一种含有均压均流电路的限流式高压直流断路器

陈可，江道灼，谢峰，杜翼

(1.浙江大学电气工程学院，杭州市310027；2.国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福州市350012)

一种含有均压均流电路的限流式高压直流断路器

陈可1，江道灼1，谢峰1，杜翼2

(1.浙江大学电气工程学院，杭州市310027；2.国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福州市350012)

针对混合式直流断路器电力电子器件依靠燃弧电压导通，极易出现过压过流等问题，提出了一种新型限流式直流断路器拓扑，设计了其固态开关的均压均流电路，并对其进行建模分析。所提出的拓扑在断路器正常运行时无额外损耗，在短路故障发生时可以无延时地导通固态开关，并快速切断短路电流，其均压均流电路在不影响故障切除的同时能有效均衡各电力电子器件的电压电流。最后对所提拓扑在PSCAD/EMTDC软件平台上进行建模仿真，结果表明提出的新型限流式直流断路器能够在短路故障发生时有效限制短路电流上升，快速切断故障，并可靠地保护固态开关。

限流式高压直流断路器；短路故障；拓扑优化；均压均流电路

0 引 言

对于柔性直流输电系统，当直流侧发生短路故障时，由于其较低的系统阻抗，短路电流将会迅速上升并达到很高水平。采用交流侧断路器来切除故障电流需要的时间过长(30～100 ms)，因此，通常利用高压直流断路器直接在直流侧快速、可靠地切除故障[1-5]。混合式直流断路器是高压直流断路器的一种，依靠机械开关导通正常电流，固态开关(电力电子开关器件)拉断故障电流，具有运行稳定、通态损耗低、开断无弧光、可靠性高等优点，是目前直流断路器，研究的新方向，具有广阔的应用前景[6-8]。

近几年关于混合式直流断路器的研究已有长足进步，但仍有问题制约着其应用到实际工程中，例如，其固态开关部分电力电子器件的均压均流问题等[9-13]。ABB公司提出的混合式直流断路器，其开断时间为5 ms，开断能力为9 kA[14]。其拓扑结构的工作原理是依靠与机械开关串联的IGBT断开流经机械开关支路的电流从而实现换流。然而该串联IGBT在断路器正常运行时，长时间导通，需要降温系统，提升了设备复杂度；在断路器开断故障过程中会承受过压风险，降低了可靠性。文献[15]提出了一种限流式混合直流断路器，依靠IGBT阀组和晶闸管阀组串联构成的复合开关来开断短路电流，但是并没有论述固态开关中相应的均压均流策略。

本文针对原有混合式直流断路器存在的问题和缺陷，提出一种新型拓扑结构，分析其结构特点及短路故障切除原理，并提出一套详细的固态开关支路均压均流方案，进行故障开断过程的建模与参数设计，最后通过仿真，对比分析验证其可行性。

1 拓扑结构与工作原理

1.1 电路拓扑

文献[15]提出的混合式直流断路器依靠机械开关分闸产生的电弧电压来为复合开关支路提供正向导通压降，当系统检测到故障发生时给复合开关支路发送的开通信号时，只有等到机械开关两端的电弧电压足够大时才能开始换流，机械开关的分闸动作将会在远高于线路正常工作电流的情况下进行。这样不仅延长了短路故障切除时间，同时降低了换流过程的可靠性，对于机械开关的选择更加严苛。

针对上述问题，本文提出了一种新型限流式混合直流断路器，拓扑结构如图1所示。图中，机械开关采用高速斥力开关导通正常电流，降低通态损耗，缩短断路器开断时间；小电感L1远小于限流电感L2，仅在短路故障发生瞬时提供固态开关的导通电压，保证固态开关无延时导通，使短路电流快速换流至IGBT支路，确保机械开关在低断口电压下分闸；晶闸管DL1、DL2在换流过程中可以快速释放L1储存的能量，避免其在换流过程中产生阻碍换流的反向电压，同时遏制了机械开关分闸所承受的电压(固态开关导通压降加上小电感反向电压)；均压、均流电路用于均衡各个IGBT器件上承受的电压和电流；限流电感L2在正常合闸过程中抑制电流上升，起到缓冲作用，在线路正常运行时抑制直流纹波，在短路故障时限制短路电流上升；晶闸管DL3、DL4及电阻RL用以释放切断故障后电感L2储存的能量。

