新型直流微網(wǎng)混合斷路器拓撲及仿真分析

張冠英，高 飛，羨一鳴，王 堯

(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130)

1 引言

近年來，直流微電網(wǎng)以其獨有的優(yōu)勢得到了廣泛的關(guān)注和重視，隨著大功率電力電子技術(shù)的不斷成熟，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)在大容量、遠距離輸送方面的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和靈活性等優(yōu)勢日益突出[1]。與交流系統(tǒng)不同，直流輸電不存在自然過零點，在發(fā)生故障時必須采用特殊方法制造過零點。另一方面，由于直流短路電流上升快、峰值高，斷路器必須在數(shù)毫秒的時間內(nèi)完成分斷任務(wù)，才能滿足直流電力系統(tǒng)限流分斷的保護需要[2]。因此，直流斷路器在迅速可靠的切斷故障電流方面存在著一定的難題。目前主流的機械式斷路器分斷時間一般要數(shù)十甚至幾十毫秒，無法滿足電力系統(tǒng)的需要[3]。而混合式直流斷路器結(jié)合了機械開關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動態(tài)性能，可以同時滿足斷路器開斷時間短、動作迅速、通態(tài)損耗小的要求[4]。

按照關(guān)斷原理，混合型斷路器可分為自然換流型和強迫換流型兩種[5]。自然換流型斷路器結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，但是這種關(guān)斷方案換流速度慢，難以滿足限流和快速性要求，一般只應(yīng)用于無特殊限流要求的系統(tǒng)，如荷蘭Delft理工大學(xué)Polman[6]等人采用斥力開關(guān)和6組IGBT并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種額定電壓為600V，分斷電流6kA的自然換流型混合式直流斷路器，大連理工大學(xué)黃金強[7]等人提出一種額定電壓為400V，基于快速斥力機構(gòu)和IGBTs開斷單元并聯(lián)的混合式直流斷路器，整機分斷能力在2ms之內(nèi)。強迫換流型斷路器基于強迫回路中電感電容的串并聯(lián)諧振，利用其產(chǎn)生的諧振電流與主開關(guān)上的電流相抵消產(chǎn)生過零點。與自然換流型混合式直流斷路器相比，該類型的斷路器轉(zhuǎn)移速度快、可靠性高，但一般的強迫換流型拓撲結(jié)構(gòu)都需要額外的電容充電電路，使得斷路器體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大大增加了成本。例如亞琛工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動研究所C.Meyer[8]等人提出的一種強迫換流混合式直流斷路器拓撲，此拓撲結(jié)構(gòu)中電容需額外的充電電路，電容的儲能，拓撲的電容值與切斷電流之間必須做到參數(shù)的高度一致，否則機械開關(guān)無法實現(xiàn)無弧的分斷。

目前，眾多高校研究所以及電氣設(shè)備制造公司都在對能夠快速無弧分斷的直流斷路器進行研究。若干新的混合直流斷路器拓撲結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案被提出[9-11]。在此基礎(chǔ)上，本文針對傳統(tǒng)強迫換流式直流斷路器需要給預(yù)充電電容增加額外的充電電路、機械開關(guān)無法準確快速熄弧分斷的問題，提出了一種基于零電流開斷的直流混合斷路器拓撲，并詳細介紹了斷路器的工作原理和設(shè)計方法，同時在Matlab中建模進行仿真分析，分析結(jié)果表明該拓撲結(jié)構(gòu)可以使機械開關(guān)無弧分斷。之后針對不同外電路參數(shù)和轉(zhuǎn)移支路參數(shù)進行了電流轉(zhuǎn)移特性的仿真，著重分析了電路內(nèi)部因素(IGBT支路參數(shù)、拓撲結(jié)構(gòu)中的諧振電容C與電感L3、)和外部因素(不同故障電阻Rf、系統(tǒng)電流)對其分斷(分斷時間、分斷電流)的影響，為接下來混合式直流斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及試驗提供了一定的依據(jù)。

2 混合直流斷路器拓撲和原理

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)

本文提出的優(yōu)化設(shè)計后的直流斷路器拓撲結(jié)構(gòu)由電感L1、機械開關(guān)部分MCB、電感L2、預(yù)充電電容C、電感L3、半導(dǎo)體IGBT分支和避雷器MOV能量吸收分支組成。系統(tǒng)負載由RL表示，發(fā)生故障時系統(tǒng)電阻由Rf表示，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。結(jié)構(gòu)中MOV的作用有兩項，一是當關(guān)斷固態(tài)開關(guān)IGBT時限制瞬間產(chǎn)生的過電壓以防止損壞器件，二是當關(guān)斷IGBT時吸收在故障時系統(tǒng)中的短路能量。

