基于換流驅(qū)動(dòng)電路的直流斷路器關(guān)鍵技術(shù)研究

趙北濤，王珍珍，范瑞卿，于清源

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司武清供電分公司，天津 301700；2.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010）

基于電壓源型換流器的多端柔性直流系統(tǒng)是解決新能源并網(wǎng)和消納問(wèn)題的有效技術(shù)手段之一[1]。直流斷路器DCCB（DC circuit breaker）能在數(shù)毫秒時(shí)間內(nèi)使直流側(cè)故障電流逐漸下降至0，是保證多端直流系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備[2-4]。

目前DCCB 的技術(shù)方案主要有兩種，分別是如圖1所示的基于有源人工過(guò)零的機(jī)械式DCCB[5-7]和如圖2 所示的基于全控型電力電子器件的混合式DCCB[8-11]。由圖1和圖2可知，無(wú)論是機(jī)械式DCCB還是混合式DCCB，都包括通流支路、換流支路和吸能支路3 條支路。DCCB 總電流If、通流支路電流Ims、換流支路電流Ic和吸能支路的電流Imov的正方向如圖1和圖2所示。

如圖1 所示，機(jī)械式DCCB 的通流支路由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)MS（mechanical switch）構(gòu)成[12-13]，換流支路由空氣觸發(fā)球隙TSG（triggered sphere gap）、電感L、預(yù)充電電容C構(gòu)成[5-7]，吸能支路由避雷器MOV（metal oxide varistor）構(gòu)成。

圖1 機(jī)械式DCCBFig.1 Mechanical DCCB

機(jī)械式DCCB 的工作原理為正常運(yùn)行時(shí)，電流由通流支路導(dǎo)通，DCCB處于微損耗狀態(tài)；一旦檢測(cè)到故障，待MS 分閘到一定距離后，觸發(fā)TSG，電容C放電，在通流支路和換流支路所構(gòu)成的回路中產(chǎn)生高頻電流Ihf，MS 過(guò)0熄弧，故障電流由通流支路轉(zhuǎn)移至換流支路；由于故障電流對(duì)C的充電效應(yīng)，DCCB 兩端電壓UCB逐漸抬升直至MOV 動(dòng)作；MOV動(dòng)作后，故障電流由換流支路轉(zhuǎn)移至吸能支路，UCB被限制為MOV 殘壓值（約1.5 p.u.）；隨著系統(tǒng)電抗所儲(chǔ)存的能量逐漸被MOV吸收，If逐漸下降；最后換流支路與系統(tǒng)振蕩而形成交變的殘余電流，該電流可由DCCB兩側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)來(lái)開(kāi)斷。

如圖2所示，混合式DCCB的通流支路由MS和輔助換流開(kāi)關(guān)LCS（load current switch）串聯(lián)而成[14]，其中LCS由3×3個(gè)電力電子模塊SM[10]構(gòu)成，換流支路由多個(gè)電力電子模塊SM 串聯(lián)而成，吸能支路由MOV 構(gòu)成。SM 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，每個(gè)SM 由兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）反向串聯(lián)而成，且每個(gè)IGBT帶有相應(yīng)的緩沖電路（由電阻、電容和二極管構(gòu)成）?；旌鲜紻CCB 的工作原理為正常運(yùn)行時(shí)，電流流經(jīng)通流支路，LCS 的運(yùn)行損耗為幾十千瓦；一旦檢測(cè)到故障，分別給LCS和換流支路發(fā)送關(guān)斷命令和導(dǎo)通命令，故障電流在LCS關(guān)斷過(guò)電壓的作用下轉(zhuǎn)移至換流支路；電流轉(zhuǎn)移完成后，待MS分閘到一定距離時(shí)給換流支路中的IGBT 發(fā)關(guān)斷命令，每個(gè)SM中的電流由IGBT轉(zhuǎn)移至RCD緩沖電路；由于故障電流對(duì)緩沖電容CS的充電效應(yīng)，UCB不斷抬升直至MOV 動(dòng)作，故障電流由換流支路轉(zhuǎn)移至吸能支路，If逐漸下降；最后換流支路與系統(tǒng)振蕩而形成交變的殘余電流，該電流可由DCCB 兩側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)來(lái)開(kāi)斷。

