基于转移支路逐组导通的混合式直流断路器软合闸策略

2021-07-29石巍曹冬明陈羽许元震王文杰孙超

南方电网技术 2021年6期

石巍，曹冬明，陈羽，许元震，王文杰，孙超

(南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102)

0 引言

直流电网能够实现多电源供电和多落点受电，具有所需换流站数量少、控制灵活、冗余较多、可靠性高等优点，是未来电网的发展方向之一[1 - 3]。然而由于直流电网的阻尼相对较低，与交流系统相比，直流电网的故障发展更快。因此，为快速限制并切断故障电流，需要配置响应速度毫秒级别的直流断路器[4 - 6]。直流断路器的拓扑方案主要分为全固态直流断路器[7 - 8]、机械式直流断路器[9 - 10]以及混合式直流断路器[11 - 15]。混合式直流断路器综合了前两者的分断速度快和通态损耗低的优点，同时具有无电流分断死区、控制灵活、可快速重合闸等优势，是当前国内外研究的主要方向。

目前围绕混合式直流断路器的研究主要集中于拓扑方案、分闸策略、设备研制和试验等方面，对其合闸/重合闸策略的研究相对较少。文献[14]首次提出了混合式直流断路器利用转移支路电力电子模块逐组导通的软合闸策略，可以降低输电线路通过直流断路器合闸接入直流电网的过电压冲击、还可以实现换流站无预充电回路从直流侧启动，但是文中没有对软合闸过程进行详细暂态分析。文献[15]研究了混合式直流断路器重合闸策略，通过分级重合降低重合闸过程中的电压突变带来的不利影响，但文中没有考虑直流断路器两端等效电容对重合闸暂态过程的影响。此外，实际工程应用中，混合式直流断路器两侧配置有隔离开关，合闸操作还需兼顾隔离开关的操作。

本文在分析混合式直流断路器拓扑结构和合闸/重合闸原理的基础上，给出了利用转移支路电力电子模块逐组导通的软合闸策略，并对不同合闸/重合闸应用场合下的暂态过程进行了详细分析。同时提出了基于耗能支路电流的软合闸过流保护方法和耗能支路能量均衡方法，这些方法可以优化软合闸策略。在PSCAD/EMTDC中搭建了两端柔性直流电网电磁暂态模型，验证了不同场合下的软合闸暂态过程分析、软合闸过流保护方法和耗能支路能量均衡方法的正确性和有效性。

1 混合式直流断路器及其工作原理

1.1 混合式直流断路器基本拓扑

混合式直流断路器的基本拓扑如图1所示，由主支路、转移支路和耗能支路并联构成。

图1 混合式直流断路器基本拓扑Fig.1 Basic topology of hybrid DC circuit breaker

从图1可以看出，混合式直流断路器具有以下特点。

1)主支路由快速机械开关和少量电力电子模块串联构成，用于导通正常负荷电流以及分闸过程中完成电流的转移；

2)转移支路由多组电力电子模块串联构成，用于短时承受系统电流，并通过电力电子模块关断电流后对电力电子模块RCD吸收电路的电容充电，并建立暂态分断电压；

3)耗能支路由金属氧化物电阻(metal oxide varistor, MOV)串并联构成，用于抑制暂态分断电压和耗散直流电网储存的能量。

由于转移支路和耗能支路等效阻抗不够大，在电流开断后仍存在一定的漏电流。因此，混合式直流断路器在直流电网中应用时，需要在直流断路器两侧各配置隔离开关D1和隔离开关D2。同时，隔离开关还为直流断路器检修提供明显的断口。