圖1 直流混合斷路器拓撲圖

2.2 工作原理

當電路正常工作時，機械開關(guān)MCB承載線路負載電流，此時電力電子單元IGBT處于觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)，但由于機械開關(guān)導(dǎo)通電阻一般為微歐級遠小于電力電子開關(guān)元件導(dǎo)通電阻(毫歐級)，此時電力電子支路基本無電流流過。因此，在正常情況下系統(tǒng)電流流過機械開關(guān)MCB，而IGBT支路、L3-C分支支路無電流通過。電容器C可通過系統(tǒng)電源充電，在電路拓撲中沒有任何額外的充電單元，換流電容電壓極性如圖2所示。

圖2 正常情況下電流路徑圖

以短路故障為例，當發(fā)生故障時，故障電流迅速上升，由于電感電流不能突變，因此在故障瞬間前后，流過電感L1與L2的電流不會突然變化。此時斷路器通過預(yù)充電電容C提供瞬態(tài)故障電流，電容電流IC迅速上升而電感電流IL2保持恒定，流過開關(guān)中的電流迅速減小，即流過開關(guān)中的部分電流將轉(zhuǎn)移流入IGBT支路。當電容器電流IC達到電感L2電流后，隨著IC的持續(xù)上升開關(guān)支路的電流將反向全部流入到IGBT支路。之后，電容C通過開關(guān)、IGBT、故障等效電阻Rf和電感L3形成諧振，在此期間開關(guān)電流將周期性的改變方向，產(chǎn)生一系列的電流過零點。而在故障期間隨著電流IRL增加，斷路器會通過電流檢測單元測量線路電流大小，通過控制單元計算線路電流大小及其上升率等參量，根據(jù)預(yù)定的脫扣時間限值要求發(fā)出脫扣命令，由脫扣器驅(qū)動機械開關(guān)MCB斷開，并在振蕩期間的電流過零點熄滅電弧。這一過程電流路徑如圖3所示。

圖3 發(fā)生故障時電流路徑圖

當開關(guān)在電流過零點完全熄弧斷開后，系統(tǒng)電流將全部轉(zhuǎn)移至IGBT支路，此后電感L2通過故障電阻Rf和電容C、電感L3組成另一諧振電路衰減振蕩，直到將電容電感中存儲的能量衰減為零。在經(jīng)過短暫的延遲后，將電力電子器件IGBT關(guān)閉，系統(tǒng)電流隨之從半導(dǎo)體支路被轉(zhuǎn)移至避雷器MOV支路，最終系統(tǒng)電流的電磁能量被避雷器所消耗，故障被成功切除，這一過程如圖4所示。當故障被排查解決后，再次合閘開關(guān)，并給IGBT一正向?qū)ㄐ盘?，充電電容C會由系統(tǒng)電源在極短時間內(nèi)完成充電，為下一次的開斷做準備。

圖4 開關(guān)斷開后電流路徑圖

3 電路設(shè)計與分析

3.1 振蕩條件的設(shè)計

由斷路器的工作原理可知，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，含有開關(guān)、電容C、電感L3的回路可以發(fā)生諧振產(chǎn)生電流過零點是斷路器可以成功動作熄滅電弧的重要因素。在正常情況下，由于忽略了電感L1與L2的電阻，可得系統(tǒng)電流

(1)

假設(shè)在t時刻發(fā)生故障，此時系統(tǒng)阻值為Rf，通過計算二階電路的零輸入響應(yīng)得電容電流IC表達式

IL3(t)=IC(t)=Ae-αtsin(ωdt)

(2)

(3)

(4)

R=Rf

(5)

L=L3

(6)

因此在故障期間產(chǎn)生振蕩過程需滿足條件

(7)

電流IC振幅必須大于正常情況下負載電流

Ae-αTd>IMCB

(8)

當同時滿足不等式(7)與(8)時，在發(fā)生故障后能夠產(chǎn)生一系列電流零點，若忽略故障電阻Rf，則：

(9)

由公式(9)可知振蕩周期僅與L3和C的值有關(guān)，因此在滿足振蕩條件的基礎(chǔ)上盡量選擇小電容小電感對于斷路器的快速關(guān)斷是十分有利的，但也必須滿足公式(8)的振幅要求。根據(jù)以上推導(dǎo)可大致選擇出合適的電感與電容。

電感L1的作用相當于一個電流限制器，也是為了限制故障電流的突變，因此在選擇電感值時可以選擇相對較大的電感。對于電感L2，還要考慮到當斷開機械開關(guān)后與電容C、電感L3、電阻Rf組成的諧振電路。忽略電阻Rf可得到衰減振蕩周期：

