基于電容換流的多端口直流限流斷路器

陳 凱,王威儒,童 準(zhǔn)

(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北電力大學(xué)),吉林 吉林 132012;2.國能永福發(fā)電有限公司,廣西 桂林 541001)

0 引 言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出,可再生能源占比在未來幾十年中將迅速提升,如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？稍偕茉吹母咝馑褪秦酱鉀Q的問題。基于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性直流電網(wǎng)憑借其無換相失敗、可控性強(qiáng)、具有無功支撐能力等優(yōu)勢(shì),成為大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)和遠(yuǎn)距離輸送的有效技術(shù)支撐[1]。但基于MMC的直流電網(wǎng)一旦直流側(cè)發(fā)生故障,換流器子模塊(Sub Model,SM)的電容將對(duì)故障點(diǎn)放電,故障電流上升迅速,峰值極高。為避免故障電流危害電力電子器件及直流電網(wǎng)的運(yùn)行,系統(tǒng)需要在幾毫秒內(nèi)完成故障清除[2]。

目前常見的故障清除手段有兩種[3]:換流器采用全橋子模塊或箝位雙子模塊[4-5],替換原半橋方案中的部分子模塊,但該類子模塊拓?fù)鋾?huì)導(dǎo)致?lián)Q流器成本和功耗的增加,且清除故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致健康換流站短時(shí)停電[6];另一種方法為采用直流斷路器(DC Circuit Breaker,DCCB)阻斷故障電流,該方法控制邏輯簡單,系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)功率損耗小,且故障隔離后系統(tǒng)經(jīng)潮流重新分配可達(dá)到新的穩(wěn)態(tài),適于運(yùn)用在直流電網(wǎng)中[7-9]。

ABB較早提出混合式直流斷路器(Hybrid DC Circuit Breaker,HDCCB),該DCCB采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)串聯(lián)作為故障電流轉(zhuǎn)移支路,該支路能夠高效阻斷故障電流,但需要承受極大的電氣應(yīng)力,對(duì)IGBT需求數(shù)量龐大[10]。針對(duì)上述問題,文獻(xiàn)[11]將連接于同一直流母線的線路所配備的直流斷路器共用同一個(gè)轉(zhuǎn)移支路,即多端口直流斷路器(Multi-port DC Circuit Breaker,MP-DCCB)。文獻(xiàn)[12]通過應(yīng)用晶閘管與二極管作為上下橋臂的選擇開關(guān),提高了裝置經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[13]以主動(dòng)引流開關(guān)在故障時(shí)主動(dòng)將母線接地的操作使線路上的分?jǐn)嗖糠帜軌蝽樌_斷,但導(dǎo)致線路限流電抗器的作用無法充分發(fā)揮。文獻(xiàn)[14]中提到以遠(yuǎn)端換流站多端口斷路器作為后備保護(hù)方案,使各斷路器電力電子器件減少一半,但該后備保護(hù)方案需要故障斷路器所連換流站閉鎖。同樣針對(duì)斷路器成本昂貴的問題,許多文獻(xiàn)設(shè)計(jì)使用工藝成熟的晶閘管代替IGBT,并通過電容提供反壓強(qiáng)迫晶閘管關(guān)斷的電容型直流斷路器。文獻(xiàn)[15]提出了電容換流型斷路器,但故障電流為IGBT閉鎖強(qiáng)制換流至電容,通流支路串聯(lián)電力電子器件數(shù)量較大。文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]中電容預(yù)充電電壓為系統(tǒng)電壓,故障后投入電容時(shí)將對(duì)系統(tǒng)造成較大沖擊。

主動(dòng)式限流器(Fault Current Limiter,FCL)具備抑制故障電流上升率的能力,能夠有效降低斷路器承受的開斷時(shí)電流應(yīng)力。文獻(xiàn)[18]在故障發(fā)生后交替導(dǎo)通反并聯(lián)耦合電感,使故障電流快速減小,但電感所串聯(lián)IGBT將承受極大的電壓。文獻(xiàn)[19]提出了一種基于飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的混合直流限流電路,通過阻感復(fù)合限流抑制故障電流。文獻(xiàn)[20]中耦合電感一次側(cè)串聯(lián)于線路,二次側(cè)連接IGBT,控制IGBT的通斷使得一次側(cè)等效電感變化。文獻(xiàn)[21]在故障清除后導(dǎo)通電力電子器件旁路電抗器,達(dá)到減少避雷器耗散能量的效果。在多端口直流斷路器的基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[22]以耦合電感作為限流器,故障時(shí)通過導(dǎo)通IGBT將耦合電感投入,但在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)大量IGBT串聯(lián)在線路中,導(dǎo)致功率損耗增加。文獻(xiàn)[23]中通過電容換相投入電感,但電容換相需在機(jī)械開關(guān)完成分?jǐn)嗪筮M(jìn)行,限流器實(shí)際投入時(shí)間并不長。