图1 新型限流式混合直流断路器拓扑结构Fig.1 Topology of new current-limiting DC hybrid CB

1.2 小电感结构特点

根据直流输(配)电网络运行需要，直流潮流可分为正反2个方向:当潮流正向时，晶闸管DL1和DL3导通，DL2和DL4关断；潮流反向时，晶闸管DL1和DL3关断，DL2和DL4导通。对正向潮流进行分析，晶闸管DL1和DL3始终导通，等效为二极管，等效拓扑结构如图2所示。

图2 直流断路器等效拓扑结构图Fig.2 Equivalent topology of DC CB

令t1时刻发生短路故障，t2时刻系统检测到故障并给开关发送导通信号，t3时刻机械开关开始分闸动作，in为线路正常工作电流。当机械开关支路不带小电感L1时，t2时刻由于固态开关未导通，电流将持续上升到i2，直到t4时刻机械开关分闸后依靠燃弧电压换流，才逐渐下降至0；对于新型拓扑结构而言，忽略IGBT的动作时间，小电感L1上产生的正向电压使固态开关瞬时导通，此时机械开关还未动作，机械开关支路电流在电感L1作用下不再上升，保持在i1水平(略高于in)，并于t4时刻逐渐降为0，换流时间较不带小电感时节省了Δt，如图3所示。小电感L1保证了机械开关在低断口电压，略高于正常工作电流的情况下分闸，极大降低了对机械开关的要求，同时缩短了换流时间，增加了换流可靠性。

图3 故障开断过程机械开关支路电流对比波形Fig.3 Waveform comparison of current on mechanical switch branch during fault current breaking process

1.3 工作原理

当系统发生短路故障时，短路电流的开断过程波形如图4所示。

图4 直流断路器短路电流开断过程工作波形Fig.4 Working waveform of DC CB during short-circuit current breaking process

短路故障切除分为3个阶段:故障检测(t0～t3)、换流分闸(t3～t6)和故障切除(t6～t9)。

(1)故障检测。t0～t1时段直流线路通过机械开关向负载侧正常供电。t1时刻发生短路故障，小电感L1瞬时产生感应电压UL1，限流电感L2开始抑制短路电流上升。t2时刻，检测出短路故障并发出机械开关分闸信号和固态开关开通信号(固态开关动作时间远小于机械开关，相当于瞬时动作)。

(2)换流分闸。L1上产生的正向压降使IGBT阀组在接收到驱动信号时直接导通，固态开关支路电流iQ开始上升，机械开关支路电流iS不再上升，维持在略高于线路正常工作电流的水平。t3时刻，机械开关开始分闸。t4时刻，换流开始，机械开关电流iS开始下降，小电感L1上产生一定的反向电压，DL1导通释放L1上储存的能量，感应的反向电压迅速恢复至0，避免其阻碍换流过程。t5时刻，换流结束，电流iS降为0。机械开关S在低断口电压(固态开关管压降)下分闸，t6时刻完成分闸动作。

(3)故障切除。机械开关完成分闸后立刻向固态开关发出关断信号，IGBT阀组关断，阀组电压UQ上升。由于均压电路中有电容存在，电容短时充电，固态开关支路电流iQ继续上升。t7时刻，电流iQ下降，同时限流电路电感L2感应产生的反电势使DL2导通，L2中储存的能量经由限流电路释放。t8时刻，机械开关两端电压US上升至最大值(即电源电压加上电感上感应出的反电势之和)。t9时刻，限流电流iL降为0，故障彻底切除。

