兼?zhèn)渲绷鞴收舷蘖骷伴_(kāi)斷功能的新型直流電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備

王軍龍，葉磊，程蘭芳，錢(qián)燕敏，陶照宇

（國(guó)網(wǎng)宣城供電公司，安徽 宣城 242000）

模塊化多電平換流器（modular multilevel con?verter，MMC）憑借其優(yōu)良的可擴(kuò)展性、較低的諧波含量以及強(qiáng)大的無(wú)功支撐能力，成為可再生能源外送的重要途徑[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建成諸多柔性直流輸電工程[4-8]，隨著柔性直流輸電工程傳輸容量和電壓等級(jí)的不斷提升，直流電網(wǎng)正在逐步興起。在這種發(fā)展趨勢(shì)下，一旦直流系統(tǒng)發(fā)生短路，故障電流上升速度快、峰值高，若不采取任何抑制措施，則故障電流十幾ms內(nèi)即可上升至峰值[9-11]，燒毀直流電網(wǎng)各處關(guān)鍵設(shè)備。直流故障限流器（FCL）和直流斷路器（DCCB）能夠有效抑制直流電網(wǎng)故障后的極速上升電流，兩種直流電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究方向。

在DCCB方面，由ABB公司研制的混合式DCCB首先應(yīng)用于直流工程[12-13]，成為國(guó)內(nèi)外較為認(rèn)可的參考。2015年，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司研制了200 kV全橋級(jí)聯(lián)型混合式高壓DCCB[14]，并于2016年在舟山5端柔性直流系統(tǒng)中投入運(yùn)行[15]。2017年南瑞繼保公司研制了500 kV整流型高壓直流斷路器[16]，其優(yōu)勢(shì)是配備了4個(gè)換向閥組，使得斷路閥組僅需要配備單向?qū)ǖ腎GBT即可，經(jīng)濟(jì)性較高。

在FCL方面，目前直流工程均采用直流線路串聯(lián)限流電感的被動(dòng)限流方式，該方法的弊端是大電感會(huì)影響直流電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性。為彌補(bǔ)被動(dòng)式限流器的不足，國(guó)內(nèi)外高校及科研單位對(duì)主動(dòng)式故障限流器均做出了相關(guān)研究[17-18]。目前，主動(dòng)式故障限流器在世界范圍還未形成一種公認(rèn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但已有的解決辦法大致相同，即通過(guò)對(duì)電力電子器件的控制，迫使故障電流流入感抗較高的支路[19]。

本文根據(jù)DCCB和FCL的共同點(diǎn)（迫使故障電流轉(zhuǎn)移至其他支路進(jìn)行限流或開(kāi)斷）將兩種設(shè)備進(jìn)行合并，設(shè)計(jì)出一種兼?zhèn)渲绷鞴收舷蘖骷伴_(kāi)斷功能的新型直流電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備各個(gè)電力電子器件能夠互相借用，裝置成本更低，占地面積更小。最后，本文搭建了500 kV柔性直流仿真系統(tǒng)并構(gòu)建了200 V故障電流抑制裝置物理樣機(jī)，采用純數(shù)字仿真以及數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)的方法，驗(yàn)證了樣機(jī)故障電流抑制效果以及所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法的工程適用性。

1 故障限流斷路器拓?fù)浼皺C(jī)理

1.1 故障限流斷路器拓?fù)?/h3>

本文所提出的故障限流斷路器主要包括通流支路、換流限流支路和主斷路器三大部分，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 故障限流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of fault current limiting circuit breaker

圖1中，T和T0為兩個(gè)由IGBT和二極管組成的電力電子開(kāi)關(guān)組，S和S0為兩個(gè)超快速機(jī)械開(kāi)關(guān)，G1～G5為 5 個(gè)晶閘管開(kāi)關(guān)組。其中，G1，G2采用共陰極的接線方式，G3陽(yáng)極與換流電容C連接，G4與G3為反并聯(lián)關(guān)系，二極管G5陰極與限流電感L相連接，換流電容C的初始電壓為上負(fù)下正。

該拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于，主斷路器直接接地，僅需切斷單向電流，該部分的IGBT數(shù)量為ABB拓?fù)涞?/2，經(jīng)濟(jì)性較高。

1.2 故障限流斷路器機(jī)理

假定0時(shí)刻直流系統(tǒng)開(kāi)始自左向右傳輸功率；t0時(shí)刻直流線路發(fā)生接地故障；t1時(shí)刻控制保護(hù)裝置檢測(cè)到故障下發(fā)動(dòng)作指令至故障限流斷路器，則直流故障限流斷路器的動(dòng)作時(shí)序及工作模式如圖2所示。

圖2 故障限流斷路器工作模式Fig.2 Operation mode of fault current limiting circuit breaker

正常工作階段（0—t1）：G1～G5均處于未觸發(fā)狀態(tài)，T處于關(guān)斷狀態(tài)，直流電流流過(guò)T0和S0，如圖2a所示，由于t0—t1階段限流斷路器尚未接到動(dòng)作指令，所以仍為正常工作狀態(tài)。