由以上兩種DCCB 的工作原理可知，電流由通流支路可靠轉(zhuǎn)移至換流支路是DCCB 成功開(kāi)斷故障電流的關(guān)鍵。

目前，機(jī)械式DCCB 中的電流轉(zhuǎn)移過(guò)程是由預(yù)充電電容C和TSG 完成。預(yù)充電電容C上的最高電壓約為1.5 p.u.，這使得電容的單獨(dú)供能系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。圖1 中，通過(guò)倒閘操作完成C的在線取電，即先合閘K1和MS，直流母線通過(guò)充電電阻RC對(duì)C進(jìn)行充電，充電完成后，再合閘K2。但當(dāng)發(fā)生線路故障時(shí)，直流母線電壓跌落，電容C的電壓難以實(shí)現(xiàn)電流開(kāi)斷。為了實(shí)現(xiàn)雙向電流的開(kāi)斷，圖1中采用了熄弧能力較弱的TSG，但TSG 在空氣燃弧時(shí)可能引發(fā)火災(zāi)。另外TSG 的熄弧能力取決于多種因素，例如觸頭燒蝕情況、空氣環(huán)境、燃弧時(shí)間、瞬態(tài)恢復(fù)電壓等，這意味著TSG 熄弧時(shí)刻不確定，其可能長(zhǎng)時(shí)間燃弧而縮短壽命。

混合式DCCB 中的電流轉(zhuǎn)移過(guò)程是由LCS 完成。由于LCS 由3×3 個(gè)電力電子模塊SM 構(gòu)成，一方面其成本昂貴，目前市場(chǎng)價(jià)格約為900 000￥；另一方面，其長(zhǎng)期通流會(huì)帶來(lái)幾十千瓦的運(yùn)行損耗，需加裝冷卻裝置，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

針對(duì)目前兩種DCCB所采用換流方式存在的問(wèn)題，本文首先研究了可應(yīng)用于兩種DCCB的換流驅(qū)動(dòng)電路CCDC（current commutation drive circuit），并分析了基于CCDC 的機(jī)械式DCCB 和混合式DCCB 的工作原理，建立了數(shù)學(xué)模型；然后，研究并解決了CCDC的供能及快速雙向觸發(fā)問(wèn)題；最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于CCDC的機(jī)械式和混合式DCCB的可行性。

1 基于CCDC 的DCCB 拓?fù)浼霸?/h2>

為克服前述機(jī)械式DCCB的預(yù)充電容和TSG及混合式DCCB 的LCS 的缺點(diǎn)，本節(jié)研究了基于CCDC 的機(jī)械式和混合式DCCB 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析了其換流原理。

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于CCDC的機(jī)械式和混合式DCCB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。如圖3所示，與基于TSG和預(yù)充電電容的機(jī)械式DCCB 相比，基于CCDC 的機(jī)械式DCCB 的通流支路和吸能支路保持不變，而換流支路由電容C和CCDC 串聯(lián)而成，此時(shí)電容不需預(yù)充電。如圖4 所示，與基于LCS 的混合式DCCB 相比，基于CCDC 的混合式DCCB 的吸能支路保持不變，通流支路不需LCS而僅由MS構(gòu)成，換流支路由多個(gè)SM與CCDC串聯(lián)而成。

圖4 基于CCDC 的混合式DCCBFig.4 Hybrid DCCB based on CCDC

CCDC 拓?fù)淙鐖D5 所示，其主要由預(yù)充電電容C1、快速導(dǎo)通開(kāi)關(guān)FCS（fast closing switch）和空心變壓器ACT（air core transformer）構(gòu)成。其中，r1和L1分別為ACT 原邊線圈的等效電阻和電感；r2和L2分別為ACT 副邊線圈的等效電阻和電感；M為ACT 原副邊線圈之間的互感；I1為原邊回路電流。C1與FCS以及ACT的原邊線圈構(gòu)成回路；ACT的副邊線圈串聯(lián)在DCCB的換流支路中。

圖5 CCDC 拓?fù)銯ig.5 Topology of CCDC

針對(duì)基于CCDC 的兩種DCCB，正常運(yùn)行時(shí)電流由通流支路導(dǎo)通，其運(yùn)行損耗幾乎可忽略不計(jì)。此時(shí)各支路電流關(guān)系為

一旦檢測(cè)到故障，先分閘MS，機(jī)械開(kāi)關(guān)燃弧。一定時(shí)間后，導(dǎo)通電力電子模塊SM和FCS，C1通過(guò)FCS和原邊線圈放電，并在通流支路和換流支路所構(gòu)成的環(huán)路中耦合出高頻電流Ihf。此時(shí)各支路電流關(guān)系為

當(dāng)Ihf=If時(shí)，Ims過(guò)0，機(jī)械開(kāi)關(guān)過(guò)0 熄弧，If由通流支路轉(zhuǎn)移至換流支路，Ihf被截?cái)嘀?。此時(shí)各支路電流關(guān)系可表示為

