500 kV整流型混合式高壓直流斷路器

石　巍, 曹冬明, 楊　兵, 呂　瑋, 王文杰, 劉　彬

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇省南京市 211102)

0　引言

基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)具有獨立調(diào)節(jié)有功及無功功率、諧波含量小等特點，構(gòu)建柔性直流電網(wǎng)對于大規(guī)模新能源并網(wǎng)和提高電網(wǎng)大規(guī)模遠距離輸電能力具有重大的意義[1-3]。高壓直流斷路器作為柔性直流電網(wǎng)中的故障快速隔離裝置，是構(gòu)建直流電網(wǎng)的關(guān)鍵設備，缺少高壓直流斷路器將極大地影響柔性直流電網(wǎng)的運行靈活性及供電可靠性，嚴重制約柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展及應用[4-5]。

目前高壓直流斷路器主要分為機械式高壓直流斷路器、全固態(tài)高壓直流斷路器以及混合式高壓直流斷路器。機械式高壓直流斷路器利用電感—電容(LC)振蕩創(chuàng)造過零點實現(xiàn)關(guān)斷，通態(tài)損耗低、耐壓強度高，但關(guān)斷時間需數(shù)十毫秒，無法滿足直流電網(wǎng)快速隔離和重啟的要求[6-8]。全固態(tài)高壓直流斷路器基于半導體開關(guān)器件，關(guān)斷速度極快，但通態(tài)損耗過大、成本高[9-11]?；旌鲜礁邏褐绷鲾嗦菲骶C合前兩者優(yōu)點，通態(tài)損耗低且開斷速度快，是目前研究的熱點[12-18]。2012年ABB公司研制了基于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)直串技術(shù)與快速機械開關(guān)的320 kV/9 kA的樣機模型，并成功進行了80 kV模塊單元試驗，開斷時間5 ms，最大開斷電流9 kA[12]。2016年全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研制的基于H橋級聯(lián)的200 kV高壓直流斷路器成功應用于舟山五端柔性直流輸電工程中，開斷時間為3 ms，最大開斷電流15 kA[17]。ABB公司和全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院的混合式高壓直流斷路器，為了實現(xiàn)雙向電流開斷并承受開斷暫態(tài)過電壓，其電力電子開斷閥組在正反兩個方向分別串聯(lián)了大量的IGBT。但實際在任意一個方向的電流開斷過程中，只有一半IGBT參與關(guān)斷并承受過電壓，器件利用率低，經(jīng)濟性差。

基于上述混合式高壓直流斷路器存在的問題，本文提出了一種整流型混合式高壓直流斷路器電路拓撲，分斷支路采用橋式換向閥組和單向開斷閥組，使得IGBT的數(shù)量減半，降低了設備造價，同時提高了設備可靠性，具有更好的工程應用前景。

作為涉及開關(guān)、大功率半導體等多技術(shù)領域的新型高端電力電子設備，對混合式高壓直流斷路器本體以及與直流系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方面的研究也還不夠深入。本文對斷路器自身分閘控制策略和合閘控制策略進行了深入分析，以滿足未來實際工程的應用需求。文中最后介紹了500 kV/25 kA/3 ms整流型混合式高壓直流斷路器樣機，并通過實驗驗證了拓撲的可行性和有效性。

1　電路拓撲、工作原理及控制策略

1.1　拓撲結(jié)構(gòu)

整流型混合式高壓直流斷路器電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由通流支路和分斷支路并聯(lián)構(gòu)成。其中，通流支路包括高速機械開關(guān)S1和與其串聯(lián)連接的通流閥組Q1。分斷支路采用橋式整流結(jié)構(gòu)，包括橋式換向閥組和單向開斷閥組。橋式換向閥組由4組換向閥組D1至D4構(gòu)成，每個換向閥組由多個二極管同向串聯(lián)構(gòu)成。單向開斷閥組包括分斷閥組Q2和非線性電阻MOV1，分斷閥組Q2由多個IGBT同向串聯(lián)構(gòu)成，非線性電阻MOV1由避雷器組構(gòu)成。本文所提拓撲區(qū)別于其他拓撲[12,17]的主要特征在于分斷支路：二極管串聯(lián)閥組形成的橋式整流結(jié)構(gòu)，故而命名為整流型混合式高壓直流斷流器。

圖1　整流型混合式高壓直流斷路器電路拓撲Fig.1　Topology of commutation-basedhybrid HVDC circuit breaker

