方向為超導電力技術。

TM561

A

1003-3076(2016)09-0021-08