至此，兩種基于CCDC 的DCCB 完成了換流過(guò)程。圖3 和圖4 所示DCCB 的后續(xù)電流開(kāi)斷過(guò)程分別與圖1 和圖2 所示DCCB 的電流開(kāi)斷過(guò)程類(lèi)似，此處不再贅述。

1.2 換流原理及數(shù)學(xué)模型

如前所述，兩種基于CCDC 的DCCB 在換流時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)均為燃弧狀態(tài)。對(duì)于基于CCDC 的機(jī)械式DCCB，換流時(shí)副邊線圈以燃弧的MS和電容C作為負(fù)載，其等效電路如圖6所示，其狀態(tài)方程為

圖6 基于CCDC 的機(jī)械式DCCB 等效電路Fig.6 Equivalent circuit of mechanical DCCB based on CCDC

式中：l1為原邊回路的雜散電感；l0、r0分別為通流支路與換流支路的雜散電感和雜散電阻；l1、l0和r0由斷路器的位置排布決定，一般可分別取2 μH、5 μH 和40 mΩ；UFCS為FCS 的導(dǎo)通壓降，一般小于5 V；Umvs為MS 的弧壓，對(duì)于真空開(kāi)關(guān)，該值約為20 V；UC1為電容C1上的電壓；UC為電容C的電壓。

對(duì)于基于CCDC 的混合式DCCB，副邊線圈以燃弧的MS 和多個(gè)串聯(lián)的SM 作為負(fù)載；IGBT 導(dǎo)通時(shí)，串聯(lián)的SM可等效為電感l(wèi)sm串聯(lián)電阻rsm，其等效電路如圖7所示，其狀態(tài)方程為

圖7 基于CCDC 的混合式DCCB 等效電路Fig.7 Equivalent circuit of hybrid DCCB based on CCDC

式中，lsm、rsm分別為SM 的等效電感和電阻，其值與SM的串聯(lián)個(gè)數(shù)呈比例關(guān)系，這也意味著lsm、rsm與DCCB電壓等級(jí)呈比例關(guān)系。根據(jù)器件手冊(cè)[15]可知，對(duì)于雙向160 kV 斷路器，lsm、rsm可分別取40 μH和250 mΩ。

兩種DCCB的Ihf典型波形分別如圖8和圖9所示?？梢钥闯觯?dāng)正向故障電流+If＜Ihf_max或反向故障電流-If＞Ihf_min時(shí)，Ims即過(guò)0，故障電流可以由通流支路轉(zhuǎn)移至換流支路。由此，可利用(Ihf_min,Ihf_max)表征DCCB 中CCDC 的換流能力。在設(shè)計(jì)CCDC 的參數(shù)時(shí)，例如原副邊電感、互感、原邊電容C1及原邊電容預(yù)充電電壓UC10等，應(yīng)得到最大的換流能力。值得注意的是，兩種DCCB 的CCDC副邊線圈的負(fù)載參數(shù)大不相同，因此應(yīng)用于兩種DCCB的CCDC參數(shù)也不同。

圖8 基于CCDC 的機(jī)械式DCCB 中電流Fig.8 Current in mechanical DCCB based on CCDC

圖9 基于CCDC 的混合式DCCB 中電流Fig.9 Current in hybrid DCCB based on CCDC

應(yīng)用式（4）和式（5）所示的CCDC 的數(shù)學(xué)模型，可在確定CCDC 副邊線圈負(fù)載的前提下，以最大化換流能力(Ihf_min,Ihf_max)作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)CCDC 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低CCDC 的成本及體積。CCDC的優(yōu)化設(shè)計(jì)非本文研究重點(diǎn)，此處不予詳述。

2 換流驅(qū)動(dòng)電路的供電

在實(shí)際工程中，CCDC 的原邊電容C1需長(zhǎng)期帶有一定的電壓UC1，即處于熱備用狀態(tài)。一旦DCCB需要?jiǎng)幼?，需給FCS發(fā)觸發(fā)信號(hào)以實(shí)現(xiàn)換流。

MS 分閘時(shí)，副邊線圈電位為地電位；MS 合閘時(shí)，副邊線圈電位為系統(tǒng)電壓。由此，副邊線圈所處電位是浮動(dòng)的，C1的供電方案可分為地電位供電和懸浮供電兩種。若采用地電位供電，則CCDC中的原邊設(shè)備（例如L1、C1、FCS等）處于地電位，而副邊線圈所處電位可能為系統(tǒng)電壓，因此ACT 的原邊、副邊之間需要耐受系統(tǒng)電壓，這將增加ACT的體積、成本和制造難度?？紤]到DCCB 中其他設(shè)備（例如MS操動(dòng)機(jī)構(gòu)、IGBT驅(qū)動(dòng)等）都需要懸浮供電，因此原邊電容C1的供電可與其他設(shè)備共用1 個(gè)隔離變壓器實(shí)現(xiàn)懸浮供電。當(dāng)C1采用懸浮供電時(shí)，原邊、副邊線圈各有一端需與懸浮平臺(tái)共地連接。

