基于電壓鉗位原理的多端口限流式直流斷路器

李國(guó)慶，宋禹衡，王利猛，趙炳然，潘禹含，閆克非

（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市 132000；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司通化供電公司，吉林省通化市 134001；3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林省吉林市 132011）

0 引言

由于柔性直流輸電技術(shù)在運(yùn)行性能上的諸多優(yōu)勢(shì)，直流電網(wǎng)工程技術(shù)發(fā)展迅猛。但直流電網(wǎng)具有弱阻尼特性，當(dāng)發(fā)生直流故障時(shí)，故障電流短時(shí)間內(nèi)迅速上升，而直流系統(tǒng)不具備自然過(guò)零特性。為快速可靠切除故障、保證直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，作為其保護(hù)裝置的直流斷路器得到了深入研究［1-4］。

多年來(lái)，直流斷路器的研究持續(xù)進(jìn)展，其中混合式直流斷路器結(jié)合了電力電子器件和機(jī)械開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)代主流方向。ABB式混合直流斷路器具備通態(tài)損耗低、開(kāi)斷可靠等優(yōu)點(diǎn)，但需要串并聯(lián)大量絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）器件，經(jīng)濟(jì)性較差［5-6］。為解決這一問(wèn)題，連接于同一直流母線的線路共用直流斷路器的思想被提出［7-9］，文獻(xiàn)［10］提出一種多端口直流斷路器，通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)與主斷路開(kāi)關(guān)（main breaker，MB）共同切除故障，提高了斷路器的經(jīng)濟(jì)性，但MB采用避雷器切斷故障，需要能量泄放，重合閘速度相對(duì)較慢。文獻(xiàn)［11］在文獻(xiàn)［10］的基礎(chǔ)上增加失靈輔助開(kāi)關(guān)，當(dāng)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)失靈時(shí)提供保護(hù)功能，使設(shè)備的可靠性大幅提升。文獻(xiàn)［12］提出了全橋型多端口直流斷路器，采用晶閘管支路與二極管支路作為上下橋臂的選擇開(kāi)關(guān)，提高了經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)［13］提出一種將集成式負(fù)荷轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)（load commutation switch，LCS）與集成式MB相結(jié)合的多端口直流斷路器，集成式LCS可通過(guò)同一控制信號(hào)進(jìn)行控制；集成式MB統(tǒng)一了選擇功能與切斷功能。文獻(xiàn)［14］提出的多端口直流斷路器由兩個(gè)MB和多個(gè)轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)組成，該直流斷路器冗余度高，具備快速機(jī)械開(kāi)關(guān)失靈保護(hù)。文獻(xiàn)［15］提出一種基于預(yù)充電電容切除故障的多端口限流式斷路器，有效節(jié)約了斷路器數(shù)量，但斷路器中的預(yù)充電電容需要額外設(shè)置充電裝置及泄能回路，增大了實(shí)現(xiàn)難度。以上多端口斷路器需要通過(guò)轉(zhuǎn)移支路引導(dǎo)故障電流，以增阻方式切除故障，轉(zhuǎn)移支路承受較大電流，電力電子元件的耐流水平需求較高［16-20］。

為彌補(bǔ)網(wǎng)側(cè)通過(guò)電壓原理切除故障手段的空缺，諸多文獻(xiàn)提出了基于電壓鉗位原理切除故障的直流斷路器。文獻(xiàn)［21］提出了基于電容換流的高壓直流斷路器拓?fù)?，具有快速限流和隔離故障能力，但預(yù)充電電容始終并入系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓短時(shí)波動(dòng)即會(huì)造成該電容誤動(dòng)放電，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成沖擊。文獻(xiàn)［22］提出的降壓鉗位式直流斷路器在故障回路接入預(yù)充電電容，利用其鉗位電壓作用使網(wǎng)側(cè)線路電壓迫降至零，且解耦了故障隔離與故障耗能環(huán)節(jié)，但在切除故障后需要能量泄放環(huán)節(jié)，降低了斷路器的速動(dòng)性。文獻(xiàn)［23］提出一種電壓鉗位型混合直流斷路器，通過(guò)可變鉗位電壓迫使線路電流下降過(guò)零，實(shí)現(xiàn)故障快速清除，且具備故障抑制能力，同時(shí)該拓?fù)鋬?nèi)電力電子元件采用晶閘管而非IGBT，提高了經(jīng)濟(jì)性，但該電壓鉗位型斷路器支路電壓等級(jí)過(guò)高，致使線路晶閘管所需耐壓等級(jí)極高，需要大量晶閘管滿足其應(yīng)力需求。