綜上,目前限流斷路器仍多以電感進(jìn)行限流,但電感限流能力隨時(shí)間衰減,且難以與斷路器中換流部分配合。因此本文提出一種基于電容限流、換流的多端口限流斷路器,首先介紹斷路器整體結(jié)構(gòu),闡述所提拓?fù)湓诓煌收瞎r下開斷及保護(hù)原理,設(shè)計(jì)斷路器關(guān)鍵參數(shù),最后在四端系統(tǒng)中對(duì)故障阻斷、重合閘過程進(jìn)行仿真驗(yàn)證,并與其他文獻(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)于故障電流峰值、故障隔離時(shí)間、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行對(duì)比分析,說明本結(jié)構(gòu)在直流電網(wǎng)的適用性。

1 所提直流斷路器拓?fù)?/h2>

提出的多端口限流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由以下四部分組成:通流支路、選擇開關(guān)、主斷路器和電容預(yù)充電支路,如圖1所示。其中,通流支路和選擇開關(guān)用于故障后投入主斷路器,各端口均需配置;主斷路器需使用大量電力電子器件,為提高經(jīng)濟(jì)性,各端口共用主斷路器和電容預(yù)充電支路。

圖1 電容限流換流斷路器拓?fù)?/p>

通流支路包括超快速機(jī)械開關(guān)(Ultra Fast Disconnector,UFD)以及負(fù)載換流開關(guān)(Load Commutation Switch,LCS),LCS為機(jī)械開關(guān)提供零電流的分?jǐn)喹h(huán)境;UFD經(jīng)一定時(shí)間建立絕緣,物理隔離直流母線與故障線路。選擇開關(guān)為反并聯(lián)晶閘管組,與通流支路配合選擇故障線路。

主斷路器由四部分組成:1)換流電容C1,在故障支路的UFD斷開后投入,當(dāng)電容端電壓達(dá)到MOA動(dòng)作電壓時(shí)將故障電流換流至MOA;2)限流電容C2,電容器可有效地抑制過電壓,并在為UFD的斷開提供充足的時(shí)間和電氣環(huán)境的同時(shí)限制故障電流上升速率;3)金屬氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester,MOA),用于阻隔故障電流并鉗位斷路器兩端電壓;4)晶閘管組(T1、T2、T3、T4)及二極管橋式結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電容C1的雙向投入及不同故障的隔離。

電容預(yù)充電支路由晶閘管組Tc、T′c及電阻Rc組成,可在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為電容C1充電。大電阻Rc在支路并入后減小通電時(shí)對(duì)系統(tǒng)的沖擊。

2 斷路器工作原理

本節(jié)闡述斷路器在線路單極接地故障、母線故障、重合閘等工況下的保護(hù)原理。

2.1 電容預(yù)充電

斷路器的電容充電過程如圖2所示。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),導(dǎo)通晶閘管組T1、T4及Tc對(duì)電容C1、C2進(jìn)行充電。電容電壓達(dá)到系統(tǒng)級(jí)電壓后,晶閘管將自動(dòng)截止。之后閉合機(jī)械開關(guān)UFDd1、UFDd2,令電容C1電壓維持至MOAd的啟動(dòng)電壓、C2通過電阻將累積的能量耗散。兩支路電流降為零后,打開機(jī)械開關(guān)。此時(shí)電容C1將達(dá)到預(yù)充電電壓uC10,具體數(shù)值選擇將于后文闡述。

圖2 預(yù)充電階段電流路徑

2.2 線路單極接地故障

斷路器共四個(gè)工作階段,各階段動(dòng)作時(shí)序、等效電路及關(guān)鍵量表達(dá)式如下:

