500 kV整流型混合式高压直流断路器

石　巍, 曹冬明, 杨　兵, 吕　玮, 王文杰, 刘　彬

(南京南瑞继保电气有限公司, 江苏省南京市 211102)

0　引言

基于电压源换流器的柔性直流输电技术具有独立调节有功及无功功率、谐波含量小等特点，构建柔性直流电网对于大规模新能源并网和提高电网大规模远距离输电能力具有重大的意义[1-3]。高压直流断路器作为柔性直流电网中的故障快速隔离装置，是构建直流电网的关键设备，缺少高压直流断路器将极大地影响柔性直流电网的运行灵活性及供电可靠性，严重制约柔性直流输电技术的发展及应用[4-5]。

目前高压直流断路器主要分为机械式高压直流断路器、全固态高压直流断路器以及混合式高压直流断路器。机械式高压直流断路器利用电感—电容(LC)振荡创造过零点实现关断，通态损耗低、耐压强度高，但关断时间需数十毫秒，无法满足直流电网快速隔离和重启的要求[6-8]。全固态高压直流断路器基于半导体开关器件，关断速度极快，但通态损耗过大、成本高[9-11]。混合式高压直流断路器综合前两者优点，通态损耗低且开断速度快，是目前研究的热点[12-18]。2012年ABB公司研制了基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)直串技术与快速机械开关的320 kV/9 kA的样机模型，并成功进行了80 kV模块单元试验，开断时间5 ms，最大开断电流9 kA[12]。2016年全球能源互联网研究院研制的基于H桥级联的200 kV高压直流断路器成功应用于舟山五端柔性直流输电工程中，开断时间为3 ms，最大开断电流15 kA[17]。ABB公司和全球能源互联网研究院的混合式高压直流断路器，为了实现双向电流开断并承受开断暂态过电压，其电力电子开断阀组在正反两个方向分别串联了大量的IGBT。但实际在任意一个方向的电流开断过程中，只有一半IGBT参与关断并承受过电压，器件利用率低，经济性差。

基于上述混合式高压直流断路器存在的问题，本文提出了一种整流型混合式高压直流断路器电路拓扑，分断支路采用桥式换向阀组和单向开断阀组，使得IGBT的数量减半，降低了设备造价，同时提高了设备可靠性，具有更好的工程应用前景。

作为涉及开关、大功率半导体等多技术领域的新型高端电力电子设备，对混合式高压直流断路器本体以及与直流系统协调控制方面的研究也还不够深入。本文对断路器自身分闸控制策略和合闸控制策略进行了深入分析，以满足未来实际工程的应用需求。文中最后介绍了500 kV/25 kA/3 ms整流型混合式高压直流断路器样机，并通过实验验证了拓扑的可行性和有效性。

1　电路拓扑、工作原理及控制策略

1.1　拓扑结构

整流型混合式高压直流断路器电路拓扑结构如图1所示，由通流支路和分断支路并联构成。其中，通流支路包括高速机械开关S1和与其串联连接的通流阀组Q1。分断支路采用桥式整流结构，包括桥式换向阀组和单向开断阀组。桥式换向阀组由4组换向阀组D1至D4构成，每个换向阀组由多个二极管同向串联构成。单向开断阀组包括分断阀组Q2和非线性电阻MOV1，分断阀组Q2由多个IGBT同向串联构成，非线性电阻MOV1由避雷器组构成。本文所提拓扑区别于其他拓扑[12,17]的主要特征在于分断支路：二极管串联阀组形成的桥式整流结构，故而命名为整流型混合式高压直流断流器。

图1　整流型混合式高压直流断路器电路拓扑Fig.1　Topology of commutation-basedhybrid HVDC circuit breaker

通流支路中，高速机械开关S1接触电阻只有几十微欧，且通流阀组Q1由少量IGBT串并联组成，导通压降低，使得高压直流断路器的通流损耗低。分断支路中，换向阀组D1至D4和分断阀组Q2用于短时承受直流系统故障电流和暂态分断过电压，非线性电阻MOV1用于吸收直流系统中的故障能量和抑制分闸过电压。换向阀组D1至D4的二极管串联数量和分断阀组Q2的IGBT串联数量取决于非线性电阻MOV1的保护水平和半导体器件的额定电压。

与现有拓扑结构相比，本文提出的拓扑结构利用桥式换向阀组进行电流换向，使得单向开断阀组能够开断双向直流电流，因此节省了一半数量的IGBT。由于单个IGBT器件电压和电流水平有限，为满足高压等级的大电流开断，需要采用大量IGBT器件串、并联。目前商用压接式IGBT价格约是相同电压等级二极管的10倍，因此本拓扑结构的成本优势很明显。与此同时，IGBT数量的降低带来驱动控制板卡的数量减少，使得设备可靠性也得以提升。

1.2　工作原理

整流型混合式高压直流断路器开断故障电流过程中的波形示意图如图2所示(以图1电流方向1→2为例，反方向原理相同)，其中ibrk和ubrk分别为直流断路器总电流和两端电压;iS1，iQ1，iD1，iD4，iD2，iD3，iQ2，iMOV1分别为高速机械开关S1电流、通流阀组Q1电流、换向阀组D1电流、换向阀组D4电流、换向阀组D2电流、换向阀组D3电流、分断阀组Q2电流和非线性电阻MOV1电流。

