考虑母线故障的低通流损耗多端口整流型混合式直流断路器

2022-07-26王文杰谢晔源方太勋

电力系统自动化 2022年14期

石巍，陈羽，孙超，王文杰，谢晔源，方太勋

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

0 引言

近年来，柔性直流输配电网得到快速发展，直流电网技术已然是未来构建智能电网的关键技术［1-2］。直流断路器作为直流电网有选择性隔离直流侧故障的关键设备，具有广阔的应用前景［3-4］。

目前，已经提出的直流断路器主要分为3 类，分别是机械式直流断路器［5-8］、固态直流断路器［9-10］和混合式直流断路器［11-14］。相较于寿命较短的机械式直流断路器，以及通态损耗大的固态直流断路器，基于强迫换流原理和机械开关无弧开断的混合式直流断路器拥有更好的性能，其具有快速性、低损耗和寿命长等优点。文献［13］采用整流型混合式直流断路器拓扑方案，通过一半数量的绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）实现电流双向开断，提高了经济性和可靠性。但是目前混合式直流断路器价格仍然较为昂贵，已成为限制直流电网发展的瓶颈问题。

为此，多端口直流断路器得到了广泛的研究［15-18］，各端口共用价格昂贵的主断支路，通过选择支路接入主断支路来开断和耗散各端口的故障电流。文献［19］提出一种多端口混合式直流断路器，其主断支路采用反并联子模块，选择支路采用晶闸管与IGBT 模块的串联支路，因而制造成本仍然较高。文献［20］提出一种多端口混合式直流断路器，其主断支路同样采用双向开断子模块，选择支路采用快速机械开关与少量IGBT 子模块的串联支路，因此制造成本相对较低，但是每次故障开断需要多个快速机械开关动作，一定程度上降低了设备可靠性，而且不具备公共母线故障隔离能力。文献［21］提出一种二极管桥式多端口混合式直流断路器，其主断支路均采用单向开断子模块，上、下桥臂二极管作为选择支路，因此制造成本相对更低，同时额外配置了一个二极管支路使其具备了直流母线故障隔离能力，文中通过多端柔性直流电网系统建模仿真验证了所提拓扑应用的可行性和有效性，但是文中没有考虑公共母线故障，仍需进一步研究改进。此外，当前具有双向开断能力的多端口混合式直流断路器，进出线电流流通路径大多经过两个双向负载转移开关，相比于张北多端柔性直流输电示范工程中应用的直流断路器［22］，通流损耗翻倍。文献［23］同样提出一种二极管桥式多端口混合式直流断路器，其负载转移开关采用单向开断子模块，降低了设备成本和通流损耗，但在其控制策略下不具备双向电流开断的能力。

为了解决上述问题，本文提出了一种多端口整流型混合式直流断路器拓扑，负载转移开关采用单向开断子模块使得通流损耗减少一半，通过电流转移控制策略的优化使其具有双向电流开断能力，同时增加了一条母线保护支路实现了直流母线故障隔离和公共母线故障保护。本文首先介绍了所提拓扑的电路结构并详细分析了其工作原理，具体说明其在不同工作模式处理过程中内部各组件的动作策略，然后对其经济性和电气性能进行了对比分析，最后搭建了一台三端口整流型混合式直流断路器试验样机，分析其在不同工作模式下的动作特性，验证了所提拓扑的可行性。

1 多端口整流型混合式直流断路器

1.1 电路拓扑

多端口整流型混合式直流断路器拓扑结构见图1，某一直流母线上共有n条进出线，即有n个端口（P1，P2，…，Pn），每个端口与母线的一条进线或出线相连，其拓扑结构主要包括:

图1 多端口整流型混合式直流断路器拓扑Fig.1 Topology of multi-port commutation-based hybrid DC circuit breaker

