适用于柔性直流电网的新型多端口混合式直流断路器

张 烁，邹贵彬，魏秀燕，张成泉

（山东大学 电气工程学院，山东 济南 250061）

0 引言

与交流系统和基于电网换相换流器的传统直流输电系统相比，基于模块化多电平换流器MMC（Modular Multilevel Converter）的柔性直流电网具有有功和无功功率解耦控制、不存在换相失败问题、能够为无源网络供电等优势，是大规模可再生能源接入电网的理想方式［1-2］。然而，由于柔性直流电网具有低阻抗特性，当直流侧发生故障后，故障电流在数毫秒内即可达到额定电流的数倍甚至数十倍，这对柔性直流电网的故障检测与隔离技术提出了极高的要求［3-4］。

在柔性直流电网多端、大容量的应用场景下，采用直流断路器隔离直流侧故障是目前最简单、高效的故障应对方式。混合式直流断路器HCB（Hybrid DC Circuit Breaker）结合了机械式直流断路器和全固态直流断路器的优势，具有通态损耗小、动作速度快等特点，具有广阔的应用前景［5-6］。但是，由于HCB 中主断开关MB（Main Breaker）需要大量电力电子器件承受极高的暂态分断电压以及大容量避雷器耗散故障电流能量，HCB 的制造成本高昂，并且主要成本来源于MB。此外，上述HCB 只有一进一出2 个端口，只能分断单条线路的故障电流，本文称其为两端口HCB。

为了降低直流断路器的配置成本，国内外专家充分利用支路强迫换流特性，提出了多种多端口混合式直流断路器MHCB（Multiport HCB）设计方案。MHCB 通过连接于同一直流母线的多条直流线路共用昂贵的MB，避免了每条直流线路均需配置MB 所造成的器件冗余。文献［7］提出一种三端口HCB，由2 个完整的耦合负压型HCB 以及一个额外的快速机械开关组成。该直流断路器已投运于唐家湾三端柔性直流配电网工程，具备2.7 ms内开断10 kA故障电流的能力。文献［8］提出一种组合式MHCB，在线路故障后主动将直流母线对地短路，实现故障线路上的快速机械开关UFD（Ultra Fast Disconnector）迅速分闸以隔离故障的目标。文献［9］所提MHCB 除具备经济性优势外，还具备故障限流功能。文献［10］所提MHCB通过额外配置的二极管支路将任一端口故障电流换流至共用的MB，从而避免了每条直流线路均配置MB所带来的高成本。

此外，为了限制故障电流的上升速度，柔性直流电网通常在直流线路两端配置限流电抗器。由于HCB中避雷器耗散的能量主要是柔性直流电网中电感（包括线路电感、限流电抗器等）电流的能量，限流电抗器的配置将大幅增加避雷器的耗能时间和耗能压力，从而延长了直流电网健全部分恢复正常运行的时间，增加了直流电网设备的散热压力。

另外，架空线路OHL（OverHead Line）作为未来大规模柔性直流电网电能传输的主流方式，其故障概率较高且大多数故障为瞬时性故障的特点必须加以考虑。借鉴交流系统的运行经验，为直流电网中架空线路配置自动重合闸可大幅降低瞬时性故障的影响［11］。但为了避免HCB 和直流电网内其他脆弱设备在短时间内连续遭受2 次故障冲击，在HCB 重合前需首先识别发生的故障为瞬时性的还是永久性的，并且HCB 仅在识别瞬时性故障后才进行重合，从而实现自适应重合闸的功能［12-14］。文献［12］提出将MB子模块分为数组，每隔数ms导通一组，从而避免了MB 所有子模块同时导通可能产生的故障冲击。文献［13-16］通过控制MB部分子模块导通向故障线路注入行波信号，通过行波信号在故障点或线路对端反射波的性质（如到达时刻、极性等）区分瞬时性和永久性故障。文献［17］通过闭合剩余电流开关后判断线路侧的残压是否越限以识别故障性质。以上方法除文献［16］外均在配置两端口HCB 的柔性直流电网的应用场景下提出，目前针对MHCB 的自适应重合闸方法研究报道较少。