通流支路中，高速機械開關(guān)S1接觸電阻只有幾十微歐，且通流閥組Q1由少量IGBT串并聯(lián)組成，導通壓降低，使得高壓直流斷路器的通流損耗低。分斷支路中，換向閥組D1至D4和分斷閥組Q2用于短時承受直流系統(tǒng)故障電流和暫態(tài)分斷過電壓，非線性電阻MOV1用于吸收直流系統(tǒng)中的故障能量和抑制分閘過電壓。換向閥組D1至D4的二極管串聯(lián)數(shù)量和分斷閥組Q2的IGBT串聯(lián)數(shù)量取決于非線性電阻MOV1的保護水平和半導體器件的額定電壓。

與現(xiàn)有拓撲結(jié)構(gòu)相比，本文提出的拓撲結(jié)構(gòu)利用橋式換向閥組進行電流換向，使得單向開斷閥組能夠開斷雙向直流電流，因此節(jié)省了一半數(shù)量的IGBT。由于單個IGBT器件電壓和電流水平有限，為滿足高壓等級的大電流開斷，需要采用大量IGBT器件串、并聯(lián)。目前商用壓接式IGBT價格約是相同電壓等級二極管的10倍，因此本拓撲結(jié)構(gòu)的成本優(yōu)勢很明顯。與此同時，IGBT數(shù)量的降低帶來驅(qū)動控制板卡的數(shù)量減少，使得設備可靠性也得以提升。

1.2　工作原理

整流型混合式高壓直流斷路器開斷故障電流過程中的波形示意圖如圖2所示(以圖1電流方向1→2為例，反方向原理相同)，其中ibrk和ubrk分別為直流斷路器總電流和兩端電壓;iS1，iQ1，iD1，iD4，iD2，iD3，iQ2，iMOV1分別為高速機械開關(guān)S1電流、通流閥組Q1電流、換向閥組D1電流、換向閥組D4電流、換向閥組D2電流、換向閥組D3電流、分斷閥組Q2電流和非線性電阻MOV1電流。

圖2　整流型混合式高壓直流斷路器開斷過程中波形示意圖Fig.2　Breaking waveforms of hybrid HVDC circuit breaker

開斷步驟如下所示。

t0至t1階段：t0時刻線路發(fā)生短路故障，線路電流開始上升，電流全部流過通流支路，如圖3(a)所示。此時直流斷路器工作在導通狀態(tài)，通流支路中高速機械開關(guān)S1和通流閥組Q1均開通，分斷支路中的分斷閥組Q2處于關(guān)斷狀態(tài)。

t1至t2階段：當直流斷路器收到分閘指令時，直流斷路器首先開通分斷閥組Q2，然后關(guān)斷通流閥組Q1。此時通流閥組Q1關(guān)斷后會產(chǎn)生換流電壓，強迫通流支路中的電流轉(zhuǎn)移到已開通的分斷支路中，電流通路如圖3(b)所示，換向閥組D1/D4正向?qū)āQ向閥組D2/D3反向截止。換流時間與換流電壓、回路雜散電感有關(guān)，換流電壓越大，換流時間越??；回路雜散電感越小，換流時間越小。

t2至t3階段：當通流支路中的電流全部轉(zhuǎn)移至分斷支路后，打開高速機械開關(guān)S1，實現(xiàn)無壓無弧分斷。電流通路如圖3(c)所示。

t3至t4階段：當高速機械開關(guān)S1打開到位，建立足夠絕緣能力后，關(guān)斷分斷閥組Q2，分斷閥組Q2兩端產(chǎn)生瞬時過電壓。由于通流支路中高速機械開關(guān)S1的阻抗遠遠大于通流閥組Q1的阻抗，因此絕大部分過電壓施加于高速機械開關(guān)S1斷口兩端。當過電壓超過非線性電阻MOV1的參考電壓值時，電流轉(zhuǎn)移至非線性電阻MOV1并進行能量耗散，電流通路如圖3(d)所示。當線路電流降為0后，完成整個開斷過程。

圖3　直流斷路器分閘過程各階段的電流通路Fig.3　Current flows at different stagesin the breaking procedure

1.3　控制策略

1.3.1預分閘控制策略

高速機械開關(guān)在零電壓零電流條件下從接收到分閘指令開始至達到足夠的絕緣能力大致需要2 ms的時間，占用了整個混合式高壓直流斷路器分閘過程中的大部分時間。因此，可以應用預分閘控制策略提前將高速機械開關(guān)打開，將大大縮短混合式高壓直流斷路器的分閘時間和降低系統(tǒng)故障電流[17]。

預分閘控制策略為：通過高速故障檢測方法判斷出故障線路，提前將該線路中的直流斷路器電流換流至分斷支路并打開高速機械開關(guān)，等待保護系統(tǒng)分閘指令。如果接收到保護系統(tǒng)的分閘指令，則繼續(xù)執(zhí)行分閘操作將故障電流清除；反之，如果沒有接收到保護系統(tǒng)的分閘指令，則閉合高速機械開關(guān)和開通通流閥組，將電流換流至通流支路。

