混合式高壓直流斷路器的控制策略與實(shí)驗(yàn)研究

杜翼，江道灼，陳可，王玉芬，尹瑞，張弛

(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市310027)

0 引言

隨著近幾年電力電子技術(shù)的提高，基于電壓源型換流器的高壓直流輸電技術(shù)得到快速發(fā)展，使得多端直流輸電網(wǎng)絡(luò)在工程中得到應(yīng)用。與高壓交流輸電相比，高壓直流輸電的有功損耗相對(duì)較低，而無功損耗為零［1－3］。然而，高壓直流輸電系統(tǒng)中的阻抗相對(duì)較小，發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流會(huì)迅速上升。因此，需要快速、可靠的直流斷路器來隔離故障，為了在換流過程中盡量減少干擾，應(yīng)該在幾 ms內(nèi)清除故障［4－6］。

現(xiàn)有的高壓直流斷路器(機(jī)械型)能夠在幾十ms內(nèi)斷開電路，但對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)，現(xiàn)有的高壓直流斷路器遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。此外，機(jī)械型高壓直流斷路器需要添加無功元件來制造電流過零點(diǎn)?，F(xiàn)有的斷路器主要有:金屬回路轉(zhuǎn)換斷路器、中母線斷路器、中母線接地?cái)嗦菲?、大地回路轉(zhuǎn)換斷路器。這些斷路器和混合型高壓直流斷路器的差異主要在2個(gè)方面:(1)這些傳統(tǒng)的斷路器的動(dòng)作速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于混合式高壓直流斷路器，且電流是被轉(zhuǎn)移而不是開斷;(2)這些傳統(tǒng)的斷路器只適用于電壓等級(jí)相對(duì)較低的輸電系統(tǒng)［7－9］。

雖然近幾年直流斷路器技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但國(guó)內(nèi)外大多數(shù)的研究還基本處于樣機(jī)制作和驗(yàn)證階段，容量較小且集中在一些特殊的領(lǐng)域，無法投入工程應(yīng)用［10－11］。由于直流系統(tǒng)不存在電流過零點(diǎn)，因而直流電弧的熄滅比交流電弧困難得多。固態(tài)斷路器應(yīng)用絕緣型雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、集成門極換流晶閘管(insulated gate commutated thyristors，IGCT)等全控電力電子器件串(并)聯(lián)構(gòu)成固態(tài)開關(guān)回路，以實(shí)現(xiàn)直流電路的通斷，然而大量的全控型器件串并聯(lián)會(huì)產(chǎn)生較大的損耗［12－13］。本文采用一種混合式高壓直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠適用于相對(duì)較高的電壓等級(jí)，同時(shí)能夠在幾ms內(nèi)開斷短路電流，很好地滿足高壓直流輸電系統(tǒng)的需求;同時(shí)提出了一種故障預(yù)處理的控制策略，在故障發(fā)生時(shí)提前進(jìn)行換流，從而縮短故障發(fā)生后線路開斷的時(shí)間。最后利用PSCAD進(jìn)行建模仿真，同時(shí)制作單元樣機(jī)進(jìn)行降壓實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步說明提出的混合型高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性和可靠性。

1 限流式混合直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式直流斷路器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械開關(guān)S采用高速斥力開關(guān)，該裝置動(dòng)作時(shí)間短，可以顯著縮短直流斷路器的開斷時(shí)間;電力電子復(fù)合開關(guān)由IGBT閥組T1與晶閘管閥組T2串聯(lián)構(gòu)成，由于晶閘管的容量較大，靜態(tài)電阻也較大，其均壓(均流)技術(shù)亦較為成熟，因此該復(fù)合開關(guān)可以有效降低電力電子器件的串(并)聯(lián)數(shù)量及均壓(均流)難度;限流電路由限流電感L、晶閘管DL、DL'及能量釋放電阻RL構(gòu)成，故障發(fā)生時(shí)，L用于限制短路電流上升率，故障切除后，L中儲(chǔ)存的能量經(jīng)DL、DL'及RL釋放，并限制L的感應(yīng)過電壓;續(xù)流二極管D用于釋放電源出口與短路點(diǎn)間的線路阻抗中儲(chǔ)存的能量，故障切除后，線路阻抗經(jīng)續(xù)流二極管與短路點(diǎn)續(xù)流，其感應(yīng)過電壓不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響。