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種以電壓鉗位為原理的多端口限流斷路器。首先，提出新型斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及動(dòng)作時(shí)序，通過(guò)電壓鉗位原理切除故障，而后通過(guò)LC振蕩關(guān)斷支路晶閘管；其次，分別對(duì)母線和線路故障進(jìn)行解析推導(dǎo)，進(jìn)而針對(duì)其關(guān)斷過(guò)程設(shè)計(jì)參數(shù)；最后，利用PSCAD/EMTDC中的三端直流電網(wǎng)模型驗(yàn)證其有效性與適用性，并分別對(duì)兩種故障仿真加以分析，通過(guò)故障電流、系統(tǒng)電壓及支路電壓對(duì)比分析等證明該斷路器可代替多個(gè)常規(guī)斷路器，減少主斷路器需求。

1 電壓鉗位型多端口限流斷路器

電壓鉗位型多端口限流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，MMC1為模塊化多電平換流器整流站，Ldc為平波電抗。

圖1 電壓鉗位型多端口限流斷路器拓?fù)銯ig.1 Topology of voltage-clamped multi-port current limiting circuit breaker

該拓?fù)渲饕韵虏糠帧?/p>

1）低損耗支路：由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)（Sm1，Sm2）、雙向?qū)ňчl管組（Tm1、Tm2）構(gòu)成。

2）電壓鉗位支路：由電容（C1、C2、C3）、電弧開(kāi)關(guān)（Sc1～Sc3）［24］、極性選擇反并聯(lián)晶閘管組（VT1～VT4）、充電晶閘管組（Vg1）、充電電阻Rd、故障選擇晶閘管組（Vg2、Vg3）以及緩沖電感（Ld）構(gòu)成。

與使用避雷器提高阻抗的常規(guī)方式切除故障不同，本文通過(guò)電容C1～C3提高換流站出口處電壓，從而與系統(tǒng)電壓形成電壓鉗位抑制并切除故障電流。切斷故障后，利用C1～C3與Ld構(gòu)成的LC振蕩回路快速振蕩過(guò)零完成重合閘。

2 工作原理

2.1 充電模式

本文所提斷路器的充電過(guò)程如附錄A圖A1所示，打開(kāi)H橋中的晶閘管，令C2與C3并聯(lián)，且二者與C1串 聯(lián)，對(duì)C1、C2、C3進(jìn) 行 充 電。換 流 站 將 電 容C1～C3充至系統(tǒng)級(jí)電壓后，晶閘管自動(dòng)關(guān)斷完成充電過(guò)程，電容電壓分配情況如式（1）所示。電容全部串聯(lián)后電容電壓等級(jí)將高于系統(tǒng)電壓，可用于故障時(shí)的電壓鉗位，具體工作原理見(jiàn)2.2節(jié)。

充電電阻Rd在支路并入時(shí)起限流作用。減小通電時(shí)的沖擊電流，并將瞬間電壓降到充電電阻上，避免電容電壓發(fā)生突變。

2.2 運(yùn)行模式

附錄A圖A2為采用模塊化多電平換流器的高壓直流輸電（modular multilevel converter based high voltage direct current，MMC-HVDC）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電壓鉗位型斷路器位置及故障點(diǎn)F1、F2示意圖。圖中，MMC2、MMC3為逆變站，各線路上電流流向如圖內(nèi)標(biāo)紅箭頭所示。