1）n条主通流支路:每条主通流支路由快速机械开关UFDx和单向负载转移开关LCSx串联构成，x=1，2，…，n。

2）n条选择支路:每条选择支路由同向串联连接的二极管上桥臂TSx1和二极管下桥臂TSx2构成，x=1，2，…，n。

3）1 条主断支路:由单向主断开关MBS 和避雷器MOV 并联构成。

4）1 条母线保护支路:由快速机械开关BPS 和单向导通开关BPD/BPT 串联构成。

所有主通流支路的一端相互连接于直流母线，每条主通流支路的另一端连接于选择支路的桥臂中点并构成一个端口，该端口通过剩余电流开关RCBx（x=1，2，…，n）连接进线或出线。主断支路、所有选择支路和母线保护支路相互并联连接于公共母线1 和公共母线2。母线保护支路的桥臂中点连接于直流母线。当多端口整流型混合式直流断路器安装于直流系统正极时母线保护支路的快速机械开关BPS 为上桥臂、单向导通开关BPD/BPT 为下桥臂，当安装于直流系统负极时母线保护支路的快速机械开关BPS 为下桥臂、单向导通开关BPD/BPT 为上桥臂。

值得注意的是，快速机械开关UFDx为快分型开关，快速机械开关BPS 为快合型开关。单向负载转移开关LCSx为少量单向串联的IGBT 阀组，电流开断方向同时指向或背离直流母线。单向主断开关MBS 为大量单向串联的IGBT 阀组，电流开断方向为公共母线1 指向公共母线2。单向导通开关中的BPT 阀组为少量单向串联的晶闸管或IGBT 阀组。

与现有拓扑相比，本文提出的拓扑利用多条二极管桥臂构成整流型桥式选择支路实现多个端口共用一条主断支路，并且具有双向电流开断能力。同时，采用单向负载转移开关降低了通流损耗，通过增加母线保护支路实现了直流母线和公共母线的故障保护。因此，本文所提拓扑具有更优的经济性和可靠性。

1.2 工作原理

混合式直流断路器的典型工作模式包括:线路故障分闸模式和重合闸模式。考虑到多端口整流型混合式直流断路器的整机布置方式下直流母线和公共母线较长，存在一定发生短路故障的概率，因此工作模式还包括:直流母线故障隔离模式、公共母线故障保护模式。本文以安装于直流系统正极时的多端口整流型混合式直流断路器拓扑进行详细分析，安装于直流系统负极时的拓扑工作模式及原理与其类似，不再赘述。

为了便于描述，定义iPx、iUFDx/LCSx、iTSx1、iTSx2、uTSx1、uTSx2、uUFDx、uLCSx分别为端口Px（x=1，2，…，n）所对应的端口电流、主通流支路电流、选择支路上桥臂电流、选择支路下桥臂电流、选择支路上桥臂电压、选择支路下桥臂电压、主通流支路快速机械开关电压和主通流支路单向负载转移开关电压，iMBS、iMOV、iBPD/BPT、iBPS、uMOV、uBPS、uBPD/BPT分别为主断支路单向主断开关电流、主断支路避雷器电流、母线保护支路单向导通开关电流、母线保护支路快速机械开关电流、主断支路避雷器电压、母线保护支路快速机械开关电压和母线保护支路单向导通开关电压。

1.2.1 线路故障分闸模式

线路发生故障前，直流系统稳态运行，多端口整流型混合式直流断路器的端口剩余电流开关RCBx处于闭合状态，主通流支路的快速机械开关UFDx处于闭合状态、单向负载转移开关LCSx处于导通状态，主断支路的单向主断开关MBS 处于关断状态，母线保护主路的快速机械开关BPS 和单向导通开关BPD/BPT 分别处于打开和关断状态。多端口整流型混合式直流断路器的内部电流分布如图2（a）所示。图中:L1-n为换流站MMC1出口处直流母线与换流站MMCn相连接的直流线路；红色虚线表示电流流通路径，下同。线路电流在各主通流支路中流通，通流路径上仅通过两个单向负载转移开关，通流损耗较低。

