白英英，马松龄
（西安建筑科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710055）
0 引言
在柔性直流电网的故障隔离方式中，高压直流断路器因具备选择性快速切除故障的能力而成为研究热点[1⁃3]。其中，混合式直流断路器[4]融合了机械式和固态式[2，5]的优点（包括开断速度快、开关损耗小、寿命长），而成为主要发展目标。
混合式直流断路器主要以ABB 公司[6]及研联院研制的产品为典型代表，但其固态开关组均由大量IGBT串联构成，体积庞大、造价昂贵、串联均压困难，且未达到限流技术对断路器子模块和避雷器的高特性要求；研联院的级联模块式结构[7]虽然可以用模块内的电容实现均压，但所用IGBT 数量更多，成本居高不下。
针对上述问题，本文提出一种限流式模块化混合直流断路器拓扑。在转移支路采用二极管和IGBT 模块串联实现双向通流及换流均压。考虑到二极管耐流耐压能力差，为提高断路器的安全稳定性，在转移支路设计辅助限流模块，既能实现故障电流的抑制，也能保护断路器子器件，提高断路器分断速度。
1 限流式模块化断路器拓扑结构
1.1 设计思路
目前，混合式直流断路器的拓扑结构如图1 所示。主支路正常运行时电流通路，故障时分断主支路将故障电流换流至转移支路，吸能支路用于完成故障分断后剩余能量的吸收；转移支路用于承受故障电流，是IGBT 应用数量最多的，并且随着电压等级提高，日益增加。因此，本文的拓扑结构设计主要针对转移支路。
图1 混合式高压直流断路器结构组成框图
为提高IGBT 利用率，降低断路器生产成本，在设计转移支路时，利用二极管的单向导通性，使得正反方向电流都只流通这一路IGBT 的串联模块，既实现双向通流又能降低成本，提高实际应用率。
考虑到断路器开断过程的安全稳定性，设计转移支路辅助限流模块，其相比较传统限流控制的混合式直流断路[8⁃9]，可以规避串入大的限流电感对直流系统的电压及其潮流控制造成不利影响[10]。因此，本文将辅助限流模块设计在转移支路环节，既保护断路器免受大电流的冲击还可以规避对系统潮流控制的影响。基于以上所设计的新型限流式模块化混合直流断路器整体拓扑结构如图2 所示。
1.2 几种断路器的经济性对比
假设以上拓扑是在相同电压等级320 kV 下所设计，采用相同规格5NA2000K450300 的压接型IGBT 器件，直流断路器在设计时考虑1.5 倍的过电压，即480 kV的耐压水平。为了便于比较，假定下面所提到的几种拓扑结构采用的是相同规格的二极管及IGBT 器件。所设计的拓扑相比较图1a）可以减少IGBT，比图1b）减少的IGBT。相关拓扑转移支路所使用的具体电力电子器件数量对比如表1 所示。
图2 限流式模块化混合直流断路器拓扑图
表1 四种直流断路器拓扑所用器件数目对比
2 断路器工作原理分析
文中设计的直流断路器故障开断的具体工作过程电流变化如图3 所示。
图3 断路器电流变化波形
图中，0～T1阶段，系统处于正常工作状态。T1时刻发生故障，电流迅速上升至保护阈值，控制系统分别发送分合闸脉冲指令，导通转移支路，闭锁主支路IGBT。T2时刻待故障电流完全换流至转移支路后，机械开关无弧分断。将直流系统等效为直流电压源如图4 所示。
其列微分方程式如下：
设电感电流为iL（t），则发生故障前后瞬时电流为：
此时的故障电流为：
式中：Udc为直流侧电压；Rs为线路电阻和负载电阻之和；Leq为线路电感和限流电感之和。
图4 发生短路故障时等效电路图
待机械开关分断后，闭锁转移支路的IGBT 模块，电容模块持续充电，其等效电路图如图5 所示。
图5 串入电容时等效电路图
这一阶段电容电压初始值与故障电流初始值为：
式中：
式中Ceq为换流支路中等效电容之和，此刻电容电压为：
式中VCeq(t3-)为IGBT 的导通电压。综合可知，电容值与电容电压成反比，为了使电容电压快速达到避雷器耐压水平，提高断路器的分断时间，应该合理选择电容值。
T3～T4阶段，当IGBT 模块中的电容电压达到吸能支路动作时，吸能支路开始吸收故障电流，直至T5时刻避雷器吸收全部能量完成最终的开断。
3 仿真算例
本文基于图2 拓扑结构，利用PSCAD/EMTDC 仿真平台搭建仿真模型，表2 为仿真系统参数，图6 为三端直流系统仿真模型，直流系统电压为±320 kV。令t=3 s时，MMC1 出口附近发生双极短路故障，直流断路器检测到故障发生，迅速向断路器DCB1，DCB2，DCB3，DCB5 发送分断指令，直流断路器DCB1 与DCB2 的分断过程相似，其电流电压波形如图7a）～图7e）所示。正常运行时电流为1.6 kA，发生故障后，转移支路开始导通，主支路IGBT 关断进行一系列分断动作，整个过程在4 ms之内完成。断路器DCB3的电流变化如图7f）（与DCB5 特性基本相似）所示，发生故障后，靠近故障端的DCB1、DCB2先执行故障分断，经过短延时后，DCB3开始执行故障分断过程，整体分断比DCB1，DCB2 略慢一些，但都满足5 ms 内完成故障分断的快速性。由此可知本文所提的拓扑结构可以很好地实现故障分断。
表2 直流断路器系统仿真参数
图6 三端直流输电系统
为验证所设计的辅助限流模块的性能，如图8 所示，其中，虚线为ABB 式拓扑结构仿真曲线，粗实线为文中拓扑仿真曲线。由图可知，ABB 式故障电流可达8.7 kA，单组避雷器吸收能量最高达到3125 kJ。文中拓扑增加限流模块后，故障电流降为4.9 kA，避雷器吸收能量为1152 kJ。在实现故障开断同时抑制了短路电流及其上升率。另外从避雷器的吸收能量可以看出，增加限流模块后，避雷器吸收能量明显降低，降低了对器件的冲击力，保护了断路器二极管等器件，而且整个故障分断时间也有所提高。这样对于整个系统的故障识别能提供更充足的时间，具有一定的实用意义。图9为故障后各个换流站直流电压的变化情况，可以看出发生故障时，MMC2、MMC3、系统电压未下降到限流控制策略的阈值，因此其限流控制策略未启动。
图7 直流断路器分断过程电流电压波形图
而MMC1 距离故障点很近，直流电压迅速下降，当故障电流达到断路器动作阈值后，断路器开始执行故障分断过程，待故障完全切除后，MMC1 系统电压逐渐恢复正常运行范围。
图8 断路器电流及其吸收能量对比
可以看出，在文中断路器分断故障过程中，并没有因为拓扑结构增加限流器对直流系统潮流控制造成不利影响。
图9 各换流站出口直流电压波形图
4 结语
文中在现有的混合式直流断路器基础之上设计改进型限流式模块化混合直流断路器拓扑结构，通过理论分析以及仿真验证，在4 ms 内快速有效分断故障。在相同电压等级情况下，转移支路使用数量更少的IGBT，大幅降低断路器生产成本，同时在转移支路设计了限流环节。仿真分析证明，该限流设计能很好地抑制短路电流及其上升率，提高断路器安全稳定性，也规避了对系统潮流控制造成的不利影响，具有一定的应用价值。