2 均压、均流技术及参数设计

2.1 均压、均流电路拓扑结构

新型限流式直流断路器的固态开关部分由IGBT器件构成，对于高压直流输(配)电系统，单个IGBT器件可承受的电压和电流有限，显然无法满足要求，需要采用多个IGBT器件串并联来应用到实际系统当中。

如果将IGBT器件进行简单的串并联，由于器件自身参数(极间电容、杂散电感等)和驱动电路参数(吸收电容、栅极电阻、驱动信号延时等)的不一致，将导致串联分压和并联均流不均，造成部分器件过压损坏或者过流损坏，因而必须采用合适的均压均流电路以保障固态开关不受损坏。均压均流电路拓扑结构如图5所示。

图5 均压均流电路拓扑结构图Fig.5 Topology of equalizing circuit

按照工作状态的不同，均压均流可以分为静态和动态:静态均压针对IGBT正向稳定阻断状态；静态均流针对IGBT正向稳定导通状态；动态均压均流针对IGBT导通和关断瞬间。在固态开关支路导通瞬间，由于机械开关始终处于合闸状态，IGBT阀组只承受小电感产生的正向导通电压，不用考虑均压问题，此时阀组所承受的电流也远小于关断瞬间所承受的电流，因此动态均压均流问题应当对关断瞬间进行分析。在动态过程中，由于关断信号延迟导致过压过流损坏最严重。为了便于分析，下文将均压策略和均流策略分开进行讨论。

2.2 均压原理分析及参数设计

假设短路故障电阻为0，并忽略图3中的线路阻抗和小电感L1，在关断信号发出之前(t1～t6)，限流电感能够有效地抑制短路电流的上升速率，电感两端电压大致等于电源电压:

式中:iL0为线路正常工作电流；t16为t1时刻至t6时刻所经过的时间。

均压电路中，电阻RS用于静态均压，即RS远小于IGBT关断电阻，阻断时，IGBT上的电压分布就主要取决于RS的大小，所有RS取相同值时就能实现静态电压均衡。(一般取RS的值为关断电阻Roff的1/ 10)。而IGBT两端并联的RCD回路则是用于动态均压，当同一支路中一个IGBT先关断时，由于电容两端的电压不会突变，先关断IGBT的电流将会立刻换流到电容CS上，使电压缓慢上升，当各个均压电路参数选取一致时，就能实现动态均衡电压的作用。电阻RB用于限制开关合闸时均压电容的放电电流，避免造成过流损坏IGBT器件。

以单支路固态开关为例，为了计算均压电容CS，假设有n个IGBT串联，如图6所示(RS为大电阻，可以视为开路)，其中g1(即图6中第1个IGBT)先于其他器件toff1时间关断。

式中:L2为限流电路电感；iL为限流电路电感电流；Udc为直流电源电压。

t6时刻限流电路电感电流上升至iL6

图6 单支路固态开关结构Fig.6 Structure of single branch solid-state switch

g1上的电流换流至ic1，则可得:

g1电容上的电压值为

其他电容上的电压约为0。由于toff1的大小在ns到μs级别，并且有限流电感L的存在，toff1时间内电流ic1的变化约为0。动态均压过程发生在t6时刻之后，ic1≈iL6，g1与其他功率器件电压差值为

为使各个IGBT达到均压效果，令电压差值小于0.1Udc，则可得:

由于IGBT全部关断后，固态开关支路承受线路电压，均压电容将会充电至Udc(图4中t6～t7过程)，然后短路电流才会经由电容下降至0。如果CS取值增大，则会导致充电过程时间加长，增加断路器的短路电流切除时间。因此电容CS取值时也不宜过大，以免大幅延长短路故障切除时间。

在直流断路器合闸时，复合开关首先导通，均压电容CS经电阻RB放电。由于限流电路电感L较大，在CS放电的过程时可假设iL＝0，电容两端电压为Udc/n，流过固态开关的电流iQ为