线路故障分闸过程:以端口P2外线路发生短路故障为例，说明多端口整流型混合式直流断路器在线路故障处理过程中的内部各组部件动作策略，操作时序及过程应力如附录A 图A1 所示，电流正方向以初始状态为正。

1）t0时刻，线路L1-2发生短路故障，如图2（b）所示，换流站MMC1和其他线路开始向故障点注入故障电流，短路故障电流急剧上升，线路保护装置检测到短路故障后给多端口整流型混合式直流断路器发出故障分闸动作信号。

2）t1时刻，将单向主断开关MBS 导通和所有单向负载转移开关LCSx关断。单向负载转移开关LCS1起到电流阻断作用，所有端口的主通流支路电流开始经过选择支路向主断支路转移，如图2（c）所示，LCS1、BPT 两端的过电压为各自并联回路中选择支路通流压降、主断支路通流压降和回路电感压降之和。

3）t2时刻，当故障线路L1-2所在端口对应的主通流支路电流完全转移至零时，打开快速机械开关UFD2。此后，快速机械开关UFD2的动静触头在无弧状态下逐渐打开，如图2（d）所示；

4）固定延时后的t3时刻，此时快速机械开关UFD2的动静触头已经打开至一定开距、绝缘水平远大于选择支路和主断支路的导通压降，将所有单向负载转移开关LCSx导通。非故障线路的电流开始从主断支路恢复转移至各自端口的主通流支路，故障线路L1-2的短路故障电流仍通过选择支路和主断支路流向故障接地点，如图2（e）所示。

5）t4时刻，快速机械开关UFD2达到绝缘分位位置，将单向主断开关MBS 关断，开断电流和故障线路L1-2的短路故障电流大小相同，故障电流转移至避雷器MOV 中并逐渐耗散至零，如图2（f）所示。当直流系统不需要重合闸操作时，打开剩余电流开关RCB2，线路故障分闸结束。

1.2.2 重合闸模式

当线路为电缆时，线路故障通常为永久性故障，不需要重合闸操作；而当线路为架空线路时，线路故障通常为瞬时性故障为主，需要进行重合闸操作。

重合闸动作过程:以端口P2外线路L1-2发生短路故障为例，说明多端口整流型混合式直流断路器在重合闸过程中的内部各组部件动作策略，操作时序及过程应力如附录A 图A2 所示。1.2.1 节线路故障分闸过程中当故障电流降至零后，经过一定时间的去游离，线路保护装置将给多端口整流型混合式直流断路器发出重合闸动作信号，重合闸操作前的状态如图2（f）所示，故障电流为零。

1）t0时刻，多端口整流型混合式直流断路器接收到端口P2重合闸动作信号，将单向主断开关MBS 导通。线路L1-2通过选择支路和主断支路恢复带电，如附录A 图A3（a）所示。

2）若未合于故障，则t1时刻将端口P2主通流支路的快速机械开关UFD2闭合，如附录A 图A3（b）所示；若合于故障，则将单向主断开关MBS 关断、故障电流转移至避雷器MOV 中耗散至零，重合闸失败。

3）t2时刻，端口P2主通流支路的快速机械开关UFD2处于合位后，将单向主断开关MBS 关断，见附录A 图A3（c），重合闸成功，线路L1-2恢复运行。

1.2.3 直流母线故障动作逻辑

直流母线短路故障是直流系统短路故障中的一种，多端口整流型混合式直流断路器中的直流母线一旦短路故障，需要将所有端口全部分闸。直流母线故障发生前的初始状态如图2（a）所示，操作时序及过程应力如附录A 图A4 所示，具体内部各组部件动作过程如下:

图2 线路故障分闸模式下各阶段的电流通路Fig.2 Current paths at each stage in line fault breaking mode

1）t0时刻，直流母线发生短路故障，如附录A 图A5（a）所示，换流站MMC1和其他线路开始向故障点注入故障电流，短路故障电流急剧上升，母线保护装置检测到直流母线短路故障后给多端口整流型混合式直流断路器发出分闸动作信号。