1)定位階段(t0

設(shè)線路1于t0時(shí)刻發(fā)生接地故障,在故障定位完成前,電流路徑如圖3(a)所示。

圖3 故障定位階段

此階段等效電路如圖3(b)所示,在等效電路中,考慮各換流站沿?cái)嗦菲魉谀妇€饋入故障點(diǎn)的電流。圖中,換流站內(nèi)電容由直流電壓源等效,電感Ldcj(j=1,2,…,n)為換流站等效電感、線路平波電抗器、中性線電抗器和線路電感所合成的由母線至換流站或故障點(diǎn)的等效電感,忽略換流站等效電阻及線路電阻。

據(jù)KVL、KCL,此階段故障電流i1(t)表示為

(1)

2)限流階段(t1

t1時(shí)刻,一般認(rèn)為故障發(fā)生3 ms后,保護(hù)系統(tǒng)完成故障定位,此時(shí)導(dǎo)通對(duì)應(yīng)選擇開關(guān)Tl1,關(guān)斷LCS1,觸發(fā)UFD1分?jǐn)嘈盘?hào),同時(shí)導(dǎo)通主斷路器的晶閘管T2、T4,故障電流流經(jīng)直流母線及主限流斷路器饋入故障點(diǎn),如圖4所示。

圖4 限流階段

IGBT關(guān)斷與晶閘管導(dǎo)通時(shí)間為微秒級(jí),因此忽略上述時(shí)間及晶閘管通態(tài)壓降,將t1代入至公式(1)得此時(shí)故障電流i1(t1),根據(jù)圖4(b)得:

(2)

隨著故障線路對(duì)應(yīng)LCS的關(guān)斷,故障電流將對(duì)電容C2充電,電容上產(chǎn)生電壓uC2,進(jìn)而提高換流站與故障點(diǎn)之間的電壓,起到抑制故障電流上升的作用。約2 ms后的t2時(shí)刻UFD1完全打開,電容電壓持續(xù)增加。此時(shí)關(guān)鍵量的表達(dá)式仍如公式(2)。

3)換流階段(t3

故障線路對(duì)應(yīng)UFD完全打開1 ms后t3時(shí)刻收到斷路器關(guān)斷指令,導(dǎo)通晶閘管T3,電容C1開始放電,T4承受反壓一段時(shí)間后完全關(guān)斷[15],故障電流將為電容C1、C2同時(shí)充電,電容電壓快速上升,電流路徑如圖5(a)所示。

圖5 換流階段

該階段的初始條件為uC2(t3),i1(t3)和C1預(yù)充電電壓uc10,根據(jù)圖5(b)得:

(3)

公式中:

t4時(shí)刻C1、C2電容電壓和等于系統(tǒng)電壓,故障電流達(dá)到峰值,電容電壓繼續(xù)增加。此時(shí)關(guān)鍵量的數(shù)學(xué)表達(dá)式仍如公式(3),初值為uC2(t4),i1(t4),uC1(t4)。

4)耗能階段(t5

t5時(shí)刻電容電壓和超過MOA啟動(dòng)電壓,電流逐漸轉(zhuǎn)移至避雷器,如圖6(a)所示。同時(shí)導(dǎo)通T′c,使Rc與避雷器共同耗散等效電感Ldc1的儲(chǔ)存能量,以減少避雷器吸收能量和故障隔離時(shí)間。

圖6 耗能階段

根據(jù)避雷器的動(dòng)作特性,避雷器端電壓達(dá)到啟動(dòng)電壓后將被限制在啟動(dòng)電壓附近,因此可認(rèn)為避雷器端電壓恒定,為啟動(dòng)電壓UMOA。

根據(jù)圖6(b)的等效電路圖,及初始條件i1(t5)可得此時(shí)段的故障電流:

(4)

令i1(t)為零,得避雷器隔離故障耗時(shí)tbrk:

(5)

2.3 母線故障

柔直電網(wǎng)需要考慮直流母線接線形式,因目前直流斷路器造價(jià)昂貴,每回直流母線的出線較少,且直流母線故障概率較低,目前柔直電網(wǎng)的直流母線接線形式仍為單母線接線。發(fā)生直流母線故障后,需迅速隔離故障母線。