2.2.1 線路故障

t0時(shí)刻MMC1近端F1點(diǎn)發(fā)生故障，故障電流迅速上升，此時(shí)Tm1與Tm2持續(xù)導(dǎo)通，向故障點(diǎn)饋入電流，如附錄A圖A3（a）所示。

t1時(shí)刻，保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到故障，并向斷路器傳遞觸發(fā)信號(hào)，電弧開(kāi)關(guān)Sc2閉合，將電容組串聯(lián)，電容電壓上升為1.4倍系統(tǒng)級(jí)電壓，通過(guò)電壓鉗位支路H橋選擇極性，使電容電壓極性與系統(tǒng)電壓相同；與此同時(shí)，停止晶閘管組Tm1導(dǎo)通信號(hào)，無(wú)電流流過(guò)的晶閘管自然關(guān)斷。打開(kāi)晶閘管Vg2、VT1、VT4，提高換流站出口處電壓，如附錄A圖A3（b）所示。

t2時(shí)刻，故障電流受電壓鉗位作用迫降至零，線路晶閘管于無(wú)電流狀態(tài)下關(guān)斷。為避免其持續(xù)承受反向電壓，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)Sm1逐漸關(guān)斷，并在約0.5 ms后為T(mén)m1分壓，完成換流站與故障點(diǎn)的隔離。此時(shí)電壓鉗位支路與故障點(diǎn)形成LC振蕩回路，振蕩頻率如式（2）所示。電感與電容將發(fā)生能量交換，電容的極性會(huì)發(fā)生變化，與初始預(yù)充電電容極性相反。

式中：L為緩沖電感、平波電抗以及線路等效電感總值；C為電壓鉗位支路電容總值。

t3時(shí)刻，振蕩過(guò)零，H橋晶閘管組與故障選擇晶閘管自動(dòng)關(guān)斷，隨后根據(jù)故障性質(zhì)決定是否重啟系統(tǒng)，如附錄A圖A3（c）所示。

此外，故障徹底清除后，電容需恢復(fù)至預(yù)充電電壓值。由于電容極性已發(fā)生改變，需根據(jù)極性選擇H橋中的晶閘管，對(duì)電容進(jìn)行充電進(jìn)而為下次故障切除做好準(zhǔn)備。

2.2.2 母線故障

t0時(shí)刻F2點(diǎn)發(fā)生母線故障，故障電流迅速上升，由于兩條回路互不影響，以其中一條回路為例，如附錄A圖A4（a）所示。

t1時(shí)刻，保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到故障，并向MMC1端電壓鉗位型斷路器傳遞觸發(fā)信號(hào)，閉合電弧開(kāi)關(guān)Sc2，將電容組串聯(lián)，電容電壓上升為1.4倍系統(tǒng)級(jí)電壓，使電容電壓極性與系統(tǒng)電壓相同，打開(kāi)晶閘管Vg2、VT1、VT4，提高遠(yuǎn)端換流站出口處電壓，如附錄A圖A4（b）所示。

t2時(shí)刻，故障電流受電壓鉗位作用迫降至零，線路晶閘管Tm1于無(wú)電流狀態(tài)下關(guān)斷。為避免其持續(xù)承受反向電壓，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)Sm1逐漸關(guān)斷。此時(shí)電壓鉗位支路與故障形成LC振蕩回路，由式（2）可知，振蕩頻率與電感總值成反比，由于線路電感較大，導(dǎo)致母線故障時(shí)振蕩時(shí)間較長(zhǎng)，如附錄A圖A4（c）所示。

t3時(shí)刻，振蕩過(guò)零，H橋晶閘管與故障選擇晶閘管自動(dòng)關(guān)斷，隨后根據(jù)故障性質(zhì)決定是否重啟系統(tǒng)。