2）t1时刻，将单向主断开关MBS 导通、所有单向负载转移开关LCSx关断和单向导通开关BPD/BPT 触发导通。单向负载转移开关LCSx起到电流阻断作用，所有端口的主通流支路电流开始经过选择支路、母线保护支路向主断支路转移，如附录A图A5（b）所示。

3）t2时刻，当所有主通流支路的电流降低至零时，打开快速机械开关UFDx。此后，快速机械开关UFDx的动静触头在无弧状态下逐渐打开，如附录A图A5（c）所示。

4）固定延时后的t3时刻，将所有单向负载转移开关LCSx导通。此时，故障电流仍经过选择支路、主断支路和母线保护支路流向短路接地点。

5）t4时刻，快速机械开关UFDx达到绝缘分位位置，将单向主断开关MBS 关断，故障电流转移至避雷器MOV 中并逐渐耗散至零，如附录A 图A5（d）所示。最后，t5时刻打开所有端口剩余电流开关RCBx，如附录A 图A5（e）所示，直流母线故障分闸结束。

1.2.4 公共母线故障动作逻辑

根据拓扑结构可以将公共母线故障分为公共母线1 故障和公共母线2 故障。

当公共母线1 发生短路故障时，多端口整流型混合式直流断路器无法完成其故障隔离操作，且其选择支路的上桥臂二极管将无法耐受高幅值、持续时间长达秒级的故障电流，如图3（a）所示，故障电流流过TSx1。此时，母线保护装置将启动后备失灵保护，同时多端口整流型混合式直流断路器将其母线保护支路的快速机械开关BPS 闭合，故障电流将流过快速机械开关BPS，起到保护选择支路的二极管桥臂的目的，如图3（b）所示。

图3 公共母线1 故障下各阶段的电流通路Fig.3 Current paths at each stage with fault on common bus 1

当公共母线2 发生短路故障时，多端口整流型混合式直流断路器正常运行时单向主断开关MBS处于关断状态，因此不会产生故障电流。若进行分闸操作（即单向主断开关MBS 导通）时，将产生故障电流，需要立即终止分闸操作，将单向主断开关MBS 关断并启动失灵保护。

2 经济性和电气性能对比分析

2.1 经济性对比分析

为了比较多端口整流型混合式直流断路器的经济性，选取当前文献中性能较优的文献［20］和文献［21］所提拓扑进行对比。假设多端口混合式直流断路器的端口数为n，主断开关开断电流能力为Icut、避雷器残余电压为UMOV，所采用的IGBT 的工作电压和开断电流分别为Ui和Ii，所采用的二极管的工作电压和耐受电流分别为Ud和Id。表1 为各拓扑所需关键器件数量的汇总，其中ceil(·)为向上取整函数。

表1 多端口混合式直流断路器经济性对比Table 1 Economical comparison of multi-port hybrid DC circuit breakers

以中国张北多端柔性直流输电工程为应用场景，直流断路器的电压等级为535 kV、运行电流为3 kA、开断电流为25 kA。各多端口混合式直流断路器所需电力电子器件成本与端口数之间的关系曲线如附录A 图A6 所示。其中，单向负载转移开关LCS 采用IGBT 8 串联6 并联结构，一个LCS 需要48 个IGBT；单向主断开关MBS 的IGBT 阀组采用10 组子单元串联构成，每组子单元为IGBT 32 串联2 并联结构，一个MBS 需要640 个IGBT；二极管桥臂采用10 组子单元串联构成，每组子单元为二极管32 串联结构，一个二极管桥臂需要320 个二极管。所采用IGBT 额定电压为4.5 kV、工作电压为2.5 kV，单价以3.5 万元计算；所采用二极管的额定电压、工作电压与所采用IGBT 相同，单价为所采用IGBT 的10%。