針對(duì)直流母線故障,斷路器工作原理與線路故障時(shí)類似,故障電流流向相反。t0時(shí)刻直流母線發(fā)生故障,故障電流迅速上升。t1時(shí)刻控保裝置判別為母線故障,導(dǎo)通晶閘管T′lj(j=1,2,…,n)、T2、T4。全部端口的LCS閉鎖,UFD開始分?jǐn)?。t2時(shí)刻全部UFD分?jǐn)?1ms后t3時(shí)刻導(dǎo)通T3(T4)電容C1開始放電。t5時(shí)刻電容電壓和超過MOA啟動(dòng)電壓,電流逐漸轉(zhuǎn)移至避雷器,故障電流減至零時(shí),母線故障隔離。

雖直流母線故障概率較低,但一旦故障將導(dǎo)致近端換流站停止功率輸送,多條直流線路停運(yùn)。而應(yīng)用多端口斷路器,母線故障隔離后,可觸發(fā)所有選擇開關(guān),此時(shí)選擇開關(guān)將承擔(dān)母線的工作,如圖7所示。

圖7 母線故障清除后斷路器工作狀態(tài)

2.4 后備保護(hù)

設(shè)線路1發(fā)生故障,若對(duì)應(yīng)機(jī)械開關(guān)未將故障線路與直流母線的連接切除,斷路器將啟動(dòng)后備保護(hù),切除故障線路及直流母線。設(shè)t0時(shí)刻發(fā)生故障,電流迅速上升。t1時(shí)刻控保裝置判別為線路故障,LCS1閉鎖,UFD1開始分?jǐn)?。若一段時(shí)間后檢測(cè)到故障電流仍在快速上升,則采取隔離直流母線的措施。斷路器各端口LCS閉鎖,UFD分?jǐn)唷? ms后UFD完全打開,之后導(dǎo)通T3電容C1開始放電,T4承受反壓關(guān)斷。電容電壓和超過MOA啟動(dòng)電壓后,電流逐漸轉(zhuǎn)移至避雷器,故障電流逐漸減小至零。

2.5 分?jǐn)嘈‰娏?/h3>

當(dāng)線路高阻接地故障或計(jì)劃斷電等情景發(fā)生,保護(hù)方案將命令斷路器在小電流下完成分?jǐn)?。設(shè)計(jì)劃停運(yùn)線路為出線1,直接閉鎖LCS1和UFD1,同時(shí)觸發(fā)線路對(duì)應(yīng)選擇開關(guān)Tl1、T′l1及兩端斷路器的晶閘管Tc與T′c,晶閘管會(huì)因平波電抗器電流減小所產(chǎn)生的反壓導(dǎo)通,平波電抗器所儲(chǔ)存能量將通過電阻Rc泄放。過程中計(jì)劃停運(yùn)線路的電流將不斷減小,傳輸功率由其他線路轉(zhuǎn)帶。當(dāng)電流降為零時(shí),線路切除完成。

2.6 重合閘故障判別

由于絕大多數(shù)故障為瞬時(shí)故障,進(jìn)行重合閘操作有利于電網(wǎng)重新恢復(fù)冗余,且有益于故障測(cè)距。但若由通流支路直接合閘于永久故障會(huì)導(dǎo)致斷路器需要重新進(jìn)行故障隔離,且可能致使故障線路UFD及LCS承受過電壓。因此,在進(jìn)行重合閘動(dòng)作之前先對(duì)故障類別進(jìn)行判斷。

設(shè)t6時(shí)刻電流過零,故障隔離完成。之后閉合UFDd1、UFDd2,電容C1、C2開始釋放故障隔離期間所吸收能量,并為重合閘故障判別動(dòng)作做準(zhǔn)備。

C2通過電阻消耗儲(chǔ)存能量,C1通過避雷器MOAd釋放部分能量,通過調(diào)整MOAd的啟動(dòng)電壓,可將電容器C1的電壓維持至設(shè)定值。耗能完成后電容器C1的電壓極性與初始狀態(tài)相反,根據(jù)主斷路器的對(duì)稱性,斷路器具備再次分?jǐn)喙收想娏髂芰Α?/p>