根据式(7)选定RB，使固态开关电流iQ不超过单个IGBT器件的可承受电流值。

2.3 均流原理分析及参数设计

均流电路采用变压器进行电流耦合，接法如图5所示，不同支路从异名端接入，变压器变比为1∶1。当通过磁芯的2条支路电流变化趋势相同时，线圈中产生的磁通相互抵消，不产生感应电压，2条支路正常通流，且电流相等；当2条支路电流变化趋势不同时，变化较快的支路产生的磁通大于另一条支路，感应产生的电压抑制前者的电流上升，促进后者电流变化，使2条支路达到静态和动态的均流效果。

令固态开关有n条支路，其中1条支路Q1先于其他支路toff2时间关断，等效电路如图7所示，电容CS为均压电路中的电容。

图7 均流电路等效拓扑图Fig.7 Equivalent topology of current balancing circuit

Q1支路关断后，由于UT1的作用，使Q1电流换流至电容CS。均流变压器产生感应电压，阻碍i1减小，抑制i2～in增大。忽略变压器中漏电抗Lσ，则变压器原副边产生的电压大小相等，方向相反

式中:Lm为激磁电抗；im为激磁电流。

各支路电压

变压器在图7接法中激磁电流等于原副边电流之差。令ia＝in-in-1，则由(9)式可得

Q1支路在0～toff2过程可以用微分方程式(11)表示

式中:UC为均压电容两端电压；i1在0时刻与其他各支路电流相等，为iL6/n。

结合式(10)，式(11)可简化为

令n＝2，则可得:

求解公式(13)可得:

其中

将式(14)代入式(11)得:

式(16)中sin(At)在t>0时小于At，因此得

由于toff2≤10 μs，根据式(1)，不等式右边约等于0，可以忽略。在时间toff2中，为使2条支路达到均流效果，令i1(toff)≥0.9i1(0)。因此得

同理，n条支路时可得:

则激磁电抗如下:

将toff2代入式(14)即可得到US(toff2)的值，根据式(9)，变压器两端承受的最大电压为UTmax≈(n-1)US/n，故由此可以得到变压器原副边耐压值。

对于耦合型变压器而言，漏电抗Lσ的选择应当尽量小，避免对换流过程产生影响。同时，Lσ取值应当与均压电容值CS进行校验，避免振荡产生过电压。

3 仿真分析

新型限流式混合直流断路器仿真的拓扑结构如图3所示，仿真参数如表1所示。

表1 直流断路器参数Table 1 Parameters of DC CB

IGBT采用FZ1500R33HL3，其额定电压为3.3 kV，额定电流为1.5 kA，因此固态开关支路采用4串联3并联的结构。

3.1 短路故障切除仿真

0.2 s时线路发生短路故障并发出固态开关导通信号和机械开关分闸信号，假设机械开关接收信号需要1 ms，分闸完成时间需要4 ms。限流式混合直流断路器开断过程仿真波形如图8所示，其中iQ1为固态开关其中1条IGBT支路的电流值。故障发生瞬间，小电感L1感应出12 V的正向电压使IGBT阀组立即导通，电流iQ1上升。机械开关于0.201 s开始动作，约1 ms后机械开关完成换流，iS降为0。0.205 s机械开关完成分闸，发出固态开关关断信号，各IGBT支路电流迅速下降至0(iQ1降为0)，由于均压电容的影响，约50 μs后，短路电流i下降至0。在t＝1.2 s时，流经限流电感L的电流iL降为0。

图8 直流断路器仿真波形图Fig.8 Simulation waveforms of DC CB

上述仿真说明，小电感的存在确保了IGBT阀组在接收到驱动信号的瞬间即时导通，不再依赖机械开关的燃弧电压，机械开关支路分闸时处于正常工作电流(500 A)，电压接近于0的情况下，换流时间仅为1 ms。一方面增加了换流可靠性，另一方面降低了对机械开关的要求，缩短了换流时间。在小电感两端反并联晶闸管有效遏制了小电感上产生的反向压降，避免其阻碍换流过程。

