一种新型限流式高压直流断路器拓扑_李帅

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直流断路器与交流断路器的工作过程有很大不 同，主要原因是直流电流没有过零点，给关断工作 造成很大的困难 [7,8] ，而且直流系统若发生故障，故 障电流的上升速率远比交流系统的大。故障过电流 会对系统设备造成破坏，所以需要有更快的故障切 除速 度 ， 同 时 需 要 迅 速 吸 收 储 存 在 系 统 电 感 中 的 能量。目前有很多文献和专利提出了不同的高压 直流断路器方案。出现最早的是机械式高压直流 断路器 [9] ， 主要由机械开关、反向电流发生电路、 能量吸收回路组成。该型断路器主要分为自激振荡 过零点型、预充电振荡过零点型。自激振荡型具有 结构简单、易于控制、成本低的特点，但需要几十 毫秒后才能形成人工过零点；预充电振荡型可在数 毫秒之内分断，但需要增加电容器充电回路，设备 繁多、控制实现复杂。 20 世纪 70 年代出现了采用 晶闸管的全固态高压直流断路器， 80 年代随着门极 可关断晶闸管（ Gate-Turn-off Thyristor ，GTO ） 、绝 缘栅双极晶体管 （ Insulation Gate Bipolar Transistor, IGBT）等全控型器件的出现，给全固态直流断路器 提供了新的器件选择。 1987 年， 美国研制的 200 V/15 A 全固态直流断路器使用 GTO 作为主开关器件； 1999 年， Houston 大学研发出电压等级为 500 V 的 固态直流断路器；2005 年，美国电力电子系统研究 中心（ CPES ）将固态直流断路器样机的电压 / 电流 等级提高到 4.5 kV/4 kA 。 文献 [10-13]对固态高压直 流断路器进行了研究，但由于这几种结构通态损耗 较大，成本较高，所以实用性较差，限制了其在高 压领域的应用。 为了兼顾机械式断路器的低损耗与固态断路 器的高分断速度的优势，文献 [14] 提出了混合型直 流断路器，该型断路器的特点是，在正常工作时导 通低损耗通路， 需要切断电路时先将电流由低损耗 通路转移到电 力 电 子 断 流 回 路 ， 然 后 再 关 断 电 力 电子器件， 将电流再 次 转移到能 量 吸收回路。 ABB 公司在 2012 年研制出 了电压等 级 320 kV ，额定 电流为 2 kA 的混合式 高 压直流断路器
网络出版时间：2017-08-30 10:39:22 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2188.TM.20170830.1039.024.html
2017 年 第 32 卷第
月 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
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流接入点的能量交换能够被灵活控制。然而，直流 电网的实现必须同时满足高效能、高可靠性、高可 控性，由于直流线路的自由连接特性，一旦发生故 障，如不把故障线路隔离，将影响全网的安全运行， 这时具备故障穿越能力的换流站已不能满足要求， 所以高压直流断路器必不可少
[5,6]
低通态损耗的特性，在正常运行时导通，以降低断 路器的运行损耗，故障发生时通过开关控制将电 流由第一支路转移到第二支路，随后关断该支路 中 的 电 力 电 子 器 件 ， 系 统 能 量 由 能 量 吸 收 回 路耗 散掉。
A New Topology for Current-Limiting HVDC Circuit Breaker
Li Shuai Zhao Chengyong Xu Jianzhong Beijing Guo Chunyi 102206 China） （ State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Abstract
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引言
高 压 直 流 （ High Voltage Direct Current ，
电系统、直流电网的研究日益深入 [4] 。由多端直流 输电系统 发 展 而 来 的 直 流 电 网 是 一 种 新 型 的 电 力 传输网络，每个交流系统通过换流站与直流系统相 连，各直流线路可以自由连接，互相作为冗余使用。 相对于双端或多端直流输电系统，直流电网有以下 优点：减少了换流站的数量进而降低了成本与损耗， 一个线路退出运行不会造成任何一个换流站的中断 运行；每个换流站以不同的功率并网运行；每个交
，其结构
如图 1 所示，主要由两个支路组成：第一支路、第 二支路（包含能量吸收回路） 。其中第一支路具有
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电 工 技 术 学 报
2017 年
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1.1
拓扑结构及工作原理
拓扑结构 针对在高电压、大容量场合中故障电流上升过
把所有支路的电感并联以减少等效电感值，此时每 个支路流过 1/n（ n 为电感支路数）的电流；②故障 限流模式：该模式下通过开关管的控制使原本并联 的支路电感串联起来，将系统电感由 L/n 增大为 n · L 以达到限流效果；③ 断路模式：该模式下控制 所有支路关断，以快速切断系统电流；④先限流后 断路模式：该模式下，先将支路电感串联起来，此 时根据电感的特性，使得系统电流大大降低、同时 上升速率也大大减小，最后可以选择执行关断或恢 复正常操作，这种模式能够为故障检测赢得更多的 时间，降低误判的发生率；而对于常规的断路方案 来说，由于直流系统故障电流上升率较高，进一步 压缩故障检测时间将导致误判的发生率提高。该断 路器限流后故障电流上升率大大降低，若确定是误 判即可取消后续的断路操作，并可选择维持在限流 状态或恢复正常运行状态。 先限流后断路模式的操作过程为。当系统出现 短路故障时，先执行限流操作，将所有限流阀段中 的低损耗支路的 IGBT 关断，待电流转移到电力电 子断流支路后， 分断 UFD ， 待触头达到安全间距后， 断开电力电子支路的所有 IGBT ，此时能量转移到 能量吸收回路中进行耗散。待限流阀段电流降为零 后分断配置在支路之间的 UFD 以防止后续的断路 操作对限流阀段造成冲击。此时每个支路的电感变 为串联连接方式，由于电感的电流不能突变，使得 线路总电流将降为原来的 1/n ，此时系统的总电感 也增加为 n · L ，以有效抑制故障电流的上升率。如 果后续确定是永久性故障，则对断路阀段执行同样 的操作以完全切断系统电流；若为误判或暂时性故 障，则重新开通限流阀段的开关管，恢复正常运行 模式。 由于流过电感的电流不易突变， 在扰动作用下 不会出现各支路暂态电流突变， 所以用电感将电路 分为几个支路的做法避免了暂态的均流问题， 而如 果将 IGBT 直接并联，则需要采取附加均流电路以 保证运行中各 IGBT 的暂态电流均衡避免局部过电 流，为额定电流较小的 IGBT 器件关断较大的故障 电流提供了新思路。由于单个 IGBT 关断的电流值 为总电流的 1/ n ，关断过程中器件所受到电流的热 效应冲击大大减小。考虑到电感电流不能突变，在 限流操作时系统故障电流会大大减小 （由于电感的 存在， 并联切换成串联时每个支路电流突变受到抑 制） ，能量吸收回路的采用是为了吸收限流瞬间系 统电感（包括平波电抗、线路等效电感）储存的能
