基于广义H桥电路的混合式直流断路器

2023-11-28吴俊健许可涵

浙江电力 2023年11期

陆翌，吴俊健，2，裘鹏，陈骞，许烽，许可涵，徐政

（1. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2. 国网浙江省电力有限公司温州供电公司，浙江温州 325000；3. 浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

0 引言

随着新能源技术的不断发展，直流输电承担了越来越重要的电能输送任务。基于VSC（电压源型换流器）的直流输电技术因其不存在换相失败问题、潮流调节能力强和易于双向输送电能等优点，在大规模长距离的电力传输和新能源并网中发挥了重要作用［1-2］。

基于MMC（模块化多电平换流器）的直流输电技术在众多组成VSC 的拓扑结构中具有明显优势。MMC采用子模块级联的方式构成，易于模块化设计制造，制造难度小，损耗低，十分适合搭建直流电网。因此，基于MMC的多端HVDC（高压直流输电）电网是未来直流电网的发展趋势［3］。但是，由于直流系统比交流系统的阻尼低，直流故障在线路上传播的速度更快，这对控制保护提出了更高的要求。控制保护系统需要在发生直流故障时快速隔离故障区域，保证交直流系统的稳定安全运行。

控制保护策略与直流电网的构建方式有关，直流电网一般有两种构建方式［4-6］。第一种，采用具有直流故障自清除能力的MMC，如FBSM（全桥子模块）等。这种构建方式下不需要采用直流断路器，但由于电力电子器件的增加，系统的运行损耗也增大，变相增加了系统的投资成本。同时，在直流线路故障时，相关的换流设备需要闭锁以隔离故障，这会对交流电网产生冲击。第二种，采用HBSM（半桥子模块）结构的MMC。该种构建方式是现有MMC-HVDC 工程中常用的一种结构，由于此种MMC 没有故障自清除能力，需要加装直流断路器，所以直流断路器作为关键性元件，其选择十分重要。

目前，高压直流断路器的结构主要有3 种类型，即基于常规开关的传统机械式、基于纯电力电子器件的固态式和二者结合的混合式。传统的机械结构断路器受到常规开关开断速度的影响，难以满足直流系统对故障清除快速性的要求。固态直流断路器在技术层面可以实现，但其器件数量多，成本高昂，经济性差。混合式直流断路器是目前的研究重点，近年来得到了充分的发展。2012年，ABB公司开发了世界首台混合式高压直流断路器［7］。2015 年，国网智能电网研究院有限公司研制了级联混合式高压直流断路器［8］。2017年，南瑞集团研制了全桥混合式高压直流断路器。混合式直流断路器的动态特性较好，但是考虑其成本因素，故工程应用还处于探索阶段。

文献［9］提出了一种组合式高压直流断路器，但其仍需采用双向电力电子器件串联结构以用于电流方向切换。文献［10］提出了一种典型的半桥型多端直流断路器，但是该混合式直流断路器不能隔离母线故障。文献［11］提出了全桥型混合式直流断路器，其主断部分只需要单向电力电子器件即可实现双向故障的隔离，但是需要使用大量晶闸管。

针对目前相关研究中存在的问题，本文提出一种基于广义H 桥电路的混合式直流断路器。该断路器具有以下特点：拓扑中所有支路的权重一致，发生故障时的处理方式一致，可以快速恢复非故障线路的功率传输；取消了常见的反并联二极管，减少了IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的数量，节省了直流母线，改善了工程的经济性，适用于多端直流电网的建设。本文首先分析了所提混合式直流断路器的拓扑结构和各部分功能，随后对其工作过程进行分析，绘制了电流流向示意图；接着搭建四端直流测试系统并对其各阶段的运行特性进行仿真测试；最后将本文所提的多端直流断路器与其他混合式断路器方案进行了经济性对比。

1 基于广义H桥电路的混合式直流断路器

1.1 断路器拓扑结构

混合式高压直流断路器的拓扑结构如图1 所示。该断路器由通流支路和主断部分组成。通流支路由UFD（超快速机械开关）和LCS（转移开关）组成；主断部分由多组正、反方向的电力电子器件串联而成，每组器件配备独立的并联避雷器，因此具有切换流通方向的能力，可以实现双向断流的功能。当故障电流被转移至主断部分时，主断部分的所有器件需要共同承担直流系统级的电压，为了保证主断部分正常工作，需要串联较多的电力电子器件以承受高压不致击穿。IGBT是常用的全控型器件，但其造价较高，因此主断部分严重影响了直流输电系统的经济性。直流电压等级愈高，对投资成本的影响愈明显。

图1 混合式高压直流断路器的拓扑结构Fig.1 Topological structure of the hybrid HVDC circuit breaker

本文所述基于广义H 桥电路的混合式直流断路器由通流支路、二极管串、共用的主断部分组成，结构如图2所示。其中，每回通流支路由1个UFD 和1 个LCS 组成；主断部分由多个模块串联组成，连接在2个二极管串之间。每个模块由多个IGBT串联和1个避雷器并联组成。