斷路器動(dòng)作后,需經(jīng)一定的去游離時(shí)間(約150-300 ms)使其重新恢復(fù)故障隔離能力。在去游離結(jié)束后等待一段時(shí)間,斷路器對(duì)故障類別進(jìn)行判別,設(shè)故障線路為出線1,主斷路器觸發(fā)晶閘管T2、T3、Tl1。若故障為永久故障,晶閘管T2、T3、Tl1承受正壓導(dǎo)通,主斷路器投入電容C1、C2,迅速進(jìn)行故障隔離,如圖8所示;若為瞬時(shí)故障,因此時(shí)故障線路兩端母線電壓相差較小,又有預(yù)充電電容C1串接于線路中,晶閘管T2、T3、Tl1將無法導(dǎo)通,此時(shí)導(dǎo)通線路對(duì)應(yīng)LCS,閉合UFD,旁路主斷路器,線路投入運(yùn)行。

圖8 重合閘于永久故障

3 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真分析

本節(jié)將結(jié)合第二節(jié)所推表達(dá)式,以四端真雙極柔直電網(wǎng)中單極為對(duì)象,分析斷路器中電容C1、C2的參數(shù)對(duì)故障電流峰值、故障隔離時(shí)間及各電力電子器件所受電流、電壓應(yīng)力等指標(biāo)的影響。并通過在PSCAD/EMTDC中搭建四端單極仿真模型,驗(yàn)證所提斷路器切除故障的能力。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示,換流站具體參數(shù)如表1所示。

表1 換流站參數(shù)

圖9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及斷路器配置

3.1 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

1)電容C2

電容C2主要用于限制電流上升速率,在選擇C2的容值時(shí),需要考慮限流階段限制故障電流能力及機(jī)械開關(guān)絕緣要求。由限流階段關(guān)鍵量公式(2)可知,容值取值過小,uC2快速上升,可能導(dǎo)致UFD發(fā)生電壓擊穿現(xiàn)象;取值過大,將導(dǎo)致C2兩端電壓uC2上升較慢,限流效果較差。

根據(jù)公式(2),可得C2容值對(duì)限流階段結(jié)束時(shí)C2的電容電壓峰值uC2m及故障電流峰值i1m變化規(guī)律的影響,物理量變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 電容C2的影響

由圖10(a)、圖10(b)可見隨著C2容值的減小,限流效果變好,通流支路開關(guān)承壓增加。考慮SF6超快速機(jī)械開關(guān)要求在零電流、低電壓的環(huán)境下開斷,且其絕緣電壓與觸頭間隙距離成正比,在2 ms內(nèi)可達(dá)到800 kV[25],因此為在一定安全裕度下滿足機(jī)械開關(guān)開斷要求的同時(shí)限制故障電流,C2容值選取為40μF。

2)電容C1

電容C1承擔(dān)換流作用,在選擇C1電容容值及初始電壓時(shí),需考慮快速完成換流過程的同時(shí),C1的放電過程能夠覆蓋晶閘管關(guān)斷時(shí)間,保證VT3、VT4完成關(guān)斷。由公式(3)可知,C1容值越小,等效電容越小,相同的故障電流下,電容電壓增長越快,換流階段越短。為盡快完成故障隔離,C1取值不宜過大,本文選為10 μF。

預(yù)充電電壓uC10的選擇與放電速度和晶閘管關(guān)斷時(shí)間相關(guān),放電速度受C1、C2容值選取的影響,關(guān)斷時(shí)間由晶閘管自身關(guān)斷特性決定。在C1、C2容值已確定的前提下,VT3、VT4選擇快速切換晶閘管,其關(guān)斷時(shí)間達(dá)到10-100 μs,可避免過大的預(yù)充電電壓投入。設(shè)選擇ABB公司晶閘管5STF 23H2040,最大阻斷電壓2 kV,關(guān)斷時(shí)間40 μs。將上述參數(shù)帶入公式(3),令uC1(t)于t-t3=40 μs時(shí)為0,可得uC10值為20.92 kV。因電容C1在故障隔離過程中需要反向投入會(huì)增大故障電流,為此希望預(yù)充電電壓盡可能小,在考慮一定裕度的情況下,將預(yù)充電電壓uC10設(shè)置為40 kV。

3.2 仿真分析

1)線路單極接地故障

設(shè)電容預(yù)充電完成后于1 s時(shí)MMC1與MMC2連接線路首端發(fā)生如圖9所示單極接地故障f。

將故障前相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)代入等效電路,得故障電流計(jì)算值與仿真結(jié)果的對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