圖1 基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of DC hybrid circuit breaker with current limiting based on combinatorial electronic power switch

1.2 混合式高壓直流斷路器分閘特性

在線路正常運(yùn)行時(shí)，固態(tài)開關(guān)部分關(guān)斷，而電路都流經(jīng)機(jī)械開關(guān)。斷路器關(guān)斷時(shí)，此處換流方式以自然換流方式為例進(jìn)行說明。在關(guān)斷時(shí)由于固態(tài)開關(guān)部分與機(jī)械開關(guān)部分相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)混合式開關(guān)的軟關(guān)斷和快速分閘，限制機(jī)械觸頭燃弧，提高主觸頭分閘速度。

直流線路正常供電時(shí)，斷路器兩端電壓US為0，機(jī)械開關(guān)電流iS為電路正常電流，固態(tài)開關(guān)電流iT為0。在t1時(shí)刻混合式直流斷路器開始正常分閘動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)控制電路同時(shí)向固態(tài)開關(guān)部分發(fā)出導(dǎo)通動(dòng)作信號(hào)，向機(jī)械開關(guān)部分發(fā)出分閘信號(hào)。由于機(jī)械開關(guān)動(dòng)作時(shí)間相對(duì)固態(tài)開關(guān)部分慢得多，因此固態(tài)開關(guān)部分首先動(dòng)作準(zhǔn)備開始導(dǎo)通，但是由于此時(shí)機(jī)械開關(guān)部分仍然保持閉合狀態(tài)，機(jī)械開關(guān)兩端電壓US很小，一般達(dá)不到固態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通電壓，因此固態(tài)開關(guān)部分仍然保持關(guān)斷。

直到t2時(shí)刻機(jī)械開關(guān)開始脫扣燃弧，電弧電壓開始上升，當(dāng)t3時(shí)刻電弧電壓達(dá)到固態(tài)開關(guān)部分的導(dǎo)通電壓時(shí)，固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通，此時(shí)由于固態(tài)開關(guān)通態(tài)電阻比電弧電阻小，電流開始實(shí)現(xiàn)換流，機(jī)械開關(guān)部分電流下降，固態(tài)開關(guān)部分電流上升。到t4時(shí)刻電流完全轉(zhuǎn)移至固態(tài)開關(guān)部分，完成了電流的轉(zhuǎn)換過程，機(jī)械開關(guān)電流iS下降至0，而固態(tài)開關(guān)電流iT為此時(shí)線路電流。之后固態(tài)開關(guān)需要持續(xù)導(dǎo)通一段時(shí)間保證機(jī)械開關(guān)完全動(dòng)作以及絕緣恢復(fù)，直到t5時(shí)刻電弧完全熄滅，機(jī)械開關(guān)完成完全分閘，此時(shí)對(duì)固態(tài)開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，固態(tài)開關(guān)關(guān)斷，多余儲(chǔ)能由緩沖、吸收及放電回路釋放，混合式斷路器實(shí)現(xiàn)分閘作用。整個(gè)正常分閘過程如圖2所示。

圖2 混合式直流斷路器正常狀態(tài)下分閘波形圖Fig.2 Waveform of hybrid mechanical-static DC circuit breaker when it is switching off normally

