高压直流断路器在柔性直流工程中的应用研究

侯玮琳

（华北电力大学，北京102206）

1 概述

随着化石能源的逐渐枯竭以及由此带来的生态环境不断恶化等问题，世界各国广泛开展对风能、太阳能等可再生能源的开发和利用。除常规的火力发电厂外，风电场与光伏电站逐渐在电力系统发电端的兴起，给输配电网络带来了新的挑战。为解决采用交流输电技术存在的电力系统调峰、电力系统安全、电能质量等诸多问题，直流输电因在稳定性和容量方面都有着很大优势而得到广泛关注。

柔性直流输电技术是一种基于可关断半导体器件绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）的新型直流输电技术，在提高电力系统稳定性、增加系统动态无功储备、改善电能质量、增加系统对清洁能源的消纳能力以及提高配电网可靠性和灵活性等方面都具有较强的技术优势。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术相比于传统常规直流输电技术，具有环保性好、占地面积小、环境影响小等优点，适用于太阳能等清洁能源并网、孤岛（无源负荷）供电、大型城市供电等应用领域，是构建智能电网的重要技术手段。目前国内己投运的柔直工程多为两端输电系统，多端柔性直流输电则是在两端柔性直流输电技术基础上的一个重大技术跃变，采用3 个及以上换流站，通过不同方式连接起来构成多端柔直系统，能够实现多电源供电和多落点受电。

然而，由于直流系统的阻尼相对较低，相比于交流系统，直流系统的故障发展更快，控制保护难度更大。一旦直流线路发生故障，无法通过自身动作实现故障电流的清除，必须配备快速可靠的隔离措施。其中，隔离直流线路故障最为理想的方法是利用高压直流断路器（Direct Current Circuit Breaker ,DCCB）。

2 混合式直流断路器拓扑

交流高压断路器技术已经相对成熟，而高压直流断路器技术2012 年11 月才被ABB 公司攻克，然而，该断路器造价昂贵，经济性差。就目前研发现状而言，基于常规机械开关和电力电子器件的混合式高压直流断路器最具有大规模商业化应用的前景。混合式直流断路器结合了机械式断路器和固态断路器的优点，兼具机械式断路器良好的静态特性以及固态断路器无弧快速分断的动态特性，既具备较低的通态损耗，又有很快的分断速度，更加适合应用于柔性直流输电系统。

国家电网公司在舟山柔性直流输电工程中开展了世界上首套高压直流断路器的商业化应用。本工程使用的直流断路器模型采用IGBT 全桥型（桥式）混合式直流断路器模型。级联全桥混合式高压直流断路器拓扑包含有主支路、转移支路和耗能支路3 条并联支路。断路器主支路用于导通系统故障电流，由机械开关和含IGBT 的全桥子模块串联构成，通态损耗低；断路器转移支路用于分断系统短路故障电流，由多级全桥子模块串联构成；耗能支路用于吸收系统短路电流并抑制分断过电压，由避雷器组构成。

3 直流断路器运行情况分析

本文基于PSCAD 仿真平台搭建了上述直流断路器的仿真模型，通过仿真系统故障电压变化结果，来分析直流断路器在工程中的运行情况。图1 是设置正极接地短路后，仅由直流断路器对故障电流进行分断的情况下，故障极电压波形结果，三条线分别表示了换流阀负极出口电压、直流断路器出口电压以及电缆入口电压波形。

图1 正极短路故障极电压波形

正常运行情况下故障极换流阀出口电压保持在额定直流电压-200kV。该电压在短路时刻0ms 与断路器闭锁时刻均出现明显过电压，期间小幅振荡。

直流断路器出口电压波形与换流阀出口电压波形在DCCB动作前基本吻合，区别在于当DCCB 动作后，DCCB 出口电压没有迅速下降，而是在经过振荡之后接近0kV。

4 结论

本文分析了引入高压直流断路器对短路故障电磁暂态过程的影响，在研究了直流断路器的拓扑结构与工作原理基础上，建立了相应的仿真模型，并结合仿真结果对直流断路器在工程中的运行情况进行了分析。本文主要结论有以下两点：

4.1 换流站内高压直流断路器采用级联全桥混合式高压直流断路器拓扑，其中主支路、转移支路的全桥子模块结构均为IGBT 全桥结构；

4.2 从单极短路结果可以看出，直流断路器拥有独立分断系统故障电流的能力，但换流阀不闭锁，会使得正极直流断路器开断后持续耐受系统电压，内部电阻将过热，对器件造成损害。