(10)

因此，為了使開斷故障電流后電容電感中儲存的能量被快速消耗，在滿足所有條件的情況下電感L2的值應(yīng)盡可能地小。綜上所述可初步得到拓撲結(jié)構(gòu)中所有電容與電感的量值，之后將所有參數(shù)代入仿真中得到進一步驗證。

4 仿真驗證與分析

4.1 直流開斷仿真驗證

為了驗證提出的混合直流斷路器的可行性，基于Matlab/Simulink平臺搭建了混合直流斷路器的模型。本文以直流系統(tǒng)接地短路故障為例，仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)表1中的參數(shù)進行仿真，仿真時假設(shè)系統(tǒng)在t1=1ms時發(fā)生接地短路故障，機械開關(guān)延時0.5ms開始動作觸點分離，在t4=3ms時關(guān)斷IGBT的觸發(fā)信號，得到混合斷路器各元件的電流仿真波形如圖5所示。

圖5 直流混合斷路器仿真結(jié)果

從圖5可以看出，斷路器的動作分為兩個階段。第一階段為故障電流轉(zhuǎn)移至IGBT支路的過程。仿真模擬在t1=1ms時發(fā)生短路故障，在故障瞬間前后，電感L2兩端電流保持不變并且是恒定的，如圖5所示。電容C提供故障電流并快速上升，流經(jīng)開關(guān)的電流迅速減小降為零(約4μs)并周期振蕩，在t2約為2ms時電弧熄滅，開關(guān)完全斷開，電流轉(zhuǎn)移至IGBT支路。

第二階段為關(guān)斷IGBT，短路電流轉(zhuǎn)移到避雷器回路并消耗下降為零的過程。經(jīng)過短暫延時在t3=3ms關(guān)閉IGBT的觸發(fā)信號，使得電流轉(zhuǎn)移到避雷器支路，由MOV開始在直流系統(tǒng)中傳導(dǎo)和吸收儲存的能量，并在t4約4ms時將電流消耗為零。電容C、電感L2、L3組成的諧振回路在t5=0.6s時將儲存在其中的能量衰減完，其部分振蕩衰減過程如圖6所示。

圖6 IL振蕩衰減波形

在t5=0.6s時假設(shè)短路故障被排除，閉合開關(guān)，IGBT再次觸發(fā)導(dǎo)通，經(jīng)過約0.4s電容C就可以被充滿電，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行，為下一次的開斷做準備，這一過程如圖7所示。

圖7 電壓UC波形

通過對電路的分析及仿真可知影響電流轉(zhuǎn)移的因素主要分為兩大類即外部因素和內(nèi)部因素，外部因素指外電路參數(shù)對電流轉(zhuǎn)移的影響，例如故障類型，外電路線路參數(shù)等；內(nèi)部因素是指混合開關(guān)轉(zhuǎn)移支路的內(nèi)部參數(shù)對電流轉(zhuǎn)移的影響，包括轉(zhuǎn)移支路電阻和線路電感分量等。接下來本文將針對不同情況進行仿真，分析其電流轉(zhuǎn)移特性。

4.2 外部因素

4.2.1 不同故障電阻Rf下的開關(guān)動作情況

為研究斷路器在不同故障情況下電流由機械開關(guān)支路轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān)階段的開斷情況，在不改變初始參數(shù)的情況下，通過改變故障電阻Rf的大小測試模擬開關(guān)的動作情況，仿真得到的開關(guān)支路電流波形如圖8所示。

圖8 不同Rf下IMCB波形

從圖8可以看出混合斷路器在故障條件下運行良好。但隨著故障電阻的增大，在同樣的時間間隔內(nèi)開關(guān)電流過零點數(shù)將逐漸減少，這對于機械開關(guān)的快速動作提出了一定的要求。若機械開關(guān)動作延遲過高，對于某些故障，從電流分斷時間角度來說可能無法在電流過零點前熄滅電弧，即斷路器不能正常動作。因此必須采取措施，通過改變電路的某些參數(shù)來確保斷路器可以可靠地動作。

4.2.2 系統(tǒng)電流對電流轉(zhuǎn)移的影響

為了對斷路器分斷電流的能力有一個初步的了解，在其它參數(shù)不變的情況下，通過改變線路電阻值分別得到200A、100A、80A、40A的系統(tǒng)電流在短路情況下的電流轉(zhuǎn)移波形如圖9所示。