為了實(shí)現(xiàn)C1放電之后的自動(dòng)儲(chǔ)能，本文設(shè)計(jì)了如圖10所示的C1單獨(dú)供電電路，而不需在線取電。

圖10 CCDC 的供電電路Fig.10 Power supply circuit for CCDC

圖10 中左邊部分為C1的供電電路，包括工頻隔離變壓器T1、電壓變換模塊、充電二極管DC、充電電阻RC、放電開(kāi)關(guān)KC。T1的原邊、副邊之間所能隔離的電壓取1.15×1.5 p.u.；電壓變換模塊可將輸入的220 V 交流電源轉(zhuǎn)換為輸出電壓在0～10 kV范圍內(nèi)可調(diào)的恒功率充電電源；電壓變換模塊經(jīng)過(guò)DC、RC與C1連接，構(gòu)成充電回路；當(dāng)DCCB檢修時(shí)，合閘放電開(kāi)關(guān)KC，以保證安全。

正常運(yùn)行時(shí)，電壓變換模塊輸出預(yù)設(shè)為一定值UC1，F(xiàn)CS為關(guān)斷狀態(tài)，電壓變換模塊經(jīng)DC、RC向C1充電，C1兩端電壓保持為UC1；DCCB 動(dòng)作過(guò)程中，F(xiàn)CS 導(dǎo)通，C1通過(guò)原邊線圈形成振蕩，以實(shí)現(xiàn)換流過(guò)程；FCS 關(guān)斷后，充電回路可在數(shù)秒內(nèi)自動(dòng)為C1充電至UC10。由于RC為百歐姆級(jí)電阻，充電回路的阻抗遠(yuǎn)大于放電回路，所以充電回路不會(huì)影響C1的放電過(guò)程，即不影響DCCB的換流特性。

當(dāng)電壓變換模塊出現(xiàn)故障失壓時(shí)，由于DC的單向?qū)щ娞匦裕珻1電壓仍可維持，并支撐DCCB 下次動(dòng)作。相比于可控半導(dǎo)體器件或接觸器，充電回路開(kāi)關(guān)采用不可控二極管DC的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、可靠性高、可實(shí)現(xiàn)C1的自動(dòng)儲(chǔ)能。

3 快速導(dǎo)通開(kāi)關(guān)FCS 的設(shè)計(jì)

如圖5 所示，CCDC 中的FCS 不僅需快速導(dǎo)通，還應(yīng)具有導(dǎo)通雙向電流的能力。為此，本文設(shè)計(jì)了如圖11 所示的FCS 子模塊結(jié)構(gòu)。每個(gè)子模塊包括晶閘管SCR[16]、反并聯(lián)二極管D1[17]、MOV 和RCD 緩沖電路。受限于SCR 和D1的耐壓水平，單個(gè)模塊的標(biāo)稱(chēng)耐壓一般為5 kV?？紤]1.5 倍裕量，單個(gè)模塊的工作電壓為3.3 kV，因此當(dāng)UC10＞3.3 kV 時(shí)，需考慮多個(gè)子模塊串聯(lián)構(gòu)成FCS。

圖11 雙向FCS 子模塊Fig.11 Submodule of bi-directional FCS

當(dāng)不給SCR 觸發(fā)信號(hào)時(shí)，SCR、D1承受圖5 所示正向電壓。觸發(fā)SCR導(dǎo)通后，原邊回路為欠阻尼電路，SCR 導(dǎo)通正向電流，D1導(dǎo)通反向電流。在撤銷(xiāo)觸發(fā)信號(hào)后，D1導(dǎo)通完成最后1個(gè)反向半波電流后，SCR不再續(xù)流，SCR和D1開(kāi)始承受電容C1上剩余電壓。CCDC 應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境復(fù)雜，原邊線圈上可能會(huì)感應(yīng)出過(guò)電壓，該過(guò)電壓可由MOV 限制，從而起到保護(hù)FCS 的作用。RCD緩沖電路有以下兩個(gè)作用。