图2　整流型混合式高压直流断路器开断过程中波形示意图Fig.2　Breaking waveforms of hybrid HVDC circuit breaker

开断步骤如下所示。

t0至t1阶段：t0时刻线路发生短路故障，线路电流开始上升，电流全部流过通流支路，如图3(a)所示。此时直流断路器工作在导通状态，通流支路中高速机械开关S1和通流阀组Q1均开通，分断支路中的分断阀组Q2处于关断状态。

t1至t2阶段：当直流断路器收到分闸指令时，直流断路器首先开通分断阀组Q2，然后关断通流阀组Q1。此时通流阀组Q1关断后会产生换流电压，强迫通流支路中的电流转移到已开通的分断支路中，电流通路如图3(b)所示，换向阀组D1/D4正向导通、换向阀组D2/D3反向截止。换流时间与换流电压、回路杂散电感有关，换流电压越大，换流时间越小；回路杂散电感越小，换流时间越小。

t2至t3阶段：当通流支路中的电流全部转移至分断支路后，打开高速机械开关S1，实现无压无弧分断。电流通路如图3(c)所示。

t3至t4阶段：当高速机械开关S1打开到位，建立足够绝缘能力后，关断分断阀组Q2，分断阀组Q2两端产生瞬时过电压。由于通流支路中高速机械开关S1的阻抗远远大于通流阀组Q1的阻抗，因此绝大部分过电压施加于高速机械开关S1断口两端。当过电压超过非线性电阻MOV1的参考电压值时，电流转移至非线性电阻MOV1并进行能量耗散，电流通路如图3(d)所示。当线路电流降为0后，完成整个开断过程。

图3　直流断路器分闸过程各阶段的电流通路Fig.3　Current flows at different stagesin the breaking procedure

1.3　控制策略

1.3.1预分闸控制策略

高速机械开关在零电压零电流条件下从接收到分闸指令开始至达到足够的绝缘能力大致需要2 ms的时间，占用了整个混合式高压直流断路器分闸过程中的大部分时间。因此，可以应用预分闸控制策略提前将高速机械开关打开，将大大缩短混合式高压直流断路器的分闸时间和降低系统故障电流[17]。

预分闸控制策略为：通过高速故障检测方法判断出故障线路，提前将该线路中的直流断路器电流换流至分断支路并打开高速机械开关，等待保护系统分闸指令。如果接收到保护系统的分闸指令，则继续执行分闸操作将故障电流清除；反之，如果没有接收到保护系统的分闸指令，则闭合高速机械开关和开通通流阀组，将电流换流至通流支路。

直流断路器在柔性直流电网中的典型配置方案如附录A图A1所示，从直流母线接入后经电抗器连接于输电线路。高速故障检测方法需要采集母线电压、线路电压和线路电流，当下面任一判据条件满足时则启动预分闸控制，提前打开高速机械开关。

1)电流幅值：线路电流幅值大于保护阈值。

2)电流变化量：线路电流di/dt绝对值大于保护阈值。

3)线路电压幅值：线路电压幅值小于保护阈值。

4)线路电压变化率：线路电压du/dt绝对值大于保护阈值。

5)母线电压幅值：母线电压幅值小于保护阈值。

为了保证高速检测方法的快速性和可靠性，电压采样和电流采样的延时要尽量小。

附录A图A2给出了采用预分闸控制策略下的仿真结果。和未采用预分闸控制策略仿真结果相比，虽然直流断路器整体分闸时间仍为3 ms，但是直流断路器提前了2 ms开始动作，故障电流从25 kA降为17 kA。仿真结果验证了预分闸控制策略的有效性。

1.3.2软合闸控制策略

混合式高压直流断路器常规合闸控制策略为：首先开通分断支路，然后闭合高速机械开关和开通通流阀组，最后关断分断支路。但是在直流断路器实际应用场合，如换流站给输电线路充电或者换流站孤岛从直流线路启动，通过上述合闸控制策略直接闭合直流断路器会产生过电压和系统振荡，影响系统安全可靠运行。如果在直流断路器外串联配置并联连接的电阻和旁路开关，可以实现输电线路或换流站的预充电，但是额外增加了设备占地和成本。

混合式高压直流断路器的分断支路为了承受较高的分断过电压，通过大量的功率半导体器件串联构成。为了提高功率半导体器件的串联均压效果和降低制造难度，高压的分断支路往往通过多个中压的分断支路串联构成(见附录A图A3)，每个中压分断支路中均含有非线性电阻。基于该电路结构，本文提出一种软合闸控制策略，采用逐组开通中压分断支路的方法，通过处于关断状态的中压分断支路的非线性电阻给输电系统预充电。具体软合闸控制策略为：首先逐组开通中压分断支路，然后闭合通流支路，最后关断分断支路。在逐组开通中压分断支路过程中，开通当前组中压分断支路后判断输电系统是否发生故障。若未发生故障，继续开通下一组中压分断支路直至所有中压分断支路全部开通，然后闭合通流支路，最后关断分断支路，完成合闸全部操作；若发生故障，则分断所有组已开通的中压分断支路，并中止合闸操作。