直流斷路器在柔性直流電網(wǎng)中的典型配置方案如附錄A圖A1所示，從直流母線接入后經(jīng)電抗器連接于輸電線路。高速故障檢測方法需要采集母線電壓、線路電壓和線路電流，當下面任一判據(jù)條件滿足時則啟動預分閘控制，提前打開高速機械開關(guān)。

1)電流幅值：線路電流幅值大于保護閾值。

2)電流變化量：線路電流di/dt絕對值大于保護閾值。

3)線路電壓幅值：線路電壓幅值小于保護閾值。

4)線路電壓變化率：線路電壓du/dt絕對值大于保護閾值。

5)母線電壓幅值：母線電壓幅值小于保護閾值。

為了保證高速檢測方法的快速性和可靠性，電壓采樣和電流采樣的延時要盡量小。

附錄A圖A2給出了采用預分閘控制策略下的仿真結(jié)果。和未采用預分閘控制策略仿真結(jié)果相比，雖然直流斷路器整體分閘時間仍為3 ms，但是直流斷路器提前了2 ms開始動作，故障電流從25 kA降為17 kA。仿真結(jié)果驗證了預分閘控制策略的有效性。

1.3.2軟合閘控制策略

混合式高壓直流斷路器常規(guī)合閘控制策略為：首先開通分斷支路，然后閉合高速機械開關(guān)和開通通流閥組，最后關(guān)斷分斷支路。但是在直流斷路器實際應用場合，如換流站給輸電線路充電或者換流站孤島從直流線路啟動，通過上述合閘控制策略直接閉合直流斷路器會產(chǎn)生過電壓和系統(tǒng)振蕩，影響系統(tǒng)安全可靠運行。如果在直流斷路器外串聯(lián)配置并聯(lián)連接的電阻和旁路開關(guān)，可以實現(xiàn)輸電線路或換流站的預充電，但是額外增加了設備占地和成本。

混合式高壓直流斷路器的分斷支路為了承受較高的分斷過電壓，通過大量的功率半導體器件串聯(lián)構(gòu)成。為了提高功率半導體器件的串聯(lián)均壓效果和降低制造難度，高壓的分斷支路往往通過多個中壓的分斷支路串聯(lián)構(gòu)成(見附錄A圖A3)，每個中壓分斷支路中均含有非線性電阻?；谠撾娐方Y(jié)構(gòu)，本文提出一種軟合閘控制策略，采用逐組開通中壓分斷支路的方法，通過處于關(guān)斷狀態(tài)的中壓分斷支路的非線性電阻給輸電系統(tǒng)預充電。具體軟合閘控制策略為：首先逐組開通中壓分斷支路，然后閉合通流支路，最后關(guān)斷分斷支路。在逐組開通中壓分斷支路過程中，開通當前組中壓分斷支路后判斷輸電系統(tǒng)是否發(fā)生故障。若未發(fā)生故障，繼續(xù)開通下一組中壓分斷支路直至所有中壓分斷支路全部開通，然后閉合通流支路，最后關(guān)斷分斷支路，完成合閘全部操作；若發(fā)生故障，則分斷所有組已開通的中壓分斷支路，并中止合閘操作。

附錄A圖A4給出了采用軟合閘控制策略下的仿真結(jié)果。和常規(guī)合閘控制策略相比，采用軟合閘控制策略時不存在合閘操作過電壓和電壓振蕩。仿真結(jié)果驗證了軟合閘控制策略的有效性。

該軟合閘控制策略不僅適合直流斷路器的正常合閘操作，而且適用于故障開斷后的重合閘操作。

2　樣機研制

為了驗證本文所提拓撲結(jié)構(gòu)的可行性和有效性，研制了一臺500 kV整流型混合式高壓直流斷路器樣機，樣機主要技術(shù)參數(shù)為：額定電壓 500 kV，額定電流 3 kA，分斷電流 25 kA，分閘時間小于3 ms。樣機照片如附錄A圖A5所示。

第二，引發(fā)資源變革。通過VR、AR 等技術(shù)將視聽做到極致，模糊虛擬與現(xiàn)實的界限，讓遠程培訓也可以做到身臨其境。

通流支路的通流閥組Q1由少量IGBT串并聯(lián)構(gòu)成，具有低導通損耗和高可靠性。通流閥組Q1因為長期承受額定電流，需要配置水冷系統(tǒng)。為了便于水冷系統(tǒng)的接入和降低水冷系統(tǒng)對其余設備的影響，通流閥組Q1布置于通流支路閥塔的最底層。通流支路的高速機械開關(guān)S1由多個由電磁斥力機構(gòu)驅(qū)動的真空開關(guān)串聯(lián)組成，布置于通流支路閥塔的上方。