1.3 斷路器切除短路故障時(shí)的分閘特性

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，混合式斷路器的切斷短路電流分閘過程與正常的分閘過程基本一致，當(dāng)檢測(cè)電路檢測(cè)到短路故障時(shí)，由驅(qū)動(dòng)控制電路向固態(tài)開關(guān)部分發(fā)出導(dǎo)通動(dòng)作信號(hào)，并向機(jī)械開關(guān)部分發(fā)出分閘信號(hào)進(jìn)行短路故障切除。只是由于短路發(fā)生，動(dòng)作過程中電流持續(xù)增大，且動(dòng)作過程中短路電流較正常切斷的運(yùn)行電流而言大很多。其動(dòng)作過程與換流特性可參見前文的闡述。

2 限流式混合直流斷路器的故障預(yù)處理控制策略

傳統(tǒng)的直流斷路器沿用了交流系統(tǒng)的故障處理方法，即通過接收上層控制系統(tǒng)的控制信號(hào)，或通過判斷線路瞬時(shí)電流值是否越限，來控制線路的通斷。而混合直流斷路器由于同時(shí)采用了機(jī)械開關(guān)與固態(tài)開關(guān)，且開斷時(shí)需經(jīng)過換流過程，這為一種故障預(yù)處理控制策略的實(shí)現(xiàn)提供了可能，其流程圖如圖3所示。

圖3 直流斷路器故障預(yù)處理控制策略示意圖Fig.3 Schematic diagram of fault pretreatment control strategy of DC circuit breaker

(1)當(dāng)直流系統(tǒng)電流瞬時(shí)值不超出閾值，且線路電流變化率不超出設(shè)定值時(shí)，判定為故障未發(fā)生，因此直流斷路器不預(yù)先進(jìn)行換流過程。若此時(shí)上層控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，則直流斷路器在收到信號(hào)后開始關(guān)斷流程。

(2)當(dāng)直流系統(tǒng)電流瞬時(shí)值超出閾值，但線路電流變化率始終未超出設(shè)定值時(shí)，判定為故障發(fā)生。在此情況下，直流斷路器無法預(yù)先進(jìn)行換流過程，只能在判定電流越限后開始關(guān)斷流程。

(3)當(dāng)線路電流變化率超出設(shè)定值，直流系統(tǒng)電流瞬時(shí)值尚未超出閾值時(shí)，判定為故障即將發(fā)生，開始進(jìn)行“預(yù)關(guān)斷”過程，即發(fā)出機(jī)械開關(guān)關(guān)斷信號(hào)與復(fù)合開關(guān)導(dǎo)通信號(hào)，將線路電流換流至復(fù)合開關(guān)回路，并開始計(jì)時(shí)。繼續(xù)檢測(cè)線路電流瞬時(shí)值，若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)電流值超出閾值，或接收到上層控制系統(tǒng)的關(guān)斷信號(hào)，則判定為故障發(fā)生，直接向復(fù)合開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，繼續(xù)完成斷路器關(guān)斷流程;若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)電流值始終未超出閾值，或未接收到上層控制系統(tǒng)的關(guān)斷信號(hào)，則發(fā)出機(jī)械開關(guān)導(dǎo)通信號(hào)，在機(jī)械開關(guān)閉合后斷開復(fù)合開關(guān)回路，重新將線路電流換流至機(jī)械開關(guān)回路，直流斷路器恢復(fù)正常運(yùn)行。

相比傳統(tǒng)的故障處理方法，本文提出的故障預(yù)處理控制策略可以在電流越限前進(jìn)行換流，從而縮短故障發(fā)生后線路開斷的時(shí)間。若提前換流后故障沒有發(fā)生，則在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，雖然直流斷路器的損耗有所增大(由機(jī)械開關(guān)的導(dǎo)通損耗增大至復(fù)合開關(guān)的導(dǎo)通損耗)，但并不會(huì)對(duì)線路的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

根據(jù)上述分析，當(dāng)情況(2)發(fā)生時(shí)，直流斷路器無法預(yù)先進(jìn)行換流過程，這種情況可以通過減小線路電流變化率的設(shè)定值來避免。當(dāng)直流線路的等效負(fù)載電阻R突然減小時(shí)，線路可用以下微分方程表示:

式中:i為直流電流瞬時(shí)值;L為本文提出的限流式混合直流斷路器的限流電路電感(忽略線路阻抗)。解之得:

由式(2)可知，當(dāng)R突然減小時(shí)，直流電流由額定值I逐漸上升至Udc/R。在該過程中，直流電流變化率不斷減小至0，其最大值為

由式(2)～(3)可知，在L確定的情況下，R越小，直流電流的變化率及其終值越大。設(shè)定直流電流允許閾值為1.25I，則 R的允許值為0.8Udc/I。將其代入式(3)得:

將式(4)作為線路電流變化率的設(shè)定值，當(dāng)檢測(cè)到電流變化率大于該值時(shí)，可證明線路電流終值將大于1.25I，因此需進(jìn)行“預(yù)關(guān)斷”過程;當(dāng)電流變化率小于該值時(shí)，則不進(jìn)行“預(yù)關(guān)斷”過程。

根據(jù)以上分析，故障預(yù)處理控制策略可縮短的線路開斷時(shí)間為直流電流開始上升至超出電流閾值所經(jīng)歷的時(shí)間。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重接地故障，且接地故障電阻為0時(shí)，可算得:

式中Δt為故障預(yù)處理控制策略可縮短的線路開斷時(shí)間。當(dāng)接地故障電阻不為0時(shí)，可算得:

3 建模仿真

3.1 機(jī)械開關(guān)的建模仿真

機(jī)械開關(guān)在開斷短路電流的過程中會(huì)產(chǎn)生電弧，為了真實(shí)地模擬機(jī)械開關(guān)的特性，仿真模型中機(jī)械開關(guān)利用電弧模型進(jìn)行模擬。Cassie電弧模型比較適合低電阻電弧以及大電流燃弧期間的電弧建模，在交流電弧理論中主要用于電流過零點(diǎn)前的電弧描述。而針對(duì)直流系統(tǒng)，由于不存在電流過零點(diǎn)，采用此模型較其他模型可以相對(duì)準(zhǔn)確地反映直流電路中電弧的外部特性，對(duì)于不存在震蕩換流回路的直流斷路器的研制具有較為重要的理論意義。

電弧模型表示為如下方程:

式中:τ為模型中的電弧時(shí)間常數(shù);g表示電弧電導(dǎo);u和 uc則分別代表電弧電壓與電弧電壓常量［14－17］。

Cassie電弧模型表達(dá)了電弧電壓、電弧電導(dǎo)、時(shí)間常數(shù)、電弧電壓常數(shù)之間的關(guān)系，將電弧時(shí)間常數(shù)與電弧電壓常量視為常值處理。利用PSCAD建立電弧仿真模型如圖4所示，開斷過程電弧電阻變化如圖5所示。

圖4 電弧仿真模型Fig.4 Arc simulation model

3.2 斷路器的建模與仿真

利用PSCAD仿真軟件對(duì)所提出的限流式直流斷路器進(jìn)行建模仿真。仿真參數(shù)如下:直流電源40kV;機(jī)械開關(guān)S為高速開關(guān)，電弧模型采用Cassie電弧模型如3.1節(jié)所述;固態(tài)開關(guān)開通時(shí)間10 μs，關(guān)斷時(shí)間400 μs(即SCR閥組T2的導(dǎo)通時(shí)間和零電流下正向阻斷能力恢復(fù)時(shí)間);緩沖電路 CT=100 μF、RT=50 Ω;限流電路 L=20 mH、RL=2 Ω;負(fù)載電阻 R=20 Ω，忽略線路阻抗。假設(shè)在t=0.5 s時(shí)發(fā)生短路故障，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 開斷電弧電阻變化Fig.5 Arc resistance change during circuit current interrupting