圖11 計(jì)算值與仿真值對(duì)比

由圖11可知,計(jì)算值與仿真值相比較,其故障電流峰值略大,且電流下降率較快。以上現(xiàn)象的原因是在上文電路等效中將換流站電容及MOA簡化為直流電壓源,忽略了電容放電導(dǎo)致的直流電壓下降及故障電流與避雷器端電壓的線性關(guān)系。

圖12為故障隔離中斷路器內(nèi)部電流波形,t0=1 s時(shí)故障發(fā)生,表征通流支路電流的iaux迅速上升。設(shè)故障發(fā)生3 ms后于t1=1.003 s時(shí)保護(hù)系統(tǒng)準(zhǔn)確定位故障,斷路器判斷預(yù)充電電壓uC10方向?qū)▽?duì)應(yīng)晶閘管T2、T4,關(guān)斷故障支路的LCS,對(duì)應(yīng)通流支路電流迅速下降。當(dāng)t=1.003 02 s時(shí)通流支路電流iaux小于對(duì)應(yīng)UFD的剩余電流,UFD開始打開,期間故障線路的通流支路承受C2端電壓uC2。設(shè)UFD動(dòng)作時(shí)間為2 ms,t2=1.005 02 s時(shí),UFD完全打開。t3=1.006 s時(shí),給對(duì)應(yīng)斷路器發(fā)送跳閘信號(hào),導(dǎo)通晶閘管T3,故障電流流經(jīng)電容C1,C1的預(yù)充電電壓uC10保證晶閘管T3完成關(guān)斷。C1先放電后充電,電容電壓快速上升,t4=1.006 1 s時(shí),C1、C2電容電壓和大于系統(tǒng)電壓,故障電流達(dá)到峰值7.13 kA,之后故障電流開始衰減。t5=1.006 6 s,電容電壓和達(dá)到MOA啟動(dòng)電壓,MOA開始投入,故障電流持續(xù)衰減。t6=1.011 8 s時(shí),故障電流衰減至0,故障隔離完畢。

圖12 斷路器內(nèi)部電流波形

圖13為故障隔離期間各電力電子器件承壓情況檢驗(yàn),可為電力電子器件選型提供參考。

圖13 電力電子器件承壓

由圖13可知,通流支路兩端電壓uaux與非故障線路的選擇開關(guān)Tln、T′ln(n≠1)最高需承受避雷器啟動(dòng)電壓。T2、T3承壓較T1、T4小,但考慮到實(shí)現(xiàn)電容的雙向投入,上述四個(gè)晶閘管組需能承受相同的電壓。電容預(yù)充電支路的晶閘管Tc,T′c在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)需承受系統(tǒng)電壓。

設(shè)T3、T4選擇前文提及的快速晶閘管5STF 23H2040,其余晶閘管選擇5STP 40N6500,其參數(shù)為6.5 kV/3.78 kA,可承受75 kA的浪涌電流。因晶閘管承受浪涌電流能力遠(yuǎn)高于IGBT,下文僅考慮晶閘管的串聯(lián)數(shù)量。設(shè)1.2倍的安全裕度,由電壓波形可推斷選擇開關(guān)需(181×2×n)個(gè)晶閘管,T1、T2各需75個(gè)晶閘管,T3、T4各需240個(gè)快速切換晶閘管,Tc、T′c各需93個(gè)晶閘管,共(929+362×n)個(gè)。IGBT僅各出線LCS使用,選擇5SMA 3000L450300,參數(shù)4.5 kV/3 kA,可承受浪涌電流6 kA,考慮雙向電流關(guān)斷,共需2×n個(gè)。二極管需承受避雷器動(dòng)作電壓,設(shè)選擇5SDD 31H6000,參數(shù)為6 kV/40 kA,則共需要197×4個(gè)。

2)重合閘

故障發(fā)生至11.8 ms避雷器能量耗散完成,30 ms時(shí)各元件恢復(fù)至初始狀態(tài),滿足重合閘需求。設(shè)故障發(fā)生200 ms后斷路器進(jìn)行重合閘故障判別,圖14為合閘至永久故障時(shí)電流波形。