1.2 合闸/重合闸工作原理

混合式直流断路器的工作原理包括分闸工作原理和合闸/重合闸工作原理。分闸工作原理在大量文献中已有具体阐述，在此不在赘述，本文重点研究合闸/重合闸工作原理。

1.2.1 外部控制时序

直流断路器的合操作包括合闸和重合闸，两者由于初始状态不同，外部控制时序也有所不同。

在合闸之前，直流断路器初始状态为分闸位置、两侧隔离开关为分闸位置。因此，合闸操作包括以下2个步骤。

1)合直流断路器两侧隔离开关；

2)合直流断路器。

在保护跳闸/重合闸之前，直流断路器初始状态为合闸位置、两侧隔离开关为合闸位置。因此，保护跳闸/重合闸操作包括以下2个步骤。

1)保护跳直流断路器；

2)重合直流断路器。

1.2.2 混合式直流断路器内部控制时序

混合式直流断路器的合闸和重合闸的内部控制时序相同，包括以下3个步骤。

1)导通转移支路电力电子模块；

2)闭合主支路机械开关和主支路电力电子模块；

3)分断转移支路电力电子模块。

1.2.3 合闸/重合闸对系统性能的提升

直流断路器合闸可以实现输电线路和换流站接入直流电网，重合闸可以实现故障线路的快速恢复。图2为两端柔性直流输电系统典型架构。其启动过程为：换流站S1解锁启动、直流断路器DB1及其两侧隔刀合闸接入输电线路、直流断路器DB2及其两侧隔刀合闸从直流侧启动换流站S2、换流站S2解锁传送功率；其故障恢复过程为：保护跳DB1/DB2、重合DB1/DB2。

图2 含直流断路器的两端柔直输电系统Fig.2 Two-terminal flexible DC transmission system with DC circuit breakers

2 软合闸策略

图3为混合式直流断路器软合闸策略的控制框图。

图3 混合式直流断路器软合闸策略控制框图Fig.3 Control diagram of soft-closing control strategy of hybrid DC circuit breakers

混合式直流断路器自身收到合闸或重合闸控制指令后，根据内部控制时序第1步中转移支路电力电子模块的导通方式不同，可分为硬合闸和软合闸：

1)硬合闸策略为同步导通所有组转移支路电力电子模块；

2)软合闸策略为逐组导通转移支路电力电子模块。

硬合闸会对直流系统产生较大的操作过电压。软合闸相比硬合闸，系统电压平缓上升。

在逐组导通转移支路电力电子模块过程中需要判断是否发生软合闸过流保护，即判断是否合闸于故障。若软合闸过流保护未动作，继续导通下一组转移支路电力电子模块，直至转移支路电力电子模块全部导通；若软合闸过流保护动作，则分断所有转移支路电力电子模块。

2.1 软合闸暂态过程

2.1.1 软合闸暂态过程分类

混合式直流断路器软合闸控制时序如前面所述分为3个步骤，暂态过程简述如下。

1)软合闸充电暂态过程：逐组导通转移支路电力电子模块，给系统充电至额定电压。该暂态过程相对较为复杂且关键，本节重点分析。

2)断路器内部换流暂态过程：闭合主支路机械开关和主支路电力电子模块，分断转移支路电力电子模块。该暂态过程较为简单，即电流从转移支路向主支路转移，暂态过程直流断路器处于导通状态、对系统没有影响，因此本文不再详述。

2.1.2 软合闸充电暂态过程

转移支路模块、输电线路和换流站等效电路如图4所示。

图4 转移支路模块、输电线路和换流站等效电路Fig.4 Equivalent circuit of transfer branch module, transmission line and converter station

混合式直流断路器在逐组导通过程中，每组转移支路电力电子模块可用开关K、电容C和MOV并联电路等效，如图4(a)所示。

输电线路等效电路可用LRC串联电路近似等效，如图4(b)所示。其中，线路电抗为Lo、线路电阻为Ro、线路对地电容为Co。换流站从直流侧启动时可用LRCD串联电路近似等效，如图4(c)所示。桥臂电抗器及平波电抗器的电抗用Lo等效、桥臂电抗器及平波电抗器的内阻用Ro等效、各桥臂子模块电容用Co等效、各子模块上管半导体器件体二极管用Do等效。

图4(a)中系统电压为Us，则有：

Udcb=Us-Uo

(1)

式中：Udcb为直流断路器两端电压；Uo为输电线路或换流站电压。

软合闸充电暂态过程分为2类，如图5所示。

图5 软合闸充电暂态过程分类Fig.5 Transient process classification of soft-closing charging

1)Ⅰ类充电暂态：通过转移支路电力电子模块等效电容给输电线路或换流站充电。

假设转移支路电力电子模块共有n组，未导通的转移支路电力电子模块数量用m表示。Ⅰ类充电暂态过程中，未导通转移支路电力电子模块的并联MOV动作电压大于直流断路器两端电压，即满足：

m×UMOV>Us-Uo

(2)