3.2 均压均流效果仿真

为了验证2.1节提出的适用于新型限流式混合直流断路器中固态开关的均压均流拓扑结构的有效性，本节对含有均压均流电路和不含有均压均流电路2种拓扑结构进行对比仿真。

0.205 s时发出固态开关关断信号，Q1支路中各IGBT的关断延时为10 μs，图9分别为IGBT阀组有、无均压电路对比仿真波形，g4相对g1延迟30 μs关断。

图9 断路器开断过程电压量对比仿真Fig.9 Comparison of voltage volume during CB breaking process

在没有均压电路时g1电压迅速上升，造成短时过电压，30 μs后其余IGBT都断开，g1恢复至正常断开电压；而有均压电路时，g1关断后电压上升速度减缓，并和g4关断后的电压上升速度保持一致。在0.205 4 s左右均压电容充电完成，2个器件达到相近的电压稳定值，达到均压效果。

同样令3条支路的关断延时为10 μs，Q2支路相对Q1支路延时20 μs关断。从图10的对比仿真中可以看出，没有均流电路时，Q1支路关断后，电流迅速转移至Q2支路，造成短时过电流，直到0.205 03 s，Q2支路关断时电流才降为0；而有均流电路作用时，Q1支路关断后Q2支路电流始终保持原来的上升速度，直到0.205 03 s时电流降为0，达到均流效果。由图9～10可知，仿真结果和上文分析相符。

4 结 语

图1 O 断路器开断过程电流量对比仿真Fig.1O Comparison of current volume during CB breaking process

本文对限流式混合直流断路器的拓扑进行了改进并对其短路故障切除原理进行了研究。通过对故障切除过程均压、均流等问题的建模分析，提出了一套详细的均压均流方案。仿真结果证明，新型限流式混合直流断路器能够在不影响短路故障切除速度的前提下，确保固态开关无延时导通以及换流过程的完成，降低了对机械开关的要求，同时小电感在正常运行时不会产生多余的损耗，也无须冷却系统；均压、均流电路能有效保护固态开关，避免因为驱动信号延迟等原因引起的器件过压、过流问题。新拓扑的局限性在于机械开关仍无法实现零电压关断(关断电压等于固态开关导通压降)，因此机械开关须具备一定的灭弧能力。

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(编辑：张小飞)

A Current-Limiting HVDC Circuit Breaker with Equalizing Circuit

CHEN Ke1，JIANG Daozhuo1，XIE Feng1，DU Yi2
(1.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.Electric Power Research Institute of Fujian Electric Power Co.，Ltd.，Fuzhou 350012，China)

The conduction of power electronic devices in DC hybrid circuit breakers(CB)relies on arc voltage，which will easily cause overcurrent，overvoltage and other problems.In view of this，this paper proposed a new current-limiting DC CB topology，designed the equalizing circuit of its solid-state switch and carried out the simulation analysis.The proposed topology does not produce loss in the normal operation of CB，and instantaneous trigger solid-state switch with quickly cutting short-circuit current during short-circuit faults.The equalizing circuit can balance the voltage and current of each power electronic devices without affecting the failure removal.Finally，the proposed topology was simulated by PSCAD/EMTDC.The results show that the proposed new current-limiting DC CB can not only limit the current rising rate when the fault occurs，but also cut fault quickly and effectively protect the solid-state switch.

current-limiting HVDC circuit breaker；short-circuit fault；topology optimization；equalizing circuit

TM 561

A

1000-7229(2015)11-0108-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.017

2015-07-07

2015-09-10

陈可(1991)，男，硕士研究生，研究方向为柔性交流输电技术；

江道灼(1960)，男，教授，博士生导师，研究方向为交直流电力系统控制、电力电子及柔性交流输电、配电网自动化；

谢峰(1989)，男，硕士研究生，研究方向为柔性交流输电技术；

杜翼(1990)，男，硕士研究生，研究方向为直流配电网、电力电子在电力系统中的应用。

国家高技术研究发展计划项目(863计划)(2013AA050103)。Project supported by the National High Technology Research and Development of China(863 Program)(2013AA050103).