图2 基于广义H桥电路的混合式直流断路器的拓扑结构Fig.2 Topological structure of the hybrid DC circuit breaker based on generalized H-bridge circuit

所提出的断路器包含1 个共用的主断路器支路、2（n+1）个二极管串和n+1回通流支路，布置在同一个MMC 换流站内。其中，换流器连接点直接连接到MMC换流站，而其他n个线路连接点与直流线路相连，因此连接点的个数为连接到该换流站的线路回数加1。LCS与UFD串联，MMC换流站和直流线路通过UFD和LCS相连，从而节省了直流母线，避免了母线故障。同时，每个连接点直接与每对二极管串的中间节点相连，构成广义H 桥电路结构。由于上、下桥臂二极管的存在，如果IGBT器件两端存在反向电压，桥臂二极管会导通，为电流提供流通路径，因此可以取消IGBT的反并联二极管。共享主断部分由IGBT器件形成单向流通结构，无需串联用于方向切换的双向器件，因此所需器件数量减半，这样可以降低断路器投资成本。

1.2 断路器的工作过程分析

本节对基于广义H 桥的混合式直流断路器在正常运行和线路故障隔离状态下的工作特性进行介绍。当断路器正常运行时，共用的主断路器断开，每对二极管串均闭锁。每条线路的UFD 和LCS 处于闭合状态，多端直流系统通过UFD 和LCS 相连。正常运行负载电流流通路径如图3（a）所示。因此，LCS 中电力电子开关的数量，只需满足负载电流总和的需要即可。以单条直流线路故障为例，对本文所述断路器的故障隔离策略进行介绍。假设t0时刻，线路连接点i发生故障，那么故障电流的切断可以分为4个阶段：

图3 基于广义H桥电路的混合式直流断路器电流流通路径Fig.3 Current path of the hybrid DC circuit breaker based on generalized H-bridge circuit

1）阶段Ⅰ：换流阶段。如果保护系统在t1时刻检测到故障，混合式断路器便进行故障隔离。主断路器支路内的IGBT触发导通，同时故障线路的LCS 通过闭锁IGBT 断开。由于故障点的电压跌落，与故障线路相连的下桥臂二极管串导通。通过电位关系易知，与非故障线路相连的其他下桥臂二极管串由于反向电压维持阻断状态，而非故障线路的上桥臂二极管串会导通。此时，除了通过UFD和LCS相连外，非故障线路的部分电流也会沿着上桥臂二极管串汇集后，通过主断部分往故障点馈入短路电流，如图3（b）所示。

2）阶段Ⅱ：UFD 分离阶段。故障电流在t2时刻完全换流到主断支路。然后命令故障线路上的UFDi在零电流零电压状态时打开。在当前研发能力下，UFDi需要大约2 ms才能完成其触头的完全分离。此时，UFD完成了故障线路的物理隔离。

3）阶段Ⅲ：避雷器吸能阶段。一旦UFDi在t3时刻完全打开，主断部分立即通过闭锁IGBT 断开。然后故障电流转移到避雷器支路，故障能量通过避雷器泄放，如图3（c）所示。在此期间产生瞬态中断电压，故障电流在t4时刻下降到0。

4）阶段Ⅳ：故障隔离后运行阶段。在故障隔离后，健全部分仍通过UFD和LCS连接以进行功率传输，如图3（d）所示。值得注意的是，此时故障线路的上桥臂二极管串存在正向压降。考虑到主断部分避雷器支路的电阻很大，非故障线路分流较小，因此可以认为此时主断部分处于开路状态，桥臂上的二极管不会导通。至此，故障隔离过程已经完成。

2 四端直流系统仿真结果及分析

2.1 仿真系统结构

为了验证混合式直流断路器的可行性，在PSCAD/EMTDC中搭建了具有5条线路的四端单极直流电网测试系统。

换流站4维持整个系统的电压，采用定直流电压和无功功率控制。其余3座换流站均采用定有功功率和无功功率控制。4座换流站之间通过架空线路相连，换流站2 和换流站3 之间也通过1 条架空线路相连。系统架构如图4 所示，系统参数如表1、表2所示。

表1 四端系统仿真参数Table 1 Simulation parameters of the four-terminal MMCHVDC system

表2 换流站控制模式Table 2 Control modes of converter stations

图4 四端MMC-HVDC系统示意图Fig.4 Schematic diagram of the four-terminal MMC-HVDC system

2.2 故障特性及响应

四端MMC-HVDC 系统混合式H 桥断路器的拓扑结构如图5所示。

图5 四端MMC-HVDC系统混合式H桥断路器的拓扑结构Fig.5 Topological structure of the hybrid circuit breaker based on generalized H-bridge circuit in the four-terminal MMCHVDC system