3 參數(shù)分析

平波電抗Ldc與支路電壓下降幅度、速率均成反比，然而過(guò)大的Ldc會(huì)增大正常運(yùn)行的通態(tài)損耗。緩沖電感Ld的存在，避免了電壓鉗位支路投入瞬間造成的電壓突變，但過(guò)大的緩沖電感Ld導(dǎo)致充電時(shí)電感內(nèi)部存儲(chǔ)電能，致使支路電容過(guò)充。支路電容容值C1～C3過(guò)小時(shí)不足以維持支路電壓等級(jí)，但容量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致LC振蕩周期延長(zhǎng)，不利于快速重合閘。電壓鉗位支路電容電壓UC過(guò)小時(shí)不足以實(shí)現(xiàn)電壓鉗位；UC過(guò)大時(shí)電壓鉗位效果過(guò)于顯著，線路晶閘管組承受電壓過(guò)大，導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整體經(jīng)濟(jì)性差、占地面積大，且增大電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的通態(tài)損耗。綜上所述，通過(guò)故障切除過(guò)程進(jìn)行電壓鉗位型斷路器參數(shù)設(shè)計(jì)。

3.1 線路故障

1）狀態(tài)1：t0≤t＜t1

t0時(shí)刻，MMC1近端F1點(diǎn)發(fā)生雙極短路故障，如附錄A圖A5所示，由于是近端故障，所以忽略線路阻抗。此外，為了提高故障電流的精確度，考慮了臨端換流器流出的故障電流。由圖A5可列寫(xiě)微分方程：

式中：idc為MMC1故障電流；idc2為MMC2故障電流；L12為線路電感；R12為線路電阻；Rs、Ls、Cs分別為故障期間近端換流站等效電阻、電感、電容；Udc2為臨端換流站系統(tǒng)電壓；Rs2、Ls2、Cs2分別為故障期間臨端換流站等效電阻、電感、電容。

2）狀態(tài)2：t1≤t＜t2

t1≤t＜t2階段，在t1時(shí)刻確定故障并向電壓鉗位型斷路器傳遞信號(hào)，導(dǎo)通電壓鉗位支路晶閘管，并停止晶閘管Tm1導(dǎo)通信號(hào)，由附錄A圖A6列寫(xiě)微分方程。

式中：id為電容釋放電流；im為近端、臨端換流器與支路電流總值。

3）狀態(tài)3：t2≤t＜t3

t2時(shí)刻，故障電流過(guò)零，線路晶閘管組VT1、VT4自然關(guān)斷并承受反向電壓，等效電路如附錄A圖A7所示。線路晶閘管組關(guān)斷后，電壓鉗位支路與故障點(diǎn)形成振蕩回路，電流迅速過(guò)零，如式（11）所示。隨后支路晶閘管組VT1、VT4自然關(guān)斷。

式中：ω為線路故障時(shí)LC振蕩的角頻率。

3.2 母線故障

1）狀態(tài)1：t0≤t＜t1

t0時(shí)刻，MMC3母線發(fā)生雙極短路故障，t0～t1時(shí)刻的等效電路如附錄A圖A8所示，在t1時(shí)刻確定故障并向遠(yuǎn)端電壓鉗位型斷路器傳遞信號(hào)。由圖A8可列寫(xiě)微分方程：

式中：idcm為MMC3母線故障時(shí)MMC1發(fā)出的故障電流；Udcm為MMC1系統(tǒng)電壓；L13為線路等效電感；R13為線路等效電阻；t0-為故障發(fā)生前瞬間時(shí)刻；ξa為衰減系數(shù)；ωan為振蕩頻率。

2）狀態(tài)2：t1≤t＜t2

t1時(shí)刻，導(dǎo)通電壓鉗位支路，由附錄A圖A9可列寫(xiě)微分方程。支路電容并入系統(tǒng)時(shí)，支路電容開(kāi)始釋放電能，換流站出口處電壓瞬間升高，形成鉗位電壓，故障電流持續(xù)下降。

式中：id2為母線故障時(shí)支路電容釋放電流。

3）狀態(tài)3：t2≤t＜t3t2時(shí)刻，故障電流過(guò)零，線路晶閘管組VT1、VT4自然關(guān)斷并承受反向電壓，等效電路如附錄A圖A10所示。線路晶閘管組關(guān)斷后，電壓鉗位支路與故障點(diǎn)形成振蕩回路，電流迅速過(guò)零，如式（20）所示。隨后支路晶閘管組VT1、VT4自然關(guān)斷。