从附录A 图A6 可以看出，3 种多端口混合式直流断路器和传统混合式直流断路器拓扑相比经济性更好，并且随着端口数的增加成本优势更明显。3 种多端口混合式直流断路器所需电力电子器件的成本受端口数量变化影响较小，本文所提的多端口整流型混合式直流断路器经济性相比略优。

2.2 电气性能对比分析

用多端口直流断路器方案替代多条传统混合式直流断路器时，电气性能是首要考虑因素。传统混合式直流断路器应用场合中，每个断路器都是单独安装和运行的，一旦跳闸信号被正确接收，无论故障类型如何都可以立即切断故障电流。

因此，多端口直流断路器应该具有与传统混合式直流断路器相同的电气性能。对现有的几个多端口直流断路器在不同故障类型（双向电流开断、单线路故障、多线路故障、重合闸、直流母线故障和公共母线故障）下的电气性能进行对比，结果如表2 所示。通过表2 可以看出，本文所提拓扑具有完善的电气性能，有利于应对直流电网中各类突发故障，保证系统持续安全可靠运行。

表2 多端口混合式直流断路器电气性能对比Table 2 Electrical performance comparism of multiport hybrid DC circuit breakers

3 试验验证

3.1 试验系统

为了验证多端口整流型混合式直流断路器的工作原理，搭建了一台三端口整流型混合式直流断路器样机及其试验系统，如附录A 图A7 所示。三端口整流型混合式直流断路器样机主要部件参数如表3 所示，样机整体分闸时间小于等于3 ms。

表3 三端口整流型混合式直流断路器样机主要部件参数Table 3 Main component parameters of prototype for three-port commutation-based hybrid DC circuit breaker

下面将通过线路故障分闸及重合闸试验、直流母线故障试验和公共母线1 故障保护试验进行验证，试验前三端口整流型混合式直流断路器的初始状态均为:UFD1、UFD2、UFD3处于闭合状态，LCS1、LCS2、LCS3处于导通状态，MBS 处于分断状态，BPS 处于打开状态，BPT 处于关断状态。

3.2 试验结果

3.2.1 线路故障分闸及重合闸试验

线路故障分闸及重合闸试验系统原理图如附录A 图A8（a）所示，通过LC 谐振原理产生小幅值电流模拟正常负荷电流、大幅值电流模拟短路故障电流。试验系统中电容、电感配置为:电容C 取值为60 mF、预充电1.85 kV，电抗器L1取值为5 mH，电抗器L2取值为1 mH。

图4 给出了三端口整流型混合式直流断路器在线路故障分闸及重合闸工况下的试验结果，其中图4（a）为整体试验波形、图4（b）为线路故障分闸放大波形、图4（c）为重合闸放大波形。0 ms 时刻试验开关K 收到合闸指令并金属短接后，电容C 通过电抗器L1放电来模拟端口P2所在线路的负荷电流、通过电抗器L2放电来模拟端口P3所在线路的短路故障电流；10 ms 时刻三端口整流型混合式直流断路器收到端口P3分闸指令，10.1 ms 时刻导通单向主断支路MBS 和关断单向负载转移开关LCS1、LCS2、LCS3，端口P2的负荷电流和端口P3的短路故障电流均从主通流支路经过选择支路向主断支路转移，转移电流大小为12.1 kA；10.4 ms 时刻端口P3主通流支路电流完全转移至主断支路后，快速机械开关UFD3在无弧状态下打开；12.4 ms 时刻导通单向负载转移开关LCS1、LCS2、LCS3，端口P2的负荷电流恢复至其主通流支路；13 ms 时刻单向主断开关MBS 关断、关断电流大小10 kA，短路故障电流转移至避雷器MOV 中后逐渐耗散至零，电流耗散期间避雷器电压峰值约9.6 kV；线路故障分闸试验中，直流断路器从接收到分闸指令至故障电流开始下降总用时约3 ms。112 ms 时刻三端口整流型混合式直流断路器收到端口P3重合闸指令，将单向主断开关MBS 导通，端口P3通过选择支路和主断支路带电并产生负荷电流；122 ms 时刻将快速机械开关UFD3闭合，143 ms 时刻快速机械开关UFD3完全闭合，主断支路的电流开始向端口P3主通流支路转移；152 ms 时刻，将单向主断开关MBS 关断，至此重合闸成功。