Vol.32
No. 2017
DOI： 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.161266
一种新型限流式高压直流断路器拓扑
李 帅 赵成勇 许建中 郭春义
北京 102206） （新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学） 摘要
首先简要回顾了直流断路器的国内外研究现状及优缺点，在此基础上提出了一种带有
Firstly, the various existing circuit breakers are compared, and on this basis, a new
topology for current-limiting HVDC circuit breaker is proposed in this paper. Insulation gate bipolar transistor(IGBT) is used in this topology as main power switching devices. This topology has two operating modes: fault current limiting and circuit breaking. The topology has the advantages of lower power loss, large quantities of turning off current, and high voltage level. The branches of this topology has the features of modularity, which can be flexibly configured to regulate the working current and current limiting effect. Therefore, the directly parallel connection of the IGBTs can be avoided or reduced. Finally, the topology is modeled in PSCAD/EMTDC, the simulation results show that the topology has good fault current limiting and circuit breaking performance. Compared with existing scheme, the peak current and its rising-rate are reduced. The results show the reliability of the novel theory and feasibility of proposed topology. Keywords： HVDC circuit breaker, series and parallel devices, fault current limiting, energy absorption
HVDC ）输电由于具有诸多优点，已成为近年来的 研究热点 [1-3] 。目前国内外对柔性多端高压直流输
国家自然科学基金（ 51777072 ）和中央高校基本科研业务费专项资 金资助（ 2017XS018 ）。 收稿日期 2016-08-10 改稿日期 2017-01-07
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期
李
帅等
一种新型限流式高压直流断路器拓扑
[15]
图1 Fig.1
ABB 研发的混合式高压直流断路器结构 Generic structure of hybrid dc circuit breaker developed by ABB
ABB 混合式高压直流断路器没有采用限流开 断技术，且在检测到故障发生后需先进行电流转移 操作，电流顺利转移且隔离开关完全打开后才能执 行断路操作。考虑到故障点有可能距离较远、信号 传输延迟以及检测算法耗时等因素，准确的故障检 且快速隔离开关动作时间 测时间通常大于 2 ms[16] ， 需 2 ms。由于直流系统故障电流上升率远大于交流 系统，且 IGBT 的过电流能力有限，故障电流将超 过该型断路器的关断上限，限制了该型断路器的额 定电压电流等级，且能量吸收仍需要一定的时间。 因此该拓扑无法满足当前直流输电高电压、大电流 的发展需求。适用于高电压、大电流场合的直流断 路器的研发已经得到了高度的重视 [17] 。 本文提出了一种限流式高压直流断路器拓扑， 采用 IGBT 作为主开关器件，具有模块化的特点， 可灵活选择支路数量以增大断路能力并减小每个电 力电子器件的工作电流。相比于现有高压直流断路 器拓扑，该拓扑可以在疑似故障发生（如直流电流 上升率突变，直流侧平波电抗器两端电压突变，但 此时也有可能只是小的扰动）时启动限流操作，抑 制故障电流上升率，待故障准确判定时进行断路操 作或恢复正常运行状态，所以更适用于高电压、大 电流的场合。同时由于多个支路的存在，每个支路 流过的电流较小，从而可避免或减少 IGBT 直接并 联使用，具有关断速度快的特点；随后建立了该拓 扑的等效电路图，并对其进行了分析和研究；最后 将其与现有主流断路器结构进行了对比分析，并通 过仿真验证了该拓扑能够快速地进行限流和断路操 作，且断路和限流瞬间各个器件所承受的电压电流 应力都在所设计的范围内。
限流功能的高压直流断路器拓扑。该拓扑采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为主开关器件，具有 断路、限流等功能，并具有通态损耗小、关断电流大、电压等级高的优点；可灵活配置支路数量 以调节每个支路的工作电流及故障下的限流效果，进而避免或减少大容量场合下 IGBT 的直接并 联。PSCAD/EMTDC 环境下的仿真结果表明该断路器具有良好的限流、断路性能，故障电流上升 率及峰值相比于现有方案得以明显降低，验证了理论分析的正确性和方案的可行性。 关键词： 直流断路器 中图分类号： TM561 器件串并联 故障限流 能量吸收