圖14 合閘至永久故障電流波形

由圖14可知,1.2 s觸發(fā)晶閘管T2、T3、Tl1。故障為永久故障,晶閘管承受正壓導(dǎo)通,電容C1、C2串聯(lián)于故障回路隔離故障,1.205 5 s電流重新降為0。因斷路器重新隔離故障,應(yīng)關(guān)斷UFDd1、UFDd2對(duì)電容重新放電。電容放電后斷路器可重新進(jìn)行判別以致保護(hù)系統(tǒng)認(rèn)定故障為永久故障。

4 性能對(duì)比

將所提斷路器與其他斷路器拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比,ABB公司提出的混合直流斷路器拓?fù)渥鳛橥負(fù)?[10],文獻(xiàn)[16]所提斷路器作為拓?fù)?,文獻(xiàn)[17]提出的多端口限流斷路器作為拓?fù)?,本文所提斷路器作為拓?fù)?,系統(tǒng)參數(shù)仍按表1中取值。設(shè)1 s時(shí)發(fā)生故障,保護(hù)系統(tǒng)完成故障定位需3 ms,故障線路UFD關(guān)斷需2 ms,1.006 s斷路器收到跳閘指令。

各結(jié)構(gòu)斷路器故障電流仿真結(jié)果,如圖15所示。

圖15 各拓?fù)涔收想娏鲗?duì)比

拓?fù)?因沒有增加額外的限流措施,僅通過系統(tǒng)的平波電抗器、中性線電抗器進(jìn)行限流,使得故障電流較大。且HDCCB采用IGBT作為換流單元,而IGBT承受浪涌電流能力、擊穿電壓遠(yuǎn)小于晶閘管,需串并聯(lián)多個(gè)IGBT以分壓分流。

由圖15可知,拓?fù)?、拓?fù)?、拓?fù)?均采用電容換流,拓?fù)?中換流電容與限流電感串聯(lián),為保證可靠換流,電感取值較小,限流效果一般。

拓?fù)?通過在限流支路設(shè)置IGBT使斷路器可在疑似故障發(fā)生時(shí)提前將電流轉(zhuǎn)移至主斷路器,從而在判斷故障發(fā)生于保護(hù)范圍內(nèi)立即進(jìn)行故障隔離,限流電感投入時(shí)間長,限流效果顯著。

拓?fù)?采用電容進(jìn)行限流,限流單元于故障線路LCS關(guān)斷時(shí)投入,投入時(shí)間較長,反應(yīng)于波形中為故障電流峰值較低。換流階段中限流電容與換流電容共同承擔(dān)換流任務(wù),在波形中表現(xiàn)為斷路器收到跳閘指令后故障電流迅速達(dá)到峰值。

從經(jīng)濟(jì)性比較,斷路器中所用電力電子器件相較其他器件費(fèi)用昂貴,且除拓?fù)?其他拓?fù)渚捎秒娙輷Q流,因此此處主要考慮開關(guān)器件的數(shù)量。設(shè)電力電子器件選擇上文所提型號(hào),依據(jù)各器件的承壓及通流情況,在考慮雙向分?jǐn)?、母線n條出線、器件1.2倍安全裕度的情況下,計(jì)算拓?fù)?、2、3、4所需的器件數(shù)量,如表2所示。

由圖15可知,本文所提拓?fù)渑c幾種電容型斷路器相比,限流能力較好,故障電流峰值較傳統(tǒng)的HDCCB降低了20.6%,電流峰值的減小導(dǎo)致了斷路器分?jǐn)嗨俣鹊脑黾?。而由?可知,本拓?fù)渌闷骷C合所需價(jià)格較低。

5 結(jié) 論

本文提出了一種電容限流的多端口斷路器,通過電容間的配合,實(shí)現(xiàn)了加速換流進(jìn)程,能夠快速進(jìn)行故障隔離。但目前設(shè)計(jì)需要的預(yù)充電電容需要額外的充電設(shè)備,且投入工作時(shí)會(huì)略微增大故障電流。在PSCAD中搭建四端單極MMC-HVDC仿真模型,驗(yàn)證了斷路器在故障隔離、重合閘的有效性。與其他斷路器拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比分析,相較常規(guī)的單端口DCCB保護(hù)方案,該方案減少了大量電力電子器件,經(jīng)濟(jì)成本更低;縮短了故障隔離時(shí)間;且在直流母線故障時(shí)具有可不中斷功率傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì),在直流電網(wǎng)中表現(xiàn)出較好的適用性。