为了解决上述问题，本文提出一种新型MHCB，通过各相邻直流线路共用昂贵的MB 以降低直流断路器的配置成本。该新型MHCB 还具备如下优势：①在避雷器耗能过程中，通过旁路故障线路及其上的限流电抗器以降低避雷器耗能时间和耗能压力，进而使非故障线路故障电流更快衰减，并缩短非故障侧器件的过流时间；②通过简单的控制和识别判据实现自适应重合闸，重合过程对直流电网健全部分的正常运行影响较小。最后，通过电磁暂态仿真和物理实验对所提MHCB的可行性和有效性进行验证。

1 MHCB拓扑

本文设计的MHCB拓扑如图1所示，其共有n个端口（P1—Pn），其可替代n个两端口HCB。与两端口HCB 的配置方案相比，所提MHCB 保留了每个端口上的负荷转移开关LCS（Load Commutation Switch）、UFD 与剩余电流开关RCB（Residual Current Breaker），并且其可以通过二极管支路D1—Dn将任意端口的故障电流转移到共用的MB。此外，额外配置的二极管Dg与耗能电阻Rg串联支路可以在避雷器耗能阶段将故障线路及其上的限流电抗器旁路，从而减少避雷器的耗能时间和耗能压力，缩短直流电网健全部分恢复正常运行的时间。在MHCB动作隔离故障期间，限流电阻Rc被旁路开关BS（Bypass Switch）旁路。

图1 新型MHCB拓扑Fig.1 Topology of novel MHCB

2 MHCB工作原理

2.1 分析模型

多端柔性直流电网的简化分析模型如附录A 图A1 所示。如图所示，MMCk（k=1，2，…，n）等效为理想电压源与桥臂等效电感Leq，k的串联支路，架空线路等效为RL 模型［18］，Lk、Ls，k分别为各架空线路上的电感、限流电抗器，端口Pk在故障发生前的负荷电流为Ipre，k。为简化分析，假设当故障电流换流至避雷器所在支路时，忽略过渡过程，避雷器两端电压立刻跃升至残余电压Ures。

2.2 故障隔离

在正常运行情况下，MHCB 各端口LCS、UFD 与RCB 以及BS 均处于导通状态，MB 处于关断状态。若t0时刻架空线路OHL1发生短路故障，各端口开始向故障端口P1注入故障电流，如附录A 图A2（a）所示。此时，各端口电流满足：

式中：Udc为系统额定电压；Lr，1、Rr，1分别为故障点F右侧OHL1等效电感、电阻。

假设MHCB 于t1时刻接收到跳闸命令，开始动作将故障端口P1隔离。首先，导通MB 并控制故障端口LCS1闭锁，此时故障电流开始由UFD1转移到MB。此电流转移过程大约持续数十微秒，于t2时刻结束。之后控制UFD1启动分闸，通常认为UFD1在零电流状态下的分闸时间为2 ms［19］，在［t2，t3）时间段内MHCB 的故障电流流通路径如附录A 图A2（b）所示。待UFD1于t3时刻分闸完成后，闭锁MB，故障电流被换流至避雷器进行耗散，同时故障线路及其上的限流电抗器被Dg-Rg支路旁路，如附录A 图A2（c）所示。在［t1，t3］时间段内各端口电流仍然满足式（1），而t3时刻后MHCB各电流量将满足式（3）。

式中：ip，k(t3)可由式（1）求得；vg、ig分别为耗能电阻Rg两端电压、支路电流；iMB为MB中的故障电流。

假设MB 中的故障电流iMB于t4时刻衰减为0，这标志着避雷器耗能过程结束以及非故障端口的故障电流清除完毕。在（t3，t4］时间段内避雷器耗散能量Eabs可由式（4）近似计算。

为了直观分析耗能电阻Rg对避雷器耗能过程的影响，忽略式（3）中较小的线路电阻Rt和Rr，1，可得到MB电流iMB(t)的表达式为：

对比式（5）和式（7）可知，MHCB 与两端口HCB的MB 电流表达式区别体现在A(t)。由于A(t)恒为正，MHCB中配置的耗能电阻Rg可以加快MB故障电流衰减速度，并且衰减速度与耗能电阻Rg的取值有关。由式（6）可知，常数K1—K3中仅K3的大小与耗能电阻Rg的取值有关，并且随Rg取值增大K3逐渐减小，相应地式（5）中A（t）也逐渐减小，导致MB 故障电流衰减速度减慢。同时，由式（4）可知，避雷器耗散能量Eabs与MB 电流iMB(t)积分值有关，因此故障电流衰减速度越快，避雷器耗散能量越少。综上所述，选取较小的耗能电阻Rg不仅可以缩短避雷器耗能时间，还能够降低避雷器耗散能量。