圖6 直流斷路器仿真波形圖Fig.6 Simulation waveforms of DC circuit breaker

如上所述0.5 s時(shí)線路負(fù)載發(fā)生接地短路故障，由于采用故障預(yù)處理控制策略，故障判斷時(shí)間幾乎可以忽略。機(jī)械開關(guān)S在0.3 ms時(shí)基本完成換流，即電力電子復(fù)合開關(guān)于0.500 3 s導(dǎo)通。0.503 s，機(jī)械開關(guān)S完成零電壓下的分閘過程，此時(shí)向電力電子復(fù)合開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號(hào)。IGBT閥組迅速斷開，約400 μs后晶閘管閥組T2亦恢復(fù)正向阻斷能力，電力電子復(fù)合開關(guān)完全關(guān)斷，短路故障被切除。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所述的高壓直流斷路器的有效性和合理性，進(jìn)行了降壓實(shí)驗(yàn)，制作了一個(gè)電壓等級(jí)為50 V的混合式直流斷路器的單元樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，電路器件參數(shù)如下:緩沖電路CT=47 μF、RT=50 Ω;限流電路 L=50 mH、RL=2 Ω;負(fù)載電阻R=50 Ω。由于不存在低壓實(shí)驗(yàn)的高速斥力開關(guān)，為達(dá)到快速開斷的要求，采用固態(tài)開關(guān)進(jìn)行模擬。

為了驗(yàn)證上文所述的直流斷路器分閘過程的相關(guān)特性，利用單元樣機(jī)，進(jìn)行了短路實(shí)驗(yàn)。換流過程的實(shí)驗(yàn)波形圖如圖7所示。t1時(shí)刻之前裝置工作在正常狀態(tài)，t1時(shí)刻發(fā)生短路故障;t2時(shí)刻模擬高速斥力開關(guān)斷開，IGBT閥組和晶閘管閥組閉合;t3時(shí)刻IGBT閥組和晶閘管閥組斷開;t3之后的時(shí)間段為能量釋放階段。

圖7 直流斷路器實(shí)驗(yàn)波形圖Fig.7 Testing waveforms of DC circuit breaker

圖8 為IGBT閥組和晶閘管閥組開關(guān)過程的實(shí)驗(yàn)波形圖。在t1時(shí)刻，IGBT閥組先斷開，t2時(shí)刻晶閘管閥組斷開。從實(shí)驗(yàn)波形圖可以看出，在t1到t2時(shí)間內(nèi)，IGBT閥組需要短時(shí)承受一個(gè)電壓，與理論分析相同，由于緩沖電容的存在，短時(shí)電壓值在能夠接受范圍。在晶閘管閥組關(guān)斷之后，即t2時(shí)間以后，相較于IGBT閥組，晶閘管閥組的靜態(tài)電阻更大，從圖8中可以看出靜態(tài)時(shí)，IGBT閥組承受的電壓遠(yuǎn)小于晶閘管閥組靜態(tài)分壓。

圖8 IGBT與晶閘管斷開過程波形圖Fig.8 Waveforms of IGBT and thyristor interrupting process

5 結(jié)語

本文詳細(xì)地?cái)⑹隽嘶旌鲜礁邏褐绷鲾嗦菲鞯墓ぷ髟怼Ｌ岢隽艘环N故障預(yù)處理控制策略;利用PSCAD對(duì)Cassie電弧模型和整個(gè)混合式直流斷路器進(jìn)行建模仿真，同時(shí)制作了單元樣機(jī)，進(jìn)行了降壓實(shí)驗(yàn);仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在系統(tǒng)發(fā)生短路情況下，混合式直流斷路器能夠快速地開斷短路電流，還可以在直流線路分?jǐn)嗪鬄橹绷骶€路及負(fù)載中儲(chǔ)存的能量提供釋放回路，同時(shí)利用晶閘管閥組與IGBT閥組串并聯(lián)，有效地節(jié)省了 IGBT的數(shù)量，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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