圖9 不同大小系統(tǒng)電流在發(fā)生短路時的IMCB

從圖9中可以看出，對于系統(tǒng)在不同負載情況下發(fā)生短路時，負載電流越大，針對同一種斷路器，熄滅電弧的難度就越大。這是因為在電容C容量一定的情況下，其在發(fā)生故障時提供的瞬態(tài)電流是定值，而隨著負載電流的增大流過電感L2兩端的電流也會增大，這就使得在發(fā)生振蕩時制造的過零點個數(shù)會隨著負載電流增大而減小甚至發(fā)生無過零點的情況。因此，要提高斷路器分斷電流的水平，就需要提高電容的容量C，但這樣會使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到一定影響，所以對應(yīng)于不同的場合需要在考慮一定裕量的情況下選擇最合適的電容容量，并考慮調(diào)節(jié)其它參數(shù)改善斷路器的開斷能力。

4.3 內(nèi)部因素

4.3.1 IGBT支路參數(shù)對電流轉(zhuǎn)移的影響

根據(jù)之前的理論分析，發(fā)生諧振時，開關(guān)電流的振蕩周期與電容C、電感L3有關(guān)。而在實際情況中還需考慮到IGBT的轉(zhuǎn)移支路線路阻抗，轉(zhuǎn)移支路電阻的大小主要取決于導(dǎo)通后IGBT的內(nèi)阻。在模擬仿真時，不改變其它參數(shù)的情況下假設(shè)IGBT的導(dǎo)通內(nèi)阻從100～1000mΩ進行開斷電流仿真，得到電流轉(zhuǎn)移特性仿真曲線如圖10所示。

圖10 不同RIGBT下IMCB波形

從圖10中可以看出IGBT導(dǎo)通內(nèi)阻的增大會使振蕩時電流的幅值減小、電流過零點數(shù)目減少，但振蕩周期基本保持不變。對于這種情況，同樣可能由于機械開關(guān)的延遲太高，而造成斷路器在分斷時間上因錯過電流過零點拒動作。分析電路可知這是由于轉(zhuǎn)移支路電阻限制了轉(zhuǎn)移電流的大小或者轉(zhuǎn)移電流上升的快慢，從而影響了轉(zhuǎn)移完成的成功率。因此在選擇IGBT的型號時因盡量選擇內(nèi)阻小的類型，這樣會有助于提高斷路器的開斷性能。

4.3.2 電容C與電感L3對電流轉(zhuǎn)移的影響

由上述的理論分析可知，斷路器的分斷時間與開關(guān)電流的振蕩周期有關(guān)系，周期增大，所用時間也會相應(yīng)變長。在系統(tǒng)發(fā)生諧振時，開關(guān)電流的振蕩周期與電容C、電感L3有關(guān)。因此在不改變初始其它參數(shù)的情況下，通過改變L3-C支路參數(shù)進行仿真得到電流仿真波形如圖11所示：

圖11 不同L3-C參數(shù)下IMCB

如圖11所示，可以看出當L3-C的乘積為定值時，發(fā)生故障時的電流振蕩周期基本保持不變，而電感L3或C的增大都會使得振蕩周期變大，這與之前分析得出的結(jié)論公式(9)一致。由此結(jié)論可知，在機械開關(guān)動作時間一定的情況下，若想提高斷路器分斷時間，可以通過減小電感L3或者C的值來實現(xiàn)。此外由圖11還可以發(fā)現(xiàn)電感L3與電容值C的值發(fā)生變化時對振蕩電流的幅值都會有影響，且電感L3的增大會使幅值變小，電容值C變大則會使電流幅值增大。若電容C與電感L3的值發(fā)生相同數(shù)量級的變化其對振蕩電流幅值的變化基本是一樣的。這也驗證了公式(3)的正確性。因此為了保持斷路器的可靠性、速動性，可以在要求動作范圍內(nèi)選擇小的電感L3，對于電容器C則保持不變或者減小其容量以保持結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文提出的直流斷路器不僅能夠迅速切斷故障電流熄滅電弧，并且結(jié)構(gòu)中的電容不需要額外的充電結(jié)構(gòu)供電，在進行了一次有效的操作并復(fù)位后，系統(tǒng)可以在極短的時間內(nèi)給電容充滿電，大大降低了拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，并在一定程度上減少了能源的浪費。在理論分析的基礎(chǔ)上，進行了Matlab/Simulink建模，并對其進行接地短路仿真，仿真結(jié)果驗證了其可行性。之后又針對斷路器的電流轉(zhuǎn)移特性進行了仿真分析，得到了一系列影響其開斷故障電流的結(jié)論，為后續(xù)直流斷路器的搭建以及試驗提供了基礎(chǔ)。