式中：ω2為母線故障時(shí)LC振蕩的角頻率。

利用MATLAB通過(guò)式（3）至式（10）可求出滿足線路故障切除條件的電壓鉗位支路電容C和電容電壓UC的無(wú)窮多個(gè)解?？紤]線路晶閘管組承受最大電壓以及LC振蕩周期時(shí)長(zhǎng)，選取以上解中電容電壓較小的解作為線路故障時(shí)的斷路器參數(shù)；母線故障參數(shù)選擇同理，通過(guò)式（13）至式（19）得到電容ΔC及其電壓ΔUC。比較兩組選定的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)近端線路故障切除條件更為苛刻，可滿足兩種故障切除要求，故選取該組參數(shù)作為斷路器參數(shù)。

4 仿真分析

4.1 仿真模型

為驗(yàn)證所提基于電壓鉗位原理的直流斷路器可切除故障，搭建如附錄A圖A2所示的仿真模型，直流電網(wǎng)配備的平波電抗為65 mH，多端口電壓鉗位型斷路器的充電支路電阻Rd為20Ω、電壓鉗位支路電感Ld為5 mH、電壓鉗位支路電容C1為1 600μF，C2、C3為1 200μF，換流站參數(shù)如表1所示。假設(shè)t=2.2 s時(shí)分別發(fā)生換流站出口正極接地故障F1及母線故障F2。

表1 偽雙極換流站參數(shù)Table 1 Parameters of pseudo bipolar converter station

4.2 偽雙極開(kāi)斷能力仿真驗(yàn)證

4.2.1 線路故障

t0=2.2 s時(shí)刻F1處發(fā)生雙極短路故障，假設(shè)保護(hù)系統(tǒng)在2.203 s檢測(cè)到故障并向直流斷路器發(fā)送信號(hào)。

為重點(diǎn)展示本文所提斷路器的限流效果，將本文與ABB式直流斷路器以及文獻(xiàn)［23］提出的直流斷路器進(jìn)行比較。

圖2（a）中i13、iL與iABB分別為本文所提斷路器、文獻(xiàn)［23］所提斷路器以及ABB式直流斷路器在系統(tǒng)故障時(shí)的短路電流。設(shè)故障檢測(cè)時(shí)間為3 ms，ABB式直流斷路器需3 ms將故障轉(zhuǎn)移至避雷器，文獻(xiàn)［23］所提斷路器接收信號(hào)后需2 ms閉合快速機(jī)械開(kāi)關(guān)，而本文拓?fù)渲胁捎秒娀￠_(kāi)關(guān)，其閉合速度極快，可視為接收到故障信號(hào)后即刻并入電網(wǎng)。與文獻(xiàn)［23］所提斷路器及ABB式直流斷路器相比，本文所提斷路器故障電流幅值分別減小33%、41.69%，但故障切除時(shí)間與文獻(xiàn)［23］所提斷路器相近，其原因是電壓鉗位支路電壓等級(jí)不同。但電壓鉗位支路電壓等級(jí)不同也會(huì)造成線路晶閘管組承受電壓不同，詳細(xì)解釋見(jiàn)附錄A圖A11。

圖2 線路故障期間電流Fig.2 Current during line fault

圖2（b）與（c）分別為近端與遠(yuǎn)端電壓鉗位型斷路器并入電網(wǎng)后的電壓鉗位支路電流。斷路器于t1時(shí)刻并入系統(tǒng)，支路電流持續(xù)上升，直至t2時(shí)刻支路與系統(tǒng)分隔成兩部分，此刻電壓鉗位支路與故障點(diǎn)形成振蕩回路，支路電流呈正弦波直至振蕩為零。隨后，支路晶閘管關(guān)斷，t′2與t′3分別為遠(yuǎn)端電壓鉗位支路與故障點(diǎn)形成振蕩回路以及支路電流振蕩至零的時(shí)刻。振蕩頻率由式（2）可知，切斷故障后，近端、遠(yuǎn)端電壓鉗位支路分別與故障點(diǎn)形成LC振蕩回路，由于線路電感L13較大，遠(yuǎn)端支路需要更長(zhǎng)時(shí)間完成振蕩至零。