式中UMOV为单组MOV的动作电压。

在Ⅰ类充电暂态过程中，未导通转移支路电力电子模块的并联MOV能量没有发生变化。

2)Ⅱ类充电暂态：通过耗能支路MOV给输电线路或换流站充电。

Ⅰ类充电暂态过程中，当未导通的转移支路电力电子模块等效电容两端电压充至MOV的动作电压时，会自动转入Ⅱ类充电暂态过程。Ⅱ类充电暂态过程中，未导通转移支路电力电子模块的并联MOV动作电压小于等于直流断路器两端电压，即满足：

m×UMOV≤Us-Uo

(3)

在Ⅱ类充电暂态过程中，每组转移支路电力电子模块导通后，MOV在充电脉冲电流下两端电压近似等于UMOV，每组未导通转移支路电力电子模块的并联MOV能量增加量为：

(4)

2.2 不同应用场合下合闸/重合闸暂态过程分析

2.2.1 输电线路接入直流电网

第1步，合直流断路器两侧隔离开关后，系统电压通过直流断路器两端电容给输电线路充电。由于当两侧隔离开关闭合后将产生阶跃性的输入电压，根据LRC阶跃响应原理(回路电阻Ro很小)，输电线路远端将产生一定的操作过电压。操作过电压的大小主要与直流断路器的等效电容C、输电线路的等效电容Co有关，当C/Co比值越大时，操作过电压越高。直流断路器的等效电容C为微法级，输电线路的等效电容Co和输电线路的形式、结构和长度有关(相同线路长度下，电缆线路对地电容比架空线路对地电容略大)。当输电线路结构和长度确定后，宜通过如下方法来抑制合两侧隔离开关产生的操作过电压：1)降低直流断路器等效电容；2)增加回路电阻，如直流断路器转移支路电力电子模块采用RC缓冲回路。输电线路在电晕作用下逐渐放电，在稳态下系统电压大部施加于直流断路器两端。

第2步，直流断路器软合闸暂态过程中，转移支路电力电子模块逐一导通，软合闸过程首先为Ⅰ类充电暂态。当剩余未导通的转移支路电力电子模块等效电容两端电压充至MOV的动作电压时，进入Ⅱ类充电暂态过程。该暂态过程中，输电线路电压阶梯式上升。

通过上述分析，在输电线路通过直流断路器软合闸接入电网的应用场合中，直流断路器两侧隔离开关闭合时输电线路会产生一定的过电压，但在直流断路器软合闸过程中输电线路电压是阶梯式上升过程。

2.2.2 换流站接入直流电网

换流站从直流侧启动时，往往需要配置预充电回路，增加了设备成本和占地。直流断路器采用软合闸策略后可以实现换流站在无预充电回路下从直流侧启动。

第1步，合直流断路器两侧隔离开关后，系统电压通过直流断路器两端电容给换流站子模块电容充电。由于换流站三相桥臂子模块的等效电容Co为毫法级，远大于混合式直流断路器的等效电容C，在稳态下系统电压基本施加于直流断路器两端。

通过上述分析，在换流站通过直流断路器软合闸从直流侧启动的应用场合中，直流断路器两侧隔离开关闭合时不会产生过电压，且直流断路器软合闸可实现换流站子模块阶梯式充电、不需要额外预充电回路。

2.2.3 重合闸快速恢复故障线路

第1步，保护跳直流断路器后200～400 ms间收到重合闸指令时，直流断路器两侧隔离开关处于闭合状态。忽略等待重合闸指令期间直流断路器等效电容两端电压通过自身内阻的放电(放电常数秒级)，直流断路器两端电压为系统电压、输电线路电压约为0。

第2步，直流断路器软合闸的暂态过程中，转移支路电力电子模块逐一导通，软合闸过程首先为Ⅰ类充电暂态。当剩余未导通的转移支路电力电子模块等效电容两端电压充至MOV的动作电压时，进入Ⅱ类充电暂态过程。该暂态过程中，输电线路电压阶梯式上升。