假设系统在t=2 s时，直流线路l12靠近换流站MMC2侧发生单极接地故障，接地电阻为0.01 Ω。当系统检测到故障后，混合式H桥断路器1和混合式H桥断路器2会同时动作跳开线路l12。对MMC2侧的混合式H桥断路器2故障特性进行分析，得到其故障响应如图6 所示。图6（a）表示流过主断部分IGBT 开关支路和避雷器支路的电流，图6（b）表示流过上桥臂二极管串的电流，图6（c）表示流过下桥臂二极管串的电流，图6（d）表示避雷器吸收的能量，图6（e）表示流过LCS 的电流，图6（f）表示从线路或换流站注入连接点的电流，图6（g）表示连接点对地电压和主断部分两端电压。

图6 单极接地故障时系统的故障响应Fig.6 Fault response of the single-pole-to-earth fault

从图6可以看到，故障发生之后，直流线路的电流突然增大。在故障被检测到之前，通过LCS的电流已经表现出明显的增幅。

在换流阶段，假设故障检测时间为1 ms，在t1=2.001 s时，系统检测到故障位置在直流线路l12靠近换流站MMC2 侧，混合式断路器便开始进行故障隔离。对主断路器支路内的IGBT迅速施加导通信号触发，主断部分开关迅速闭合。同时，对故障线路的LCS1内的IGBT 施加闭锁信号以使其断开。由于故障点的电压跌落至0，与故障线路l12相连的下桥臂二极管串D5导通，与非故障线路相连的上桥臂二极管串D2—D4导通。此时，除了通过UFD和LCS相连外，非故障线路的部分电流也会沿着二极管串D2—D4汇集后，通过主断部分往故障点馈入短路电流，这个过程中通过非故障支路LCS的电流峰值约为2.2 kA。

在UFD分离阶段，假设故障电流在t2=2.002 s时完全换流到主断支路，此时，UFD1可以在零电流和零电压状态下开启，UFD需要大约2 ms完成操作。

在避雷器吸能阶段，一旦UFD1在t3=2.004 s时完全打开，主断部分通过对支路内的IGBT迅速施加闭锁信号使其断开。故障电流转移到避雷器支路，电流完全换向到避雷器。此时发生的故障电流峰值约为3 kA，并且发生的过电压最大值为800 kV，约为直流电压500 kV 的1.6 倍。在故障隔离过程中，避雷器吸收约7 kJ的能量。

3 不同方案的对比分析

3.1 所需半导体器件数量

混合式直流断路器所需的半导体数量会极大影响其投资成本。对LCS 而言，其电压应力相当低，无需串联以满足电压极限的要求，并联个数取决于最大负载电流。LCS 所需的半导体数量与主断部分相比很少，因此混合式直流断路器的成本主要由主断部分的器件决定。主断支路通过的线路最大电流一般大于单个IGBT 的最大关断电流，需要并联以满足电流切断能力的要求。同时，主断支路需要串联多个IGBT 以承受瞬时关断电压。因此主断部分所需要的IGBT 总数由式（1）确定。

式中：ceil表示向上取整；假设MMC 输出的电压为额定直流电压Udc，避雷器的保护水平uARR取仿真算例中的过电压最大值，即uARR=1.6Udc；IIGBT为IGBT 的额定电流；VIGBT为IGBT 的额定电压；为主断部分通过的线路最大电流。主断部分中二极管的数量是IGBT的2倍。

某线路所连接的二极管串，其单个桥臂所需的半导体数量如式（2）所示。

式中：ID和VD分别为一个二极管的额定电流和额定电压。由于每条线路连接了上、下2个桥臂，所以数量是单个桥臂的2倍。

3.2 方案对比

从断路器运行特性的角度进行方案对比。与文献［12］所述方案相比，在发生换流器出口短路故障时，其所述方案拓扑只能断开所有直流出线来处理换流器出口短路，本文所述方案的拓扑中，所有支路的权重一致，发生故障时的处理方式一致，都只需断开故障支路。与文献［13］所述方案相比，其方案拓扑中LCS 是环状结构，电流分布不确定。而本文所述方案中，流过LCS 的电流即为线路电流。

从断路器经济性的角度进行方案对比。根据文献［13］，假设IGBT 的额定值为3.3 kV/2 kA、价格为2 134 美元/个，晶闸管的额定值为4 kV/1.65 kA、价格为593美元/个，二极管的额定值为4.5 kV/1.875 kA、价格为260 美元/个。以避雷器保护水平800 kV、电流切断能力3 kA 的混合式H桥断路器2 为例进行计算，考虑50%的器件数量冗余。本文所述直流断路器为方案1，文献［11］为方案2，文献［9］为方案3。方案2 和方案3 所述断路器的拓扑结构如图7 所示。在实际的工程应用中，所有器件的数量都应留有冗余以提高安全性。本文中，所有方案的功率器件数量计算公式都已经统一。同时，不同方案都取器件所需最小数量的2倍以保证安全裕量的统一。根据表3，可以得到每个方案所需的总成本如表4所示。