發(fā)布時(shí)間：2021-12-11所屬分類(lèi)：工程師職稱(chēng)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：研究了基于電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)的限流式混合直流斷路器。采用電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)，以降低高壓混合式直流斷路器的電力電子功率器件串聯(lián)數(shù)量;采用特殊設(shè)計(jì)的限流電路，在故障發(fā)生時(shí)抑制短路電流的上升速率，并可在線路斷開(kāi)后自行釋放能量，避免感應(yīng)過(guò)電壓的產(chǎn)生。同時(shí)，
摘要：研究了基于電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)的限流式混合直流斷路器。采用電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)，以降低高壓混合式直流斷路器的電力電子功率器件串聯(lián)數(shù)量;采用特殊設(shè)計(jì)的限流電路，在故障發(fā)生時(shí)抑制短路電流的上升速率，并可在線路斷開(kāi)后自行釋放能量，避免感應(yīng)過(guò)電壓的產(chǎn)生。同時(shí)，對(duì)限流式混合直流斷路器的參數(shù)設(shè)計(jì)原則及復(fù)合開(kāi)關(guān)的配置方法進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)，并對(duì)其正確性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果證明，采用文中所述方法進(jìn)行限流式混合直流斷路器的設(shè)計(jì)，不僅可以在直流電路發(fā)生短路故障時(shí)有效限制短路電流上升率，降低短路電流開(kāi)斷難度，還可以顯著減少器件串聯(lián)數(shù)量，從而達(dá)到降低裝置體積與成本的目的。
關(guān)鍵詞：混合直流斷路器;電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān);限流電路;參數(shù)設(shè)計(jì)
0 引言
高壓直流輸電以交流輸電不可替代的優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離大功率輸電和交流系統(tǒng)的非同步聯(lián)絡(luò)等方面得到廣泛的應(yīng)用。近十幾年來(lái)，輕型直流輸電技術(shù)的提出和發(fā)展，更使直流輸電延伸到了近距離、小容量的輸電場(chǎng)合。另一方面，面對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，用戶(hù)對(duì)電 力 系 統(tǒng) 提 出 了 更 加 環(huán) 境 友 好、安 全 可靠、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)并支持用戶(hù)與電網(wǎng)雙向互動(dòng)等諸多要求，研究兼具可靠性、安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的直流配電網(wǎng)具有巨大的市場(chǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-7]。
目前，制約柔性直流輸(配)電網(wǎng)絡(luò)實(shí)際工程應(yīng)用的主要原因之一，就是缺乏實(shí)用的高壓直流斷路器。作為承載、開(kāi)斷直流運(yùn)行回路正常電流以及各種故障電流的開(kāi)關(guān)設(shè)備，直流斷路器大體可以分為機(jī)械式斷路器、全固態(tài)斷路器與混合式斷路器。機(jī)械式斷路器具有運(yùn)行穩(wěn)定、帶載能力強(qiáng)、通態(tài)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但由于自身結(jié)構(gòu)的制約，斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的電弧易損壞觸頭，故障電流切除時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)時(shí)、靈活、快速動(dòng)作[8]。全固態(tài)斷路器具有開(kāi)斷時(shí)間短、無(wú)弧光等優(yōu)點(diǎn)，但存在容易過(guò)壓過(guò)流、通態(tài)損耗高等無(wú)法克服的缺點(diǎn)，極大地影響了全固態(tài)斷路器的實(shí)際應(yīng)用[9]。混合式斷路器結(jié)合了機(jī)械開(kāi)關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動(dòng)態(tài)性能，具有通態(tài)損耗小、開(kāi)斷時(shí)間短、無(wú)需專(zhuān)用冷卻設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，是目前斷路器 研 發(fā) 的 新 方 向，有 廣 闊 的 應(yīng) 用 前 景[10-12]。