通过上述分析，在直流断路器重合闸实现输电线路故障快速恢复的应用场合中，直流断路器软合闸过程电压阶梯式上升。

2.2.4 合/重合闸于故障

输电线路和换流站存在故障时，其等效模型中的电容Co被短路。合闸操作在合两侧隔离开关后系统电压全部施加于直流断路器两端，与重合闸操作前的状态相同。

第三，报账人员因为自己要提前核算原始票据，占用大量时间来粘贴原始票据，对此多有意见。但同时又因为种种原因粘贴情况不符规定，反而增加了财务人员的工作量，也造成了报销师生与财务工作人员的矛盾。

软合闸直流断路器的暂态过程中转移支路电力电子模块逐一导通，软合闸过程首先为Ⅰ类充电暂态。当剩余未导通的转移支路电力电子模块等效电容两端电压充至MOV的动作电压时，进入Ⅱ类充电暂态过程，此时故障电流开始加速上升，故障电流流过直流断路器的MOV。

2.3 软合闸策略优化设计

2.3.1 软合闸过流保护方法

硬合闸过流保护方法中保护电流测点往往设计于转移支路，其过流保护定值门槛需要大于系统额定电流，使得合闸于故障后开断的电流及MOV能量均较大。

通过对不同应用场合下合闸/重合闸暂态过程分析可以得出：软合闸过程合/重合闸于故障暂态过程中，耗能支路电流是加速上升的。因此，软合闸过流保护方法可以基于耗能支路电流来设计。合闸和重合闸可以共用同一个软合闸过流保护定值门槛，也可以独立配置，软合闸过流保护定值门槛设计原则为：躲过合/重合闸于正常线路或换流站过程中的短脉冲充电电流，并留有一定安全裕度。

考虑到重合闸操作之前已经完成一次电流开断，MOV吸收的能量已经较大，需要尽可能地降低重合闸于故障再次开断的电流，从而降低避雷器设计容量和成本。因此，建议重合闸时软合闸过流保护定值门槛独立配置。

2.3.2 耗能支路能量均衡方法

转移支路电力电子模块采用依次逐组导通的方式，根据式(4)可以得出每组转移支路电力电子模块的并联MOV能量是不平衡的。最后一组导通的转移支路电力电子模块的并联MOV能量最大。由于输电线路的等效电容Co较小，MOV能量不平衡可以忽略。然而换流站的等效电容Cc相对较大，MOV能量不平衡影响较大，需要设计耗能支路能量均衡方法。

耗能支路能量均衡方法的设计原则为：保证流过每组MOV的短脉冲充电电流个数大致相同。在此原则下MOV能量均衡方法有很多种，其中较为典型的方法为：

1)首先将转移支路电力电子模块分为前后各一半；

2)然后按正序方向逐组导通前一半转移支路电力电子模块；

3)接着进行前后轮换：即将前一半转移支路电力电子模块分断后，再将后一半转移支路电力电子模块导通；

4)最后按逆序方向逐组导通前一半转移支路电力电子模块。

3 仿真分析

为了验证软合闸策略分析，软合闸过流保护方法和耗能支路能量均衡方法的正确性与有效性，在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了图2所示的两端柔性直流电网电磁暂态模型，仿真步长25 μs。其中，换流站S1采用500 kV理想直流源，换流站S2采用实际换流站模型，其关键参数如表1所示；直流断路器DB1和DB2采用如图1所示的混合式直流断路器，其关键参数如表2所示；输电线路采用真实输电线路模型，其关键参数如表3所示。

