基于RTDS的三端口混合直流断路器仿真试验

崔玉书，王旭，屈谛

(1. 山东管理学院智能工程学院，济南 250357；2. 山东泰开电力电子有限公司，山东 泰安271000)

0 引言

近年来，高压直流输电和柔性直流输电成为国际电力领域的热点之一[1 - 4]。随着经济发展和电网的建设，多端直流输电以其多电源供电和多落点受电，较高的供电可靠性等优点逐步成为直流输电发展的趋势，因此在两端直流输电系统上发展而来的多端直流输电系统受到越来越多关注[5 - 7]，在国内，南澳风电场三端直流输电示范工程和舟山五端柔性直流输电工程等相继得到实际应用[8 - 9]。

多端直流系统可靠运行的重要指标之一是当故障发生时，系统能够快速有效地将故障隔离，使系统正常部分继续稳定运行。而直流断路器是直流输配电系统实现可靠故障隔离的方式之一[10 - 13]。唐家湾三端柔性直流配电网工程成功应用了世界首套±10 kV三端口混合式直流断路器，可实现多端换流站的联络及故障快速隔离，从而保障系统安全可靠运行。

三端口混合式直流断路器的换流过程、断流能力、拓扑结构等性能验证需要实际断路器样机，导致其性能功能验证试验尤为复杂，成本大大增加。工程调试和投运之前，对三端口混合式直流断路器仿真系统进行研究设计，利用RTDS建立基于三端口混合式直流断路器拓扑结构的RTDS仿真模型，同时搭建仿真模型与控保系统实际物理装置连接组成的数字物理混合闭环仿真系统，可为开展混合式直流断路器功能性能验证提供重要的支撑，并可大幅缩减试验成本。

本文针对珠海唐家湾三端柔性直流配电网工程中三端口混合直流断路器拓扑结构设计了RTDS仿真系统，结合直流输电工程控制保护功能性能试验(function performance test, FPT试验)要求设计了RTDS对外通信接口连接物理控保装置，最后详细设计混合直流断路器开断策略，并利用RTDS设计LC振荡电路模拟故障电流对所设计开断策略有效性及三端口混合直流断路器中Path2混合式直流断路器断流能力及换流过程进行仿真验证。

1 三端口直流断路器拓扑及控保系统

1.1 三端口直流断路器拓扑结构

唐家湾三端柔性直流配电网工程采用3个独立交流电源的“星型”网络拓扑结构，其中鸡山Ⅰ换流站、鸡山Ⅱ换流站、唐家湾换流站通过地下电缆相连接，构成±10 kV柔性直流配电网。为提高直流断路器应用于柔性直流配电网的经济性，并实现多路开断，现场结合耦合负压型混合式断路器拓扑及多端口直流断路器概念，采用一种三端口混合式直流断路器拓扑[14]，如图1所示。

图1 三端口混合式直流断路器的拓扑结构Fig.1 Topological structure of three-port hybrid DC circuit breaker

图中，三端口直流断路器主要由1台断路器和2台混合式直流断路器组成，其中，断路器为快速机械开关，混合式直流断路器为耦合负压型混合式断路器，混合式直流断路器拓扑如图2所示。

图2 混合式直流断路器拓扑图Fig.2 Topology of a hybrid DC circuit breaker

该混合式直流断路器由快速机械开关支路(B1)、电力电子开关支路(B2)和能量吸收支路(B3)组成[15]，其中，快速机械开关支路为机械开关，主要承载正常电流，用于导通直流系统电流。电力电子开关支路由多级双向电力电子开关和耦合负压回路组成，用于短时承载并关断直流系统故障电流和建立瞬态开断电压，开断电流过程中，晶闸管被触发强制换流，电力电子开关从而承载双向电流并切断故障电流。能量吸收回路由多组避雷器串并联组成，用于抑制开断过电压并吸收线路剩余能量[16 - 21]。

1.2 三端口直流断路器控保系统配置方案分析

直流断路器控制保护(简称控保)系统其设计目标在于满足对快速机械开关、多级电力电子开关、负压耦合回路的控制需求，同时具备直流断路器本体保护功能，确保在极端故障情况下直流断路器本体的安全。

直流断路器控制保护系统配置方案见表1。

表1 三端口直流断路器控制保护系统配置方案Tab.1 Configuration scheme for the protection and control system of the three-port DC circuit breaker

通过控保系统配置，可实现主要功能如下。

1)保护功能。快速机械开关支路、电力电子开关支路均配备电子式电流互感器(electronic current transformer, ECT)，用于采集支路电流。直流断路器配备本体过流保护/合并单元一体化设备，用于采集直流断路器两支路的电流并快速进行过流判断，将合并后的电流采集值及过流保护结果发送给BCU，用于BCU实现本体保护功能。