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)軟關(guān)斷的混合式限流斷路器結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠快速開(kāi) 斷 短 路 電 流，但 僅 能 用 于 低 壓 場(chǎng) 合;文獻(xiàn)[14]提出了基于高速斥力開(kāi)關(guān)和晶閘管的混合式直流斷路器，能有效地開(kāi)斷上升速率較快的短路電流，但是開(kāi)斷速度較慢。文獻(xiàn)[15]對(duì)現(xiàn)有的直流斷路器進(jìn)行了總結(jié)，提出了一種混合式直流斷路器，并對(duì)其原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。
雖然近幾年直流斷路器技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但大多數(shù)科研機(jī)構(gòu)對(duì)于直流斷路器的研究還基本處于樣機(jī)試制和驗(yàn)證階段，容量較小且集中在一些特殊的領(lǐng)域。其主要問(wèn)題在于以下兩個(gè)方面。
1)直流故障電流難以迅速開(kāi)斷
電壓源型換流器等基于全控型功率半導(dǎo)體器件的電力電子變換裝置是柔性直流輸(配)電網(wǎng)的核心部件，其直流側(cè)需接入足夠大的并聯(lián)支撐電容。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)附近的并聯(lián)支撐電容迅速放電，導(dǎo)致短路電流上升快、幅值高;而對(duì)于直流斷路器而言，現(xiàn)有電力電子器件過(guò)載能力較低，而且承受di/dt，du/dt的能力有限。若要求采用電力電子器件開(kāi)斷故障電流，就要求直流斷路器在故障電流上升到一定值之前完成開(kāi)斷，這對(duì)混合直流斷路器機(jī)械開(kāi)關(guān)的速動(dòng)性提出很高的要求。雖然近年來(lái)出現(xiàn)了動(dòng)作速度較快的高速斥力開(kāi)關(guān)[13]，但這一問(wèn)題仍不能得到根本解決。因此，如何快速準(zhǔn)確判斷故障并開(kāi)斷短路電流成為直流斷路器研究的難題之一。
2)高壓直流系統(tǒng)中電力電子器件串聯(lián)數(shù)量問(wèn)題
混合直流 斷 路 器 應(yīng) 用IGBT、集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)等全控電力電子器件串聯(lián)構(gòu)成固態(tài)開(kāi)關(guān)回路，以實(shí)現(xiàn)直流電路的通斷。相對(duì)直流電網(wǎng)的電壓而言，電力電子功率器件的耐壓有限，為了解決多個(gè)電力電子器件串聯(lián)時(shí)的均壓?jiǎn)栴}，通常需對(duì)電力電子器件的均壓策略進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)電力電子器件串聯(lián)后的安全運(yùn)行。然而，在高壓大容量的應(yīng)用場(chǎng)合下，隨著電壓等級(jí)的不斷增加，電力電子器件串聯(lián)個(gè)數(shù)不斷增多，這不僅增加了均壓技術(shù)難度，無(wú)法保證器件的安全運(yùn)行，也將使直流斷路器的體積與成本明顯增大。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)混合式直流斷路器做了諸多理論研究[16-18]，并研制出了相應(yīng)的試驗(yàn)樣機(jī)，其中 ABB公司研發(fā)的混合直流斷路器最具代表性。根據(jù)所公布的技術(shù)文件[19]，該斷路器的開(kāi)斷能力9kA，開(kāi)斷時(shí)間5ms，可運(yùn)用于320kV 的 高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)。這種混合式直流斷路器的固態(tài)開(kāi)關(guān)完全采用IGBT 器件 串 聯(lián) 構(gòu) 成，這 對(duì) 器件的均壓技術(shù)提出了很高的要求，從而增加了工程實(shí)現(xiàn)的難度。
針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，本文優(yōu)化整合全控型與半控型電力電子開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)基于電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)的限流式混合直流斷路器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究：采用由半控和全控型電力電子器件組合構(gòu)成的新型電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)，以降低高壓混合式直流斷路器的電力電子功率器件串聯(lián)數(shù)量，從而有效降低其整體體積與成本;設(shè)計(jì)了一種限流電路，在故障發(fā)生時(shí)抑制短路電流上升率，并可在線路斷開(kāi)后自行釋放能量，避免感應(yīng)過(guò)電壓的產(chǎn)生，同時(shí)爭(zhēng)取更多的關(guān)斷時(shí)間，降低了對(duì)機(jī)械開(kāi)關(guān)速動(dòng)性的要求。同時(shí)，對(duì)限流式混合直流斷路器開(kāi)斷故障電流時(shí)的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程進(jìn)行了分析，并據(jù)此提出了限流式混合直流斷路器的參數(shù)設(shè)計(jì)原則及復(fù)合開(kāi)關(guān)的配置方法。