表1 换流站S2关键参数Tab.1 Key parameters of converter station S2

表2 混合式直流断路器关键参数Tab.2 Key parameters of Hybrid DC circuit breakers

表3 输电线路关键参数Tab.3 Key parameters of transmission line

3.1 直流断路器DB1软合闸过程-输电线路充电

图6为直流断路器DB1软合闸给输电线路充电的仿真结果。0.3 s时刻DB1两侧隔离开关合闸，输电线路远端产生一定的过电压，约350 kV；2 s时刻直流断路器DB1软合闸，输电线路电压从初始60 kV阶梯式上升至500 kV，前2组导通转移支路电力电子模块过程为Ⅰ类充电过程、第3组导通转移支路电力电子模块过程为Ⅰ类充电过程向Ⅱ类充电过程过渡，后面导通的转移支路电力电子模块过程为Ⅱ类充电过程。流过避雷器电流峰值最大约100 A，逐组导通转移支路电力电子模块过程约50 ms(每组间隔5 ms)。最后导通的转移支路电力电子模块的MOV能量最大，为60 kJ。

图6 直流断路器DB1软合闸过程仿真结果Fig.6 Simulation results of DC circuit breaker DB1 soft-closing process

3.2 直流断路器DB2软合闸-换流站S2充电

图7为直流断路器DB2软合闸给换流站S2充电的仿真结果。3.3 s时刻DB2两侧隔离开关合闸，换流站稳态电压很低，可见系统电压基本施加于直流断路器两端；4 s时刻直流断路器DB2软合闸，换流站电压从初始2 kV阶梯式上升至525 kV，第1组导通转移支路电力电子模块过程为Ⅰ类充电过程，第2组导通转移支路电力电子模块过程为Ⅰ类充电过程向Ⅱ类充电过程过渡，后面导通的转移支路电力电子模块过程为Ⅱ类充电过程。流过避雷器电流峰值最大约450 A，逐组导通转移支路电力电子模块过程约1 s(每组间隔100 ms)。最后一组导通的转移支路电力电子模块的MOV能量最大，为2.5 MJ。

图7 直流断路器DB2软合闸过程仿真结果Fig.7 Simulation results of DB2 soft-closing process

3.3 输电线路故障重合闸-暂时性故障

输电线路暂时性故障重合闸成功的仿真结果。6 s时刻线路发生暂时性故障，DB1/DB2跳闸隔离故障，6.4 s重合DB1进行故障线路恢复。重合DB1期间，输电线路电压从初始60 kV阶梯式上升至500 kV，前2组导通转移支路电力电子模块过程为Ⅰ类充电过程、第3组导通转移支路电力电子模块过程为Ⅰ类充电过程向Ⅱ类充电过程过渡、后面导通的转移支路电力电子模块过程为Ⅱ类充电过程，流过避雷器电流峰值最大约100 A，逐组导通转移支路电力电子模块过程约50 ms(每组间隔5 ms)。最后一组导通的转移支路电力电子模块的MOV能量最大，为2.26 MJ(含故障跳闸时的能量2.2 MJ)。

图8 输电线路暂时性故障重合闸的仿真结果Fig.8 Simulation results of transmission line transient fault reclosing

3.4 输电线路故障重合闸-永久性故障

图9为输电线路永久性故障重合闸失败的仿真结果。6 s时刻线路发生永久性故障，DB1/DB2跳闸隔离故障，6.4 s重合DB1进行故障线路恢复。重合DB1期间，由于线路故障仍存在，当流过最后一组转移支路电力电子模块并联的避雷器电流大于软合闸过流保护定值500 A时(定值设计略高于重合闸成功时的100 A脉冲电流)，分断所有转移支路电力电子模块后电流从530 A降为0。未导通转移支路电力电子模块的避雷器能量从第一次电流开断后的2.2 MJ上升至重合闸于故障再次分断后的2.35 MJ，仅增加0.15 MJ。已导通转移支路电力电子模块的避雷器能量从第一次电流开断后的2.2 MJ上升至重合闸于故障再次分断后的2.225 MJ，仅增加0.025 MJ。

图9 输电线路永久性故障重合闸的仿真结果Fig.9 Simulation results of transmission line permanent fault reclosing

3.5 耗能支路能量均衡方法

图10为直流断路器DB2软合闸给换流站S2充电时，逐组导通方法和耗能支路能量均衡方法的仿真对比结果。可以看出，采取耗能支路能量均衡方法后每组MOV能量更加均衡，MOV平均能量为1 017 kJ，最大MOV能量为MOV1的1 365 kJ、最小MOV能量为MOV3的710 kJ。采取耗能支路能量均衡方法后，不平衡度从143%降为34%。