在t4时刻之后，故障线路电感电流将通过回路Ls，1-Lr，1-Rr，1-F-Dg-Rg-D1-Ls，1进行续流，如附录A 图A2（d）所示。续流阶段故障端口电流ip，1(t)满足：

式中：ip，1(t4)可由式（3）求得。

假设续流过程于t5时刻结束，此时如果不再需要重合故障线路，则控制RCB1断开将故障线路完全隔离。否则RCB1仍然保持闭合，等待故障去游离时间后进行自适应重合闸。

2.3 自适应重合闸

当续流过程于t5时刻结束并等待线路去游离时间（约300 ms［15］）后，MHCB 开始重合故障端口（此处定义为t6时刻）。在等待线路去游离时间内应打开BS将限流电阻Rc与MB 串联。自适应重合闸的核心是识别故障性质。本文提出的故障性质识别方法原理如下。

在t6时刻时，首先导通MB。此时根据故障性质的不同存在2种可能情况。

1）永久性故障。假设发生的故障为永久性故障，则导通MB 时故障点仍然存在于故障线路，因此会产生流过如附录A 图A3所示的故障电流路径：非故障端口P2—Pn的LCS 和UFD-MB-Rc-D1-RCB1-P1-OHL1-F。故障端口电流和电压稳态值为：

式中：vb为直流母线电压，其值接近于系统额定电压；Rf为过渡电阻，在500 kV 应用场景下考虑最大过渡电阻为500 Ω。由于限流电阻Rc的阻值为千欧姆级，由式（9）可知，不论发生的故障为金属性故障还是高阻故障，故障端口电压和电流均会被限制在较小值。

2）瞬时性故障。假设发生的故障为瞬时性故障，则导通MB 时故障点已经消失。因此，在失去故障点的电压箝位作用后，故障线路电压将由于线路分布电容充电而逐渐升高，充电路径如附录A 图A3中箭头所示。经过一定时间后，故障线路电压将由近似零电位上升到接近额定值的水平。

综合以上分析可构建故障性质识别判据如下：

式中：Δt为保证故障线路充电时间而设置的延时；Krel为可靠系数，其取值范围为（0，1）。若故障端口电压vp，1满足式（10），则判定发生的故障为瞬时性故障，MHCB 继续后续重合闸操作，依次闭合UFD 和LCS 以恢复故障线路的供电；否则，判定为永久性故障，MHCB 不再进行后续重合闸操作，打开故障端口的RCB以分断小故障电流并隔离故障端口。

2.4 动作时序图

MHCB 在故障隔离和自适应重合闸阶段的动作时序如附录A图A4所示。

3 MHCB参数设计

3.1 耗能电阻

为了分析MHCB中避雷器耗能时间和耗散能量与耗能电阻Rg之间的关系，将测试系统参数和不同耗能电阻Rg代入式（1）—（4）求解MB 中电流，以获得避雷器耗能时间和耗散能量。测试系统采用如附录A 图A1 所示拓扑，其关键参数列于附录A 表A1。MHCB 中避雷器耗能时间和耗散能量随耗能电阻Rg阻值的变化曲线如图2所示。

由图2 可知，随着耗能电阻Rg的增加，避雷器耗能时间和耗散能量迅速增加。当耗能电阻Rg增大到一定程度（数百欧姆）后，其变化将不会再对避雷器耗能时间和耗散能量产生显著影响。因此，应尽量选择较小的耗能电阻。但是，由式（8）可知，较小的耗能电阻会延长故障线路电感续流时间。此外，当耗能电阻Rg在［1，10］Ω 范围内变化时，避雷器耗能时间和耗散能量相应变化较小。因此，综合考虑以上因素，本文中耗能电阻Rg确定为10 Ω。