（1）SCR 開(kāi)通瞬間，電容CS通過(guò)SCR 和RS放電，通過(guò)RS的限流作用，可減緩SCR開(kāi)通時(shí)的浪涌電流，減小晶閘管開(kāi)通時(shí)門(mén)極損壞風(fēng)險(xiǎn)。

（2）撤銷(xiāo)觸發(fā)信號(hào)后，最后1 個(gè)反向半波電流由D1導(dǎo)通完成后，SCR 不再導(dǎo)通，電流由CS和DS串聯(lián)支路導(dǎo)通。此時(shí)電流給CS充電以在子模塊上建立電壓UFCS，由于電容兩端電壓不能突變，從而減緩了UFCS的上升率。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于圖3 和圖4 所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)室搭建了20 kV 基于CCDC 的機(jī)械式DCCB 樣機(jī)和40 kV基于CCDC 的混合式DCCB 樣機(jī)，并采用了圖12 所示的低壓大電流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。

圖12 實(shí)驗(yàn)電路Fig.12 Test circuit

20 kV 基于CCDC 的機(jī)械式DCCB 樣機(jī)的電流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。在圖13中，t=0 ms時(shí)給MS發(fā)分閘命令，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，MS開(kāi)距足夠大；t=2.7 ms時(shí)觸發(fā)FCS導(dǎo)通，由于CCDC的作用，故障電流在t=3.1 ms 時(shí)完全由通流支路轉(zhuǎn)移至換流支路（Imvs下降至0，而Ic上升）。隨著故障電流給換流支路電容充電，DCCB 兩端電壓UCB逐漸上升，直至MOV動(dòng)作，電流被進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至吸能支路，此時(shí)UCB等于MOV 殘壓，約為33 kV。隨著電感殘余能量逐漸被吸收，UCB和故障電流逐漸下降，當(dāng)UCB小于MOV動(dòng)作電壓時(shí)，故障電流轉(zhuǎn)移至換流支路，此時(shí)的殘余電流由CDC、LDC及換流支路中的電容振蕩產(chǎn)生，該交變電流可由DCCB兩側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)分?jǐn)唷?/p>

圖13 基于CCDC 的機(jī)械式DCCB 的電流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Current breaking test results of mechanical DCCB based on CCDC

40 kV 基于CCDC 的混合式DCCB 樣機(jī)的電流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。在圖14中，t=0 ms時(shí)刻給MS發(fā)分閘命令，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，t=1.3 ms時(shí)觸發(fā)FCS導(dǎo)通，由于CCDC的作用，故障電流由通流支路轉(zhuǎn)移至換流支路（Imvs下降至0，而Ic上升）。當(dāng)MS開(kāi)距足夠大時(shí)，給換流支路的多個(gè)SM發(fā)關(guān)斷命令，電流由IGBT 模塊開(kāi)斷，故障先由SM 中的IGBT模塊轉(zhuǎn)移至SM 中的RCD 緩沖電路，再被轉(zhuǎn)移至吸能支路。此時(shí)UCB等于MOV殘壓，約為68 kV。隨著系統(tǒng)能量逐漸被吸收，故障電流逐漸下降，最后由緩沖電路中的電容通過(guò)CDC、LDC放電而產(chǎn)生殘余電流，該交變電流可由DCCB兩側(cè)的隔離開(kāi)關(guān)分?jǐn)唷?/p>

圖14 基于CCDC 的混合式DCCB 電流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Current breaking test results of hybrid DCCB based on CCDC

由于該實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注DCCB 的電流轉(zhuǎn)移及開(kāi)斷過(guò)程，因而并未在DCCB 兩端安裝隔離開(kāi)關(guān)，所以圖13和圖14中的殘余電流過(guò)0后未開(kāi)斷。

綜上，圖13 和圖14 所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于CCDC的機(jī)械式DCCB和混合式DCCB的可行性，為其后續(xù)的工程示范應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

（1）為克服現(xiàn)有機(jī)械式DCCB 中預(yù)充電電容和TSG及混合式DCCB中LCS的缺點(diǎn)，本文研究了基于CCDC的機(jī)械式和混合式DCCB的拓?fù)浼肮ぷ髟怼?/p>

（2）為解決CCDC 的供電問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了CCDC的電容的自動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

（3）為實(shí)現(xiàn)CCDC 的快速觸發(fā)和雙向?qū)?，本文設(shè)計(jì)了基于晶閘管和二極管的FCS電路具體拓?fù)洹?/p>

（4）本文分別對(duì)20 kV基于CCDC的機(jī)械式DCCB樣機(jī)和40 kV基于CCDC的混合式DCCB樣機(jī)分別進(jìn)行了電流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了兩種拓?fù)涞目尚行浴?/p>