1 限流式混合直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理
基于電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)的限流式直流斷路器，其拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu) 見(jiàn) 圖 1。機(jī) 械 開(kāi) 關(guān) S 采用高速斥力開(kāi)關(guān)，該裝置動(dòng)作時(shí)間短，可以顯著縮短直流斷路器的開(kāi)斷時(shí)間;電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)由IGBT 閥組 T1 與晶閘管閥 組 T2 串 聯(lián) 構(gòu) 成，由 于 晶 閘 管 的 耐 壓 相 對(duì) 較高，因此該復(fù)合開(kāi)關(guān)可用于降低電力電子器件的串聯(lián)數(shù)量及均壓技術(shù)難度;限流電路由限流電感L、晶閘管 DL 和 DL1及能量釋放電阻 RL 構(gòu)成，故障發(fā)生時(shí)，L 用于限制 短 路 電 流 上 升 率，故 障 切 除 后，L 中存儲(chǔ)的能量經(jīng) DL 和 DL1及 RL 釋放;續(xù)流二極管 D用于釋放電源出口與短路點(diǎn)間的線路阻抗中存儲(chǔ)的能量，故障切除后，線路能量經(jīng)續(xù)流二極管與短路點(diǎn)釋放，以避免其感應(yīng)過(guò)電壓對(duì)其他設(shè)備造成的影響。
根據(jù)直流線路的運(yùn)行需要，直流斷路器需具備5種工作模式，即潮流正向時(shí)的合閘與分閘、潮流反向時(shí)的合閘與分閘以及線路故障時(shí)的短路電流開(kāi)斷。定義圖1中電流iS 的方向?yàn)槌绷髡较颍?dāng)潮流正向，線路需合閘時(shí)，令晶閘管 DL，DL1始終關(guān)斷，直至合閘完成;當(dāng)潮流正向，線路需分閘時(shí)，令晶閘管 DL1始終關(guān)斷，晶閘管 DL 始終導(dǎo)通。同理，當(dāng) 潮流反向，線路合閘時(shí)，晶閘管 DL，DL1始終關(guān)斷;當(dāng)潮流反向，線 路 需 分 閘 時(shí)，令 晶 閘 管 DL 始 終 關(guān) 斷，晶閘管 DL1始終導(dǎo)通。由于線路的過(guò)電壓與過(guò)電流通常出現(xiàn)在開(kāi)斷短路電流的過(guò)程中，因此下文以潮流正向時(shí)的短路開(kāi)斷過(guò)程為例，對(duì)直流斷路器的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。限流式直流斷路器在潮流正向時(shí)的等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖及短路電流開(kāi)斷過(guò)程工作波形圖分別如圖2、圖3所示，由于晶閘管 DL 始終導(dǎo)通，圖2中將其等效為二極管。
0～t1(區(qū) 間Ⅰ)：直 流 線 路 正 常 供 電，復(fù) 合 開(kāi) 關(guān)處于關(guān)斷 狀 態(tài)，機(jī) 械 開(kāi) 關(guān)(復(fù) 合 開(kāi) 關(guān))兩 端 電 壓VS為零，機(jī)械開(kāi)關(guān)電流iS 為線路正常供電電流。
t1～t2(區(qū)間Ⅱ)：t1 時(shí)刻發(fā)生故障，限流電路電感 L開(kāi)始抑制短路電流i的上升。t2 時(shí)刻，斷路器同時(shí)發(fā)出機(jī)械開(kāi)關(guān)分閘信號(hào)及復(fù)合開(kāi)關(guān)導(dǎo)通信號(hào)。
t2～t3(區(qū)間Ⅲ)：為機(jī)械開(kāi)關(guān) S動(dòng)作延時(shí)時(shí)間。由于VS 小 于 復(fù) 合 開(kāi) 關(guān) 導(dǎo) 通 電 壓，復(fù) 合 開(kāi) 關(guān) 仍 處 于關(guān)斷狀態(tài)，短路電流i繼續(xù)上升。
t3～t4(區(qū)間Ⅳ)：t3 時(shí)刻，機(jī)械開(kāi)關(guān)S開(kāi)始斷開(kāi)，其兩端電壓上升。