3.2 限流电阻

由2.2 节和2.3 节分析可知，限流电阻Rc在故障隔离过程中被BS 旁路，仅在自适应重合闸前投入。限流电阻Rc的作用主要为限制发生永久性故障时重合MB 所产生的故障电流。因此，考虑500 kV 的应用场景，本文选择限流电阻Rc为100 kΩ。由式（9）可知，选择100 kΩ 的限流电阻能够将故障电流稳态值限制在5 A 以内。由于该电流幅值较小，断开故障端口RCB即可将其分断。

3.3 二极管支路

由附录A 图A2 可知，在故障隔离过程中非故障端口二极管支路D2—Dn可看作与避雷器并联。因此，二极管支路D1—Dn承受的最大电压为避雷器的残余电压，而二极管支路Dg承受的最大电压不会超过系统额定电压。此外，由附录A 图A3 可知，在自适应重合闸过程中，所有二极管支路D1—Dn、Dg承受的最大电压均不会超过系统额定电压。

由于二极管具备较高的短时过流能力，只需要考虑二极管支路耐受过电压能力即可。假设新型MHCB 采用二极管额定电压为UdN，不考虑器件冗余，则二极管支路D1—Dn和Dg所需器件个数分别为Ures/UdN和Udc/UdN，进而可以得到新型MHCB 所需器件总数为(nUres+Udc)/UdN。

4 仿真分析

4.1 仿真模型

为了验证本文所提MHCB 的可行性和有效性，在PSCAD／EMTDC 仿真软件中搭建了三端不对称单极仿真模型，其拓扑与附录A 图A1所示分析模型相同。该仿真模型采用基于半桥子模块的MMC，子模块数目为250个，桥臂电感为30 mH。直流线路采用分布式依频架空线路模型。该仿真模型的其他关键参数与附录A 表A1中的测试系统关键参数相同。根据3.1 节和3.2 节的分析，耗能电阻Rg与限流电阻Rc分别选取为10 Ω 和100 kΩ。假设线路保护动作时间为3 ms，UFD 动作时间为2 ms，RCB 与BS 动作时间为30 ms。自适应重合闸判据中延时Δt和可靠系数Krel分别设置为10 ms和0.05。

4.2 故障隔离仿真

在架空线路OHL1中点处设置金属性短路故障，故障时刻为5.0 s。MHCB于5.003 s接收到线路保护发出的跳闸信号并开始动作，其动作时序如附录A图A4所示。此外，为了比较MHCB与两端口HCB配置方案的故障隔离表现，将MHCB 替换为两端口HCB 并在相同故障条件下进行仿真。2 种直流断路器配置方案在故障隔离过程中各关键电气量波形如图3所示。

图3 故障隔离过程仿真波形Fig.3 Simulative waveforms of fault isolation process

由图3 可知，MHCB 中MB 闭锁之前各端口电流ip，1—ip，3分别达到峰值8.73、2.82、5.91 kA。当MB闭锁后，避雷器耗能时间为3.5 ms，耗散能量为10.96 MJ。在相同的故障条件下，两端口HCB 避雷器耗能时间与耗散能量分别为7.96 ms 和24.96 MJ。因此，相较于两端口HCB，在直流电网中配置本文所提MHCB可以降低避雷器56.0%的耗能时间以及56.1%的耗散能量。

4.3 自适应重合闸仿真

故障端口P1电流在5.1 s衰减为0并等待300 ms线路去游离时间后，MHCB 于5.4 s 开始自适应重合闸。MHCB的自适应重合闸动作时序如附录A图A4所示，在瞬时性故障和永久性故障场景下的仿真结果如图4所示。

由图4 可知，当发生的故障为瞬时性故障时，故障端口电压远大于故障性质识别门槛值。对于永久性故障，当暂态过程结束后故障端口电压维持在0 附近。因此，在以上2 种故障场景下，由式（10）可以可靠区分瞬时性故障和永久性故障。此外，在上述2 种故障场景下，非故障端口的电压波动范围均在±5%以内，说明本文所提自适应重合闸方法对直流电网健全部分的正常运行影响较小。

图4 自适应重合闸过程中故障端口电压仿真波形Fig.4 Simulative waveforms of fault port voltage during adaptive reclosing process

4.4 与已有技术方案的对比分析

为了体现本文所提MHCB 的经济性及性能优势，本节对本文所提方案与张北工程所采用的模块化级联HCB 方案进行对比分析。模块化级联HCB的拓扑如附录A图A5所示［20-21］。