若故障點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)渡電阻，則振蕩回路變?yōu)镽LC振蕩回路，根據(jù)回路電阻、回路電感以及支路電容三者關(guān)系確定阻尼狀態(tài)。若為欠阻尼狀態(tài)則與圖2（b）與（c）相似，通過(guò)振蕩至零而后支路晶閘管關(guān)斷；若為過(guò)阻尼或臨界阻尼狀態(tài)，則電路中的電流在放電過(guò)程中不會(huì)改變方向，電容電流呈現(xiàn)非振蕩放電直至消耗電容內(nèi)部全部電能，而后支路晶閘管關(guān)斷，故過(guò)渡電阻不會(huì)影響振蕩過(guò)零。由于系統(tǒng)首次重合閘最短時(shí)間為300～400 ms，RLC回路具有充足時(shí)間完成振蕩過(guò)零，故可滿足斷路器的速效性。

附錄A圖A11（a）為MMC1系統(tǒng)電壓Udc與換流站出口處電壓Un。t0時(shí)刻發(fā)生雙極短路故障，系統(tǒng)電壓Udc下降。t1時(shí)刻，電壓鉗位支路并入電網(wǎng)，提高系統(tǒng)電壓Udc與換流站出口處電壓Un，通過(guò)電壓鉗位實(shí)現(xiàn)限流作用。t2時(shí)刻，線路電流迫降至零，換流站與故障點(diǎn)不再構(gòu)成回路，系統(tǒng)電壓Udc不再追隨換流站出口處電壓Un。圖A11（b）為MMC3系統(tǒng)電壓Udc3與換流站出口處電壓Un3，與MMC1相比，MMC3距離故障點(diǎn)較遠(yuǎn)，線路感抗較大，因此當(dāng)MMC3近端支路并入系統(tǒng)后，其出口處電壓Un3更穩(wěn)定，與MMC3系統(tǒng)電壓壓差更大，故障切除速度更快，遠(yuǎn)端換流器可立即恢復(fù)正常運(yùn)行模式。

快速機(jī)械開(kāi)關(guān)在電流轉(zhuǎn)移后0.5 ms達(dá)到一定開(kāi)距，自此之后代替晶閘管承擔(dān)電壓，故線路晶閘管組承受最大電壓值為故障切除時(shí)刻的電壓。附錄A圖A11（c）為本文所提斷路器與文獻(xiàn)［23］所提斷路器切除故障時(shí)線路晶閘管承受電壓UTm1與UTmL。當(dāng)切除故障時(shí)，文獻(xiàn)［23］所提斷路器支路電壓為400 kV，與換流器形成的電壓鉗位效果顯著，線路晶閘管組需要承受非常大的反向電壓UTmL，其最大值可達(dá)132 kV，導(dǎo)致其耐壓水平需求較高；本文所提斷路器的電壓鉗位支路輸出等級(jí)為280 kV，可精準(zhǔn)切除故障，同時(shí)降低線路晶閘管組承受電壓UTm1至25 kV。圖A11（d）為線路晶閘管組承受電壓，其與線路電感總值成正比，相比于近端故障時(shí)的線路晶閘管組電壓，遠(yuǎn)端故障時(shí)的線路晶閘管組電壓UTm6更大，可達(dá)63 kV。

4.2.2 母線故障

設(shè)置t0=2.2 ms時(shí)刻F2處發(fā)生母線雙極短路故障，假設(shè)保護(hù)系統(tǒng)在2.203 s時(shí)刻檢測(cè)到故障并向遠(yuǎn)端直流斷路器發(fā)送信號(hào)。