2)控制与监测功能。BCU和直流断路器控制/驱动子模块(ICU、SCU、NCU)之间通过直流断路器控制子机FEU实现双冗余通信。FEU接收到BCU的控制命令后，会将该命令转发给相应的控制/驱动子模块，实现对直流断路器的控制功能。同时，直流断路器控制/驱动子模块会对机械开关、电力电子开关和负压耦合回路进行监视，将机械开关、电力电子开关和负压耦合回路的状态实时发送给FEU。FEU根据接收到的断路器状态产生相应的断路器异常告警或闭锁信号，并提取关键信号上传给BCU，最终实现对直流断路器的监视功能[22 - 24]。

由此，所设计RTDS仿真平台需要接收BCU下行合闸分闸控制命令并上传支路开关位置信号以实现控保系统对本体控制与监测功能，同时，需要上传支路电流信号至BCU实现电流采集及过流判断以实现控保系统保护功能。

2 三端口直流断路器RTDS仿真系统设计

基于三端口混合式直流断路器拓扑结构及控保系统配置方案，开展RTDS仿真系统设计，仿真系统组成如图3所示，采用冗余双重化设计。

图3 三端口直流断路器RTDS试验仿真系统Fig.3 Simulation system of the three-port DC circuit breaker RTDS experiment

图3中，仿真系统主要由直流系统控保、断路器本体控保、RTDS接口设备以及RTDS仿真平台组成，针对控保系统配置方案分析中提出的信号需求，RTDS仿真平台依托GTIO与GTAO实现。

其中下行控制信号由GTDI输入，接收BCU下发合闸分闸控制命令，其配置如表2所示。

表2 下行控制信号配置表Tab.2 Configuration table of downlink control signal

表2中，机械支路控制信号、电子支路控制信号、负压回路控制信号分别为BCU下发控制快速机械开关、电力电子开关、耦合负压回路指令。

针对BCU下行信号中快速机械开关分合信号，快速机械开关及耦合负压回路控制同时响应，迫使电流换向到电子开关回路。

支路直流电流采样信号由GTAO输出，其配置如表3所示。

表3 支路直流电流采样信号配置表Tab.3 Branch DC current sampling signal configuration table

表3中，分别采集正负极断路器3条支路电流，5 V模拟量输出，电压5 V线性对应电流20 kA。

上行开关状态，由GTDO输出，其配置如表4所示。

表4 上行开关状态信号配置表Tab.4 Uplink switch status signal configuration table

综上，所设计的RTDS仿真系统实现了三端口直流断路器仿真平台与控保装置的物理连接。所设计控制、电流采集及状态信号满足本体控保装置保护及控制监测功能的实现。

3 直流断路器开断策略设计

当直流电网发生短路故障时，故障电流短时迅速攀升，针对耦合负压型混合式断路器拓扑，对断路器开断策略进行研究设计，具体开断策略如图4所示。

图4 直流断路器开断过程动作逻辑Fig.4 Action logic of direct circuit breaker turn-off process

图4中，t0—t1时段：t0时刻之前直流断路器主通流支路流过系统正常电流。t0时刻发生短路故障，电流开始上升，t0—t1时段控保系统进行故障检测。t1时刻直流断路器接收到分闸命令，开始执行分闸动作，主支路快速机械开关开始分闸，同时转移支路电力电子开关开通。

t1—t2时段：快速机械开关由于机械惯性，触头延时一定时间开始运动分离，触头间隙逐渐增加。

t2—t3时段：快速机械开关触头分开到一定距离，t2时刻耦合负压装置触发，依次产生正反向电压，强迫电流完全换流，t3时刻完全换流至转移支路。

t3—t4时段：转移支路电力电子开关导通电流，主支路机械开关触头间隙继续增加。t4时刻之前触头间隙建立起能够承受开断过电压的绝缘开距，t4时刻转移支路电力电子开关关断。

t4—t5时段：转移支路电力电子开关关断，电流首先转移至并联的缓冲电容，当缓冲电容电压超过能量吸收支路避雷器动作电压时，电流换流至能量吸收支路。

t5—t6时段：短路电流流过避雷器支路，避雷器残压高于系统运行电压，故障电流逐步衰减，t6时刻电流衰减至150 mA以下，故障清除。

整个过程所耗费时间在3 ms内。

4 RTDS仿真验证

4.1 三端口混合式直流断路器仿真模型搭建

为了验证混合直流断路器在发生短路故障时关断策略有效性及混合式直流断路器的断流能力及换流过程，设计三端口直流断路器仿真模型并以单端短路故障为例，对Path2支路即鸡山Ⅰ换流站到鸡山Ⅱ换流站端口电流及支路换流过程进行仿真验证，RTDS仿真模型采用小步长元件搭建[25]，IEGT元件因RTDS库尚不支持该元件，采用GTO DIODE元件代替。