由于HCB中MB成本远高于其他部件，在经济性方面仅比较2种方案MB的制造成本。假设所采用绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）模块（4.5 kV）、二极管（4.5 kV）和避雷器成本分别为3 万元、0.26 万元和10 万元／MJ。2 种技术方案所需避雷器容量根据最恶劣故障情形确定。对于4.1节测试系统，2种技术方案关键参数（制造成本、避雷器耗能时间和避雷器容量需求等）如附录A 表A2所示。由表可知，相较于模块化级联HCB方案，采用本文所提MHCB 方案可以分别降低约50%的避雷器耗能时间和75%的避雷器容量需求。此外，本文所提MHCB 方案的制造成本仅约为模块化级联HCB 方案的1/3。以上分析结果验证了本文所提MHCB方案在经济性和动作性能方面的优势。

5 实验验证

为了验证本文所提新型MHCB 的可行性，在实验室中搭建了如附录A 图A6（a）所示的实验平台，其拓扑如附录A 图A6（b）所示，相应的关键参数列于附录A 表A3。由于MHCB 在故障隔离以及自适应重合闸过程中非故障端口的LCS、UFD 与RCB 一直处于闭合状态，为了降低实验平台的复杂程度，本文已在实验平台中将上述开关省略，省略的开关在附录A 图A6（b）中用实线框标注。此外，为了精确控制动作时间，实验电路中的UFD、BS 与RCB 均采用IGBT 模块等效。其中，为了降低故障电流峰值，等效UFD 的动作时间设置为1 ms。实验过程中式（10）所示故障性质识别判据中时间延迟Δt和可靠系数Krel分别设置为10 ms和0.3。

在正常运行期间，MHCB 中LCS1、UFD1、RCB1和BS 均处于闭合状态，而MB 和故障模拟模块均处于断开状态。故障模拟模块在78.0 ms 时闭合以便模拟发生短路故障。MHCB 在79.0 ms 开始动作将故障隔离，其动作时序如附录A 图A4 所示。此外，为了对比MHCB 与两端口HCB 的动作特性，本文将附录A 图A6（b）中的MHCB 替换为两端口HCB，并在相同故障条件下进行实验。2 种断路器配置方案下的实验结果如图5所示。

图5 故障隔离过程实验波形Fig.5 Experimental waveforms of fault isolation process

由图可知，2 种直流断路器配置方案下故障电流均在80.0 ms 时上升到峰值，并在MB 关闭后开始减小。在故障隔离过程中，MHCB 的耗能时间和耗散能量分别为2.80 ms 和0.72 J，而两端口HCB 的耗能时间和耗散能量为4.90 ms 和1.60 J。因此，与两端口HCB 的配置方案相比，采用MHCB 的配置方案可以降低避雷器42.9%的耗能时间和55.0%的耗散能量。

当故障隔离过程结束后，本文分别设置瞬时性和永久性故障以测试所提出的MHCB自适应重合闸的性能。MHCB 于0.398 s 进行自适应重合闸，其动作时序如附录A图A4所示。2种故障情况下的实验结果如图6 所示。由图可知，在发生瞬时性故障后，故障端口电压迅速上升至额定值的水平。对于永久性故障，在暂态过程结束后故障端口电压被限制在一个较小的值。这意味着由式（10）所示的识别判据能够准确判别故障性质，并且具备较高的灵敏度。

图6 自适应重合闸过程中故障端口电压实验波形Fig.6 Experimental waveforms of fault port voltage during adaptive reclosing process

6 结论

为了解决两端口HCB 制造成本高、耗能时间长以及无选择性重合闸的问题，本文提出一种适用于柔性直流电网的新型MHCB。与两端口HCB 相比，该MHCB 能够以较低的成本保护多条直流线路，同时在故障隔离过程中降低避雷器40%以上的耗能时间和50%以上的耗散能量。此外该MHCB 的自适应重合闸功能控制简单、便于实现，故障性质识别灵敏度高，重合闸过程对直流电网健全部分的正常运行影响较小。本文所提新型MHCB的可行性和有效性在电磁暂态仿真和物理实验中均得到了验证。

附录见本刊网络版（http：//www.epae.cn）。