圖3（a）為母線故障電流，與圖2（a）所示線路故障電流相比，切除故障速率更快，其原因在于線路感抗較大。圖3（b）為電壓鉗位型斷路器并入電網(wǎng)后的電壓鉗位支路電流，其振蕩原理與上述原理相同。

圖3 母線故障期間電流Fig.3 Current during bus fault

附錄A圖A12（a）為母線故障切除過(guò)程，其與線路故障切除過(guò)程相仿，相較于圖A11（a）、（b）所示過(guò)程，母線故障時(shí)需通過(guò)遠(yuǎn)端斷路器切除故障，此時(shí)線路電感最大，使其電壓鉗位效果最為顯著，切除故障最快，故遠(yuǎn)端換流站經(jīng)過(guò)短暫波動(dòng)后即可恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，但故障切除后振蕩周期也最長(zhǎng)。圖A12（b）為線路晶閘管所承受的電壓，由4.2.1 節(jié)可知，線路晶閘管承受電壓與線路電感成正比，故母線故障期間的線路晶閘管所承受的最大反向電壓大于線路故障時(shí)期所承受的，UTm1最大值為74 kV。

4.2.3 閥側(cè)閉鎖

當(dāng)閥側(cè)閉鎖時(shí)，系統(tǒng)電壓再次降低，支路并入電網(wǎng)后電壓鉗位效果更為顯著。保持電壓鉗位支路電容C1、C2、C3不變，通過(guò)閉鎖后的系統(tǒng)電壓以及式（8）至式（11），得到切除故障所需電壓鉗位支路電壓等級(jí)UC=270 kV，并將新參數(shù)的電壓鉗位型斷路器于上述三端口直流電網(wǎng)仿真場(chǎng)景中進(jìn)行試驗(yàn)。附錄A圖A13（a）為閥閉鎖時(shí)的故障電流，相比于圖2（a）中的i13，其幅值小幅下降、最大值減小3%，故障切除速度增加10%；圖A13（b）為閥閉鎖時(shí)線路晶閘管組承受電壓，相比于圖A11（c）中的UTm1，其承受的最大電壓增大27.9%。

由此可知，閥側(cè)閉鎖后故障電流幅值與切除速度相差不大，但線路晶閘管所需耐壓水平大幅提高，故應(yīng)保證閥不閉鎖。

4.3 真雙極切斷驗(yàn)證

為證明本文所提斷路器適用于真雙極仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，搭建如附錄A圖A14所示的仿真模型，換流站參數(shù)如表2所示。假設(shè)t=2.2 s時(shí)刻分別發(fā)生換流站出口處單相接地故障F3以及極間故障F4。

表2 真雙極換流站參數(shù)Table 2 Parameters of true bipolar converter station

4.3 .1單極故障

設(shè)置t=2.2 s時(shí)刻發(fā)生單極故障F3，假設(shè)保護(hù)系統(tǒng)在2.203 s時(shí)刻檢測(cè)到故障并向直流斷路器發(fā)送信號(hào)，單極故障時(shí)各電氣量如圖4與附錄A圖A15所示。斷路器可在3 ms內(nèi)可靠切除故障，故障切除原理與4.2.1 節(jié)相同，故障電流幅值減小，切除故障速度相仿，但線路晶閘管承受反向電壓小幅增大，且本文所提斷路器應(yīng)用于真雙極場(chǎng)景時(shí)，僅正、負(fù)極與金屬回線間安裝與4.2.1 節(jié)同樣參數(shù)的斷路器即可，故整體經(jīng)濟(jì)性不變。

圖4 MMC1單極故障時(shí)的電氣量Fig.4 Electrical quantity of MMC1 in the case of single pole fault