另外，鉴于高压直流断路器拓扑结构及ABB高压直流断路器拓扑结构对比，耦合负压回路及快速机械开关灭弧过程仿真难度大，且对整个FPT RTDS仿真试验而言，耦合负压回路及快速机械开关灭弧过程无仿真必要，由此，此次三端口高压直流断路器RTDS模型搭建采用ABB混合直流断路器拓扑结构，三端口混合式直流断路器RTDS模型，如图5所示。

图5 三端口直流断路器正极RTDS仿真模型Fig.5 RTDS simulation model of positive pole of three-port DC circuit breaker

图5中，A、B、C分别接入鸡山Ⅰ换流站线路、鸡山Ⅱ换流站线路和唐家湾换流站线路。AB线路为快速机械开关，AC和BC为混合式直流断路器。混合式直流断路器中FastCtrlAC与FastCtrlBC为快速机械开关支路(B1)，ARRAC与ARRBC为能量吸收支路，MainCtrlAC与MainCtrlBC为电力电子开关支路，储能电容器、晶闸管、耦合电感组成耦合负压回路。

4.2 故障电流模拟

三端口直流断路器开断试验中故障电流采用LC振荡方式产生，利用RTDS搭建LC外围震荡电路，如图6所示。

图6 LC振荡电路Fig.6 LC oscillation circuit

图6中，电感L与电容C组成LC振荡电路，ChargeCtrl断路器为电容充电控制开关，电压等级为10 kV，电流2 kA。ChargeCtrl断路器初始状态为闭合，利用直流源对母线电容充电，延时1 000 ms断开，ChargeCtrl断路器断开后，LC组成的震荡电路放电，震荡电路电流波形如图7所示。

图7 振荡电路电流Fig.7 Oscillation circuit current

在电流达到第一个峰值前，模拟故障电流达到故障电流判断条件，即鸡山Ⅰ换流站到鸡山Ⅱ换流站端口电流过流，A端口模拟故障电流如图8所示。

图8 模拟故障电流Fig.8 Simulated fault current

4.3 断流能力及换流过程试验

检测到故障电流，依照断路器开断策略，BCU下发控制分闸指令，直流断路器执行分闸动作，隔离故障电流仿真波形如图9所示。

图9 PathAC支路电力电子开关支路、机械开关支路、能量吸收支路电流波形Fig.9 PathAC current waveforms of power electronic switch branch, mechanical switch branch, energy absorption branch

图中，红色曲线为机械开关支路电流，黑色曲线为电力电子支路电流，蓝色曲线为A端口电流，绿色曲线为能量吸收支路电流。

t=1.3 s时刻发生接地故障，故障电流迅速增大，当控保系统检测到电流超过开断电流动作阈值，t=1.302 s控保系统依据直流断路器开断策略开断电流，快速机械开关首先开始分闸动作，电力电子支路同时开通，t=1.302 3 s完成电流向电力电子支路的转移，支路电流持续上升，t=1.304 7 s断开电力电子支路，电流先转移至并联的缓冲电容，当缓冲电容电压超过能量吸收支路避雷器动作电压时，电流换流至能量吸收支路，短路电流流过避雷器支路，避雷器残压高于系统运行电压，故障电流逐步衰减，t=1.308 s电流衰减至0，故障清除。3 ms内完成短路电流开断，8 ms内完成全电流开断。

仿真试验结果表明，本文所搭建RTDS仿真系统能有效接收下行合闸分闸控制命令，上传电流信号至控保系统，换流过程符合开断策略，可实现在3 ms内开断故障电流2 kA。

5 结语

本文开展了三端口混合直流断路器的实时仿真试验研究，主要工作内容总结如下。

1) 研究分析了珠海唐家湾三端柔性直流配电网工程中三端口混合直流断路器拓扑结构及其控制保护配置方案，提出了所设计RTDS仿真平台的信号需求，其中，实现对本体的控制与监测功能需接收BCU下行合闸分闸控制命令并上传支路开关位置信号，实现保护功能需上传支路电流信号进行电流采集及过流判断。

2) 设计了RTDS仿真模型及其对外通信接口，利用RTDS仿真平台GTIO与GTAO，采用小步长元件，实现了三端口直流断路器仿真平台搭建及其与控保装置的物理连接。

3) 研究了耦合负压型混合式直流断路器开断策略，给出了断路器的开断时序，整个开断过程在3 ms时间内完成。

4) 利用RTDS设计LC振荡电路模拟故障电流，并以三端口混合直流断路器中Path2支路为例，对所设计开断策略有效性及其断流能力及换流过程进行实时仿真试验验证，给出了模拟故障电流波形及断路器换流过程波形，仿真试验结果表明，RTDS仿真系统能有效接收及上传信号至控保系统，换流过程符合开断策略，可实现在3 ms内开断故障电流2 kA，实现故障电流快速隔离。