t4～t5(區(qū)間Ⅴ)：t4 時(shí)刻，VS 達(dá)到復(fù)合開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電壓，復(fù)合開(kāi)關(guān)開(kāi)始導(dǎo)通，由于IGBT 閥組 T1 導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于晶閘 管 閥 組 T2，在 T1 導(dǎo) 通 時(shí)，T2 尚 未導(dǎo)通，復(fù)合開(kāi)關(guān)電流iT 為零。
t5～t6(區(qū)間Ⅵ)：t5 時(shí)刻，T2 開(kāi)始導(dǎo)通，復(fù) 合 開(kāi)關(guān)電流iT 上升，機(jī)械開(kāi)關(guān)電流iS 下降，短路電流逐漸由機(jī)械開(kāi)關(guān)回路轉(zhuǎn)移至復(fù)合開(kāi)關(guān)回路。t6 時(shí)刻，機(jī)械開(kāi)關(guān)電流iS 下降為零。
t6～t7(區(qū)間Ⅶ)：機(jī)械開(kāi)關(guān)S進(jìn)入零電流分閘過(guò)程，短路電流完全由復(fù)合開(kāi)關(guān)回路承擔(dān)，復(fù)合開(kāi)關(guān)電流iT 繼續(xù)上升。t7 時(shí) 刻，機(jī) 械 開(kāi) 關(guān) S完 成 分 閘，向T1，T2 發(fā)出關(guān)斷信號(hào)。
t7～t8(區(qū) 間Ⅷ)：在 T1 的 關(guān) 斷 過(guò) 程 中，復(fù) 合 開(kāi)關(guān)仍有電流流過(guò)，T2 無(wú)法恢復(fù)正向阻斷特 性，其 兩端電壓仍為其導(dǎo) 通 電 壓，IGBT 閥 組 電 壓VT1上 升，復(fù)合開(kāi)關(guān)電流iT 下降，VS 上升。
t8～t9(區(qū)間Ⅸ)：t8 時(shí)刻，IGBT 閥組 T1 完全關(guān)斷，晶閘管閥組 T2 開(kāi)始恢復(fù)其正向阻斷能力，其兩端電壓上升，IGBT 閥 組 電 壓VT1下降后亦繼續(xù)上升。t9 時(shí)刻，T2 恢復(fù)正向阻斷能力，復(fù) 合 開(kāi) 關(guān) 完 全關(guān)斷。
t9 時(shí)刻后(區(qū)間Ⅹ)：由于緩沖電路中電容的存在，雖然復(fù)合開(kāi)關(guān)完全關(guān)斷，但限流電路電感電流iL及短路電 流i仍 會(huì) 有 短 暫 上 升。而后電流開(kāi)始下降，限流電路電感L 感應(yīng)產(chǎn)生的反電勢(shì)使 DL 導(dǎo)通，直流線路電感產(chǎn)生的反電勢(shì)使續(xù)流二極管 D 導(dǎo)通，線路及L 中的能量開(kāi)始釋放。某一時(shí)刻，iL 下降率達(dá)到最大值，VS 上升至最大值(即 電 源 電 壓 與 電 感L 產(chǎn)生的反電勢(shì)之和)，限流電路晶閘管電流iDL及續(xù)流二極管電 流iD 亦上升至最大值。其 詳 細(xì) 過(guò) 程將在第2節(jié)中進(jìn)行分析。
2 限流式混合直流斷路器的參數(shù)設(shè)計(jì)
2.1 限流過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)移與釋放
當(dāng)線路合閘時(shí)，由于限流電感的作用，線路電流緩慢上升至線路正常工作電流，因此器件承受的過(guò)電壓與過(guò)電流通常出現(xiàn)在線路分閘，尤其是短路電流的開(kāi)斷過(guò) 程 中。本節(jié)假設(shè)短路故障電阻為0，并忽略圖2所示的線路阻抗，對(duì)限流式混合直流斷路器短路電流開(kāi)斷過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程進(jìn)行分析。
4 結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)基于電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)的限流式混合直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了研究，并對(duì)其限流過(guò)程、能量轉(zhuǎn)移、參數(shù)設(shè)計(jì)原則及電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)的配置方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。與 ABB 公司 研發(fā)的高壓直流斷路器相比，本文提出的基于電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)的限流式混合直流斷路器可以限制直流線路短路電流的同時(shí)避免線路電壓電流振蕩，有效開(kāi)斷直流線路短路電流，還可以在直流線路分?jǐn)嗪鬄橹绷骶�路及負(fù)載中存儲(chǔ)的能量提供釋放回路，并降低電力電子復(fù)合開(kāi)關(guān)的串聯(lián)個(gè)數(shù)及均壓技術(shù)難度，但是需要增加一個(gè)緩沖電容，可能會(huì)增大斷路器的體積與成本。——論文作者：杜 翼，江道灼，鄭 歡，張 弛，尹 瑞，吳兆麟
參 考 文 獻(xiàn)
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