4.3.2 極間故障

t=2.2 s時(shí)刻發(fā)生極間故障F4，假設(shè)保護(hù)系統(tǒng)在2.203 s時(shí)刻檢測(cè)到故障并向直流斷路器發(fā)送信號(hào)，極間故障時(shí)電氣量如圖5和附錄A圖A16所示。當(dāng)發(fā)生極間故障時(shí)，正、負(fù)極與金屬回線間斷路器同時(shí)動(dòng)作即可切除故障，無(wú)須額外安裝極間斷路器。斷路器可在3 ms內(nèi)切除故障，故障電流上升幅度較小，如圖5（a）和圖A16（a）所示。線路晶閘管承受反向電壓與單極接地情況相仿，如圖5（b）和圖A16（b）所示。極間故障時(shí)，所需鉗位電壓為兩倍系統(tǒng)級(jí)電壓，故需兩臺(tái)斷路器同時(shí)動(dòng)作以達(dá)到電壓鉗位效果，如圖5（c）和圖A16（c）所示。

圖5 MMC1極間故障時(shí)的電氣量Fig.5 Electrical quantity of MMC1 in the case ofpole-to-pole fault

綜合以上仿真分析，可確定本文所提出的直流斷路器適用于真雙極場(chǎng)景，可于3 ms內(nèi)精確切除故障，且斷路器整體經(jīng)濟(jì)性近似不變。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

為體現(xiàn)本文所提斷路器的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，將其與ABB式直流斷路器相對(duì)比。IGBT和晶閘管分別選擇5SNA2000K450300和5TP45Y8500型號(hào)。IGBT的額定電壓為4.5 kV，額定電流為2 kA，短時(shí)間內(nèi)允許通過(guò)最大電流為4 kA；晶閘管的額定電壓為8.5 kV，額定電流為4.24 kA，短時(shí)間內(nèi)允許通過(guò)最大電流為63.6 kA。

由于本文所提斷路器采用的無(wú)源器件沒(méi)有具體報(bào)價(jià)，故利用兩種斷路器所需器件數(shù)量衡量經(jīng)濟(jì)性。以本文仿真模型為例，ABB式直流斷路器與電壓鉗位型斷路器內(nèi)部器件所承受的電流、電壓峰值如表3所示。考慮上述峰值、電力電子元件額定值以及1.5倍安全裕度，列寫(xiě)出兩種斷路器所需電力電子元件和無(wú)源器件數(shù)量，如表4所示。與ABB式直流斷路器相比，電壓鉗位型斷路器共節(jié)約2 463個(gè)IGBT，大幅提升了經(jīng)濟(jì)性。

表3 斷路器內(nèi)器件的電流、電壓峰值Table 3 Peak current and voltage of components in circuit breaker

表4 斷路器所需器件數(shù)量Table 4 Number of components required for circuit breaker

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種以電壓鉗位為原理的新型多端口限流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到該拓?fù)渚哂幸韵绿攸c(diǎn)：

1）該斷路器通過(guò)電壓鉗位原理，使換流站出口處與換流站形成電壓鉗位以抑制故障電流，可大幅減小直流斷路器的關(guān)斷電流，保護(hù)換流站子模塊不閉鎖；

2）若發(fā)生非永久性電網(wǎng)故障，該斷路器可以使電網(wǎng)盡快恢復(fù)正常運(yùn)行，且利用H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使系統(tǒng)直接對(duì)支路電容充電，減少單獨(dú)充電環(huán)節(jié)；

3）該斷路器完全使用晶閘管，大幅提升了經(jīng)濟(jì)性，且一端換流站的多條線路端口可共用同一斷路器，進(jìn)一步擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)；

4）理論分析與仿真驗(yàn)證表明，所提直流斷路器具備故障快速清除能力，故障清除時(shí)間在3 ms以內(nèi)；具備快速重合閘能力，復(fù)位時(shí)間在30 ms以內(nèi)，在直流電網(wǎng)領(lǐng)域具有較高的適用性。

本文提出的多端口電壓鉗位型斷路器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不同部分之間的時(shí)序配合優(yōu)化有待進(jìn)一步驗(yàn)證和提高。此外，本文所提斷路器對(duì)相鄰線路在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生連鎖故障這種特殊情況的適應(yīng)性存在一定問(wèn)題，亟待進(jìn)一步研究應(yīng)對(duì)連鎖故障的解決方案。

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