高壓直流斷路器在柔性直流工程中的應(yīng)用研究

侯瑋琳

（華北電力大學(xué)，北京102206）

1 概述

隨著化石能源的逐漸枯竭以及由此帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境不斷惡化等問(wèn)題，世界各國(guó)廣泛開(kāi)展對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用。除常規(guī)的火力發(fā)電廠外，風(fēng)電場(chǎng)與光伏電站逐漸在電力系統(tǒng)發(fā)電端的興起，給輸配電網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為解決采用交流輸電技術(shù)存在的電力系統(tǒng)調(diào)峰、電力系統(tǒng)安全、電能質(zhì)量等諸多問(wèn)題，直流輸電因在穩(wěn)定性和容量方面都有著很大優(yōu)勢(shì)而得到廣泛關(guān)注。

柔性直流輸電技術(shù)是一種基于可關(guān)斷半導(dǎo)體器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的新型直流輸電技術(shù)，在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功儲(chǔ)備、改善電能質(zhì)量、增加系統(tǒng)對(duì)清潔能源的消納能力以及提高配電網(wǎng)可靠性和靈活性等方面都具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)?；谀K化多電平換流器的柔性直流輸電技術(shù)相比于傳統(tǒng)常規(guī)直流輸電技術(shù)，具有環(huán)保性好、占地面積小、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，適用于太陽(yáng)能等清潔能源并網(wǎng)、孤島（無(wú)源負(fù)荷）供電、大型城市供電等應(yīng)用領(lǐng)域，是構(gòu)建智能電網(wǎng)的重要技術(shù)手段。目前國(guó)內(nèi)己投運(yùn)的柔直工程多為兩端輸電系統(tǒng)，多端柔性直流輸電則是在兩端柔性直流輸電技術(shù)基礎(chǔ)上的一個(gè)重大技術(shù)躍變，采用3 個(gè)及以上換流站，通過(guò)不同方式連接起來(lái)構(gòu)成多端柔直系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電和多落點(diǎn)受電。

然而，由于直流系統(tǒng)的阻尼相對(duì)較低，相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的故障發(fā)展更快，控制保護(hù)難度更大。一旦直流線路發(fā)生故障，無(wú)法通過(guò)自身動(dòng)作實(shí)現(xiàn)故障電流的清除，必須配備快速可靠的隔離措施。其中，隔離直流線路故障最為理想的方法是利用高壓直流斷路器（Direct Current Circuit Breaker ,DCCB）。

2 混合式直流斷路器拓?fù)?/h2>

交流高壓斷路器技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，而高壓直流斷路器技術(shù)2012 年11 月才被ABB 公司攻克，然而，該斷路器造價(jià)昂貴，經(jīng)濟(jì)性差。就目前研發(fā)現(xiàn)狀而言，基于常規(guī)機(jī)械開(kāi)關(guān)和電力電子器件的混合式高壓直流斷路器最具有大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的前景。混合式直流斷路器結(jié)合了機(jī)械式斷路器和固態(tài)斷路器的優(yōu)點(diǎn)，兼具機(jī)械式斷路器良好的靜態(tài)特性以及固態(tài)斷路器無(wú)弧快速分?jǐn)嗟膭?dòng)態(tài)特性，既具備較低的通態(tài)損耗，又有很快的分?jǐn)嗨俣?，更加適合應(yīng)用于柔性直流輸電系統(tǒng)。

國(guó)家電網(wǎng)公司在舟山柔性直流輸電工程中開(kāi)展了世界上首套高壓直流斷路器的商業(yè)化應(yīng)用。本工程使用的直流斷路器模型采用IGBT 全橋型（橋式）混合式直流斷路器模型。級(jí)聯(lián)全橋混合式高壓直流斷路器拓?fù)浒兄髦?、轉(zhuǎn)移支路和耗能支路3 條并聯(lián)支路。斷路器主支路用于導(dǎo)通系統(tǒng)故障電流，由機(jī)械開(kāi)關(guān)和含IGBT 的全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成，通態(tài)損耗低；斷路器轉(zhuǎn)移支路用于分?jǐn)嘞到y(tǒng)短路故障電流，由多級(jí)全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成；耗能支路用于吸收系統(tǒng)短路電流并抑制分?jǐn)噙^(guò)電壓，由避雷器組構(gòu)成。

3 直流斷路器運(yùn)行情況分析

本文基于PSCAD 仿真平臺(tái)搭建了上述直流斷路器的仿真模型，通過(guò)仿真系統(tǒng)故障電壓變化結(jié)果，來(lái)分析直流斷路器在工程中的運(yùn)行情況。圖1 是設(shè)置正極接地短路后，僅由直流斷路器對(duì)故障電流進(jìn)行分?jǐn)嗟那闆r下，故障極電壓波形結(jié)果，三條線分別表示了換流閥負(fù)極出口電壓、直流斷路器出口電壓以及電纜入口電壓波形。

圖1 正極短路故障極電壓波形

正常運(yùn)行情況下故障極換流閥出口電壓保持在額定直流電壓-200kV。該電壓在短路時(shí)刻0ms 與斷路器閉鎖時(shí)刻均出現(xiàn)明顯過(guò)電壓，期間小幅振蕩。

直流斷路器出口電壓波形與換流閥出口電壓波形在DCCB動(dòng)作前基本吻合，區(qū)別在于當(dāng)DCCB 動(dòng)作后，DCCB 出口電壓沒(méi)有迅速下降，而是在經(jīng)過(guò)振蕩之后接近0kV。

4 結(jié)論

本文分析了引入高壓直流斷路器對(duì)短路故障電磁暫態(tài)過(guò)程的影響，在研究了直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理基礎(chǔ)上，建立了相應(yīng)的仿真模型，并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)直流斷路器在工程中的運(yùn)行情況進(jìn)行了分析。本文主要結(jié)論有以下兩點(diǎn)：

4.1 換流站內(nèi)高壓直流斷路器采用級(jí)聯(lián)全橋混合式高壓直流斷路器拓?fù)?，其中主支路、轉(zhuǎn)移支路的全橋子模塊結(jié)構(gòu)均為IGBT 全橋結(jié)構(gòu)；

4.2 從單極短路結(jié)果可以看出，直流斷路器擁有獨(dú)立分?jǐn)嘞到y(tǒng)故障電流的能力，但換流閥不閉鎖，會(huì)使得正極直流斷路器開(kāi)斷后持續(xù)耐受系統(tǒng)電壓，內(nèi)部電阻將過(guò)熱，對(duì)器件造成損害。