图4 线路故障分闸及重合闸工况下的试验波形Fig.4 Test waveforms under conditions of line fault opening and reclosing

3.2.2 直流母线故障分闸试验

直流母线故障分闸试验系统原理图如附录A图A8（b）所示，通过LC 谐振原理产生短路故障电流模拟直流母线故障时3 个端口向故障点注入短路电流。试验系统中电容、电感配置为:电容C 取值为60 mF、预充电1.85 kV，电抗器L1取值为2 mH。

图5（a）给出了三端口整流型混合式直流断路器在直流母线故障分闸工况下的试验结果。0 ms时刻试验开关K 收到合闸指令并金属短接后，电容C 通过电抗器L1放电来模拟直流母线短路故障电流，故障电流通过3 条主通流支路向故障点注入；10 ms 时刻三端口整流型混合式直流断路器收到直流母线故障分闸指令，10.1 ms 时刻导通单向主断开关MBS、导通单向导通开关BPD/BPT 和关断单向负载转移开关LCS1、LCS2、LCS3，3 个端口的短路故障电流均从主通流支路经过选择支路、母线保护支路向主断支路转移，转移电流大小约7 kA；10.4 ms 时刻，3 个端口的主通流支路电流均完全转移至主断支路后，快速机械开关UFD1、UFD2、UFD3在无弧状态下打开；12.4 ms 时刻，导通单向负载转移开关LCS1、LCS2、LCS3；13 ms 时刻，单向主断开关MBS 关断、关断电流大小约7.9 kA，短路故障电流转移至避雷器MOV 中后逐渐耗散至零，电流耗散期间避雷器电压峰值约9.5 kV；直流母线故障分闸试验中，直流断路器从接收到分闸指令至故障电流开始下降总用时约3 ms。

图5 母线故障试验波形Fig.5 Test waveforms with bus fault

3.2.3 公共母线1 故障保护试验

公共母线1 故障保护试验系统原理图如附录A图A8（c）所示，通过LC 谐振原理产生短路故障电流模拟公共母线1 故障时3 个端口向故障点注入短路电流。试验系统中电容、电感配置为:电容C 取值为60 mF、预充电2.55 kV，电抗器L1取值为2 mH。

图5（b）给出了三端口整流型混合式直流断路器在公共母线1 故障保护下的试验结果。0 ms 时刻试验开关K 收到合闸指令并金属短接后，电容C 通过电抗器L1放电来模拟公共母线1 短路故障电流，故障电流通过3 条选择支路向故障点注入；3 ms 时刻三端口整流型混合式直流断路器收到公共母线故障保护指令并将母线保护支路快速机械开关BPS闭合；10 ms 时刻快速机械开关BPS 金属短接后，短路故障电流开始通过主通流支路向母线保护支路转移，故障电流大部分流经耐流能力更强的快速机械开关BPS，起到了保护选择支路二极管阀组的作用。三端口整流型混合式直流断路器样机中，由于选择支路二极管桥臂为4 个二极管串联、主通流支路中单向负载转移开关为1 只IGBT 以及回路中连接铜排/电缆的差异性，使得选择支路二极管中仍存在较小的电流。

在张北多端柔性直流输电示范工程中，在直流线路发生短路故障且近端直流断路器失灵情况下，由于直流系统中感性元件续流的原因，高幅值的故障电流持续时间达到秒级以上。因此，多端口整流型混合式直流断路器在其公共母线1 短路故障下，通过母线保护支路的快速机械开关BPS 旁路保护措施可以有效保证选择支路二极管阀组在故障期间不发生损坏。