分斷支路由10個50 kV中壓分斷支路串聯(lián)構(gòu)成，布置于2個分斷支路閥塔內(nèi)，每個閥塔各5層。為了實現(xiàn)大電流開斷，IGBT采用4.5 kV/3 kA壓接式器件，通過提高IGBT的驅(qū)動門極電壓，可以實現(xiàn)最大5倍額定電流的電流開斷能力。分斷閥組Q2采用IGBT兩并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以開斷25 kA故障電流。非線性電阻MOV1為80 kV保護水平的避雷器組。分斷支路在直流斷路器正常通流期間沒有電流流過，因此不需要配置冷卻系統(tǒng)。

3　實驗驗證

為了測試500 kV整流型混合式高壓直流斷路器的電流開斷性能，搭建了如附錄A圖A6所示的試驗回路。高壓直流電流源通過隔離刀閘K給電容器C充電，電容器C充好電后斷開隔離刀閘K，觸發(fā)導通晶閘管T使得電容器C通過電抗器L放電產(chǎn)生大電流，500 kV直流斷路器進行電流開斷測試，二極管D起到續(xù)流保護作用。

圖4給出了500 kV整流型混合式高壓直流斷路器25 kA開斷電流下的電壓、電流波形。當晶閘管T觸發(fā)導通后，LC振蕩電流全部流過斷路器樣機通流支路并持續(xù)上升。3 ms后，高壓直流斷路器接收到分閘指令，通流支路中的通流閥組Q1關(guān)斷，產(chǎn)生換流電壓，迫使電流從通流支路向分斷支路換流，期間總電流仍呈上升趨勢，換流電流約20 kA，時間小于300 μs。換流完成后，電流全部流過分斷支路中，通流支路中電流為0，此時無弧無壓打開高速機械開關(guān)S1，該過程持續(xù)約2 ms。待高速機械開關(guān)打開到位后總電流約25 kA，此時關(guān)斷分斷支路中的分斷閥組Q2，電流轉(zhuǎn)移至非線性電阻MOV1進行耗散，總電流開始下降直至0，完成開斷過程。開斷期間高壓直流斷路器兩端產(chǎn)生瞬時暫態(tài)過電壓，約800 kV。從高壓直流斷路器接收到分閘控制命令至總電流開始下降時間總共約2.9 ms(小于3 ms)。

圖4　25 kA電流開斷下電壓和電流波形Fig.4　Voltage and current waveforms with 25 kA current breaking

通過上述實驗結(jié)果，證明了整流型混合式高壓直流斷路器拓撲的可行性和有效性。

4　結(jié)語

高壓直流斷路器能夠起到交流電網(wǎng)中交流斷路器的作用，可以豐富柔性直流電網(wǎng)的運行方式。本文針對混合型直流斷路器進行了深入研究。主要結(jié)論如下。

1)提出了一種整流型混合式高壓直流斷路器電路拓撲，該拓撲相較于現(xiàn)有混合式拓撲，理論上可以節(jié)省一半的IGBT器件數(shù)量，經(jīng)濟性好，可靠性高。

2)研究了直流斷路器控制策略，提出了預分閘控制策略和軟合閘控制策略，縮短了分閘時間和減小了合閘操作沖擊。

3)在以上研究基礎上研制了500 kV高壓直流斷路器樣機，可開斷25 kA電流，且開斷時間小于3 ms，充分證明了本文所提出的整流型混合式直流斷路器電路拓撲的正確性和可行性。

為進一步優(yōu)化整流型混合式高壓直流斷路器，下一步的研究內(nèi)容如下。

1)對于整流型混合式高壓直流斷流器，可進一步定量分析和研究其經(jīng)濟性、可靠性，以明確相比于其他混合式斷路器的優(yōu)勢。

2)在控制策略方面，有必要從短路電流抑制、降低系統(tǒng)操作沖擊等方面，進一步研究預分閘策略、軟合閘控制策略在多端柔性直流電網(wǎng)中的應用效果。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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石巍(1987—)，男，通信作者，碩士研究生，主要研究方向：電力電子在電力系統(tǒng)中的應用。E-mail： shiwei2@nrec.com

曹冬明(1973—)，男，教授級高級工程師，主要研究方向：高壓大功率電力電子技術(shù)。E-mail: caodm@nrec.com

楊兵(1982—)，男，碩士研究生，主要研究方向：高壓大功率電力電子技術(shù)。E-mail: yangb@nrec.com