附录A图A4给出了采用软合闸控制策略下的仿真结果。和常规合闸控制策略相比，采用软合闸控制策略时不存在合闸操作过电压和电压振荡。仿真结果验证了软合闸控制策略的有效性。

该软合闸控制策略不仅适合直流断路器的正常合闸操作，而且适用于故障开断后的重合闸操作。

2　样机研制

为了验证本文所提拓扑结构的可行性和有效性，研制了一台500 kV整流型混合式高压直流断路器样机，样机主要技术参数为：额定电压 500 kV，额定电流 3 kA，分断电流 25 kA，分闸时间小于3 ms。样机照片如附录A图A5所示。

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通流支路的通流阀组Q1由少量IGBT串并联构成，具有低导通损耗和高可靠性。通流阀组Q1因为长期承受额定电流，需要配置水冷系统。为了便于水冷系统的接入和降低水冷系统对其余设备的影响，通流阀组Q1布置于通流支路阀塔的最底层。通流支路的高速机械开关S1由多个由电磁斥力机构驱动的真空开关串联组成，布置于通流支路阀塔的上方。

分断支路由10个50 kV中压分断支路串联构成，布置于2个分断支路阀塔内，每个阀塔各5层。为了实现大电流开断，IGBT采用4.5 kV/3 kA压接式器件，通过提高IGBT的驱动门极电压，可以实现最大5倍额定电流的电流开断能力。分断阀组Q2采用IGBT两并联结构，可以开断25 kA故障电流。非线性电阻MOV1为80 kV保护水平的避雷器组。分断支路在直流断路器正常通流期间没有电流流过，因此不需要配置冷却系统。

3　实验验证

为了测试500 kV整流型混合式高压直流断路器的电流开断性能，搭建了如附录A图A6所示的试验回路。高压直流电流源通过隔离刀闸K给电容器C充电，电容器C充好电后断开隔离刀闸K，触发导通晶闸管T使得电容器C通过电抗器L放电产生大电流，500 kV直流断路器进行电流开断测试，二极管D起到续流保护作用。

图4给出了500 kV整流型混合式高压直流断路器25 kA开断电流下的电压、电流波形。当晶闸管T触发导通后，LC振荡电流全部流过断路器样机通流支路并持续上升。3 ms后，高压直流断路器接收到分闸指令，通流支路中的通流阀组Q1关断，产生换流电压，迫使电流从通流支路向分断支路换流，期间总电流仍呈上升趋势，换流电流约20 kA，时间小于300 μs。换流完成后，电流全部流过分断支路中，通流支路中电流为0，此时无弧无压打开高速机械开关S1，该过程持续约2 ms。待高速机械开关打开到位后总电流约25 kA，此时关断分断支路中的分断阀组Q2，电流转移至非线性电阻MOV1进行耗散，总电流开始下降直至0，完成开断过程。开断期间高压直流断路器两端产生瞬时暂态过电压，约800 kV。从高压直流断路器接收到分闸控制命令至总电流开始下降时间总共约2.9 ms(小于3 ms)。

图4　25 kA电流开断下电压和电流波形Fig.4　Voltage and current waveforms with 25 kA current breaking

通过上述实验结果，证明了整流型混合式高压直流断路器拓扑的可行性和有效性。

4　结语

高压直流断路器能够起到交流电网中交流断路器的作用，可以丰富柔性直流电网的运行方式。本文针对混合型直流断路器进行了深入研究。主要结论如下。

1)提出了一种整流型混合式高压直流断路器电路拓扑，该拓扑相较于现有混合式拓扑，理论上可以节省一半的IGBT器件数量，经济性好，可靠性高。

2)研究了直流断路器控制策略，提出了预分闸控制策略和软合闸控制策略，缩短了分闸时间和减小了合闸操作冲击。

3)在以上研究基础上研制了500 kV高压直流断路器样机，可开断25 kA电流，且开断时间小于3 ms，充分证明了本文所提出的整流型混合式直流断路器电路拓扑的正确性和可行性。

为进一步优化整流型混合式高压直流断路器，下一步的研究内容如下。

1)对于整流型混合式高压直流断流器，可进一步定量分析和研究其经济性、可靠性，以明确相比于其他混合式断路器的优势。

2)在控制策略方面，有必要从短路电流抑制、降低系统操作冲击等方面，进一步研究预分闸策略、软合闸控制策略在多端柔性直流电网中的应用效果。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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石巍(1987—)，男，通信作者，硕士研究生，主要研究方向：电力电子在电力系统中的应用。E-mail： shiwei2@nrec.com

曹冬明(1973—)，男，教授级高级工程师，主要研究方向：高压大功率电力电子技术。E-mail: caodm@nrec.com

杨兵(1982—)，男，硕士研究生，主要研究方向：高压大功率电力电子技术。E-mail: yangb@nrec.com