引流階段（t1—t2）：t1時(shí)刻限流斷路器接到控保裝置下發(fā)的動(dòng)作指令，觸發(fā)1次G1，G2，G3，持續(xù)觸發(fā)G4，G5及T的IGBT，電容C開(kāi)始放電，故障電流被吸引至換流限流支路，同時(shí)跳開(kāi)T0的IGBT開(kāi)關(guān)組，此時(shí)電流通路如圖2b所示，待通流支路電流降為0后，t2時(shí)刻完全跳開(kāi)超快速機(jī)械開(kāi)關(guān)S0。

電容持續(xù)放電階段（t2—t3）：S0完全跳開(kāi)后，電容C于t3時(shí)刻將儲(chǔ)存的電量全部釋放。

換流階段（t3—t4）：t3時(shí)刻電容開(kāi)始反向充電，電壓變?yōu)樯险仑?fù)，G5承受正向壓降導(dǎo)通，限流電感L開(kāi)始限制部分電流，如圖2c所示，t4時(shí)刻電容C的電壓升至直流電壓Udc，流過(guò)G3的電流降為0，G3自動(dòng)關(guān)斷，完成了向限流電感L的換流。

限流階段（t4—t5）：t4時(shí)刻限流電感L限制全部故障電流，如圖2d所示，若控制保護(hù)裝置檢測(cè)到故障電流存在并持續(xù)上升，t5時(shí)刻命令主斷路器T的IGBT斷開(kāi)，切斷故障電流。

電感泄能及電容電壓恢復(fù)階段（t5—t6）：故障電流被切斷后，電感L通過(guò)晶閘管G4，G5與電容構(gòu)成閉合回路，其剩余能量開(kāi)始向電容充電，如圖2e所示，此時(shí)不再觸發(fā)G4，G5，隨著電感能量的釋放，電容電壓再次呈現(xiàn)上負(fù)下正，電感能量釋放完畢后，電流為0，晶閘管G4，G5關(guān)斷，限流電感L與換流電容C不會(huì)發(fā)生震蕩。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)

2.1 數(shù)字仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink軟件中搭建了500 kV直流故障限流斷路器，并將其連入500 kV單極三端直流電網(wǎng)，系統(tǒng)主接線如圖3所示。

圖3 數(shù)字仿真系統(tǒng)主接線圖Fig.3 Main wiring diagram of digital simulation system

仿真系統(tǒng)參數(shù)為：直流電壓Udc=500 kV，換流器額定功率PN=1 500 MW，換流器各橋臂子模塊個(gè)數(shù)N=264個(gè)，子模塊電容F=15 mF，平波電抗器LL=150 mH，橋臂電感La=75 mH，限流斷路器限流電感L=300 mH，限流斷路器換流電容C=100 μF，接地電阻Rg=5 Ω。

故障限流斷路器仿真波形如圖4所示。

圖4 故障限流斷路器仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of fault current limiting circuit breaker

圖4中，直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，直流線路流過(guò)3 kA額定電流，換流電容初始電壓為-50 kV，在t0時(shí)刻發(fā)生短路接地，故障電流迅速上升；t1時(shí)刻故障電流被吸引至換流限流支路，直流線路注入故障點(diǎn)的電流降為0，通流支路IGBT開(kāi)斷沖擊電壓約為8 kV，換流電容電壓迅速上升；t2時(shí)刻跳開(kāi)通流支路超快速機(jī)械開(kāi)關(guān)（該時(shí)刻通流支路電流已經(jīng)為0，所以圖中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因而在圖4中沒(méi)有體現(xiàn)）；t3時(shí)刻換流電容電壓上升至100 kV，限流電感開(kāi)始部分限流；t4時(shí)刻換流電容電壓接近500 kV，流入換流電容的電流降為0，晶閘管G3關(guān)斷，全部故障電流均被限流電感抑制；t5時(shí)刻主斷路器動(dòng)作，故障電流被切斷，主斷路器IGBT沖擊電壓約為850 kV；t6時(shí)刻換流電容電壓恢復(fù)負(fù)值。

經(jīng)典混合式直流斷路器的仿真波形如圖5所示，故障后6 ms主斷路器動(dòng)作，切斷故障電流，故障電流峰值約為15 kA，IGBT開(kāi)斷沖擊電壓約為1 050 kV。

由于通流支路IGBT開(kāi)斷電壓只有幾kV，其IGBT使用數(shù)量可以忽略，若采用耐壓4.5 kV、額定電流3 kA的IGBT制作直流故障抑制設(shè)備（IG?BT允許短時(shí)間最大電流為額定電流的2倍），則傳統(tǒng)直流斷路器需要700個(gè)IGBT，若考慮雙向?qū)▌t需要1 400個(gè)IGBT。而本文的故障限流斷路器僅需要378個(gè)IGBT，大大節(jié)約了設(shè)備成本。

2.2 數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能否應(yīng)用于實(shí)際工程，構(gòu)建了200 V故障限流斷路器物理樣機(jī)，如圖6所示，限流電感和換流電容分別為30 mH和100 μF。由于樣機(jī)的額定電壓較低，故使用IRF7832代替IGBT，可以承受30 V的額定電壓和20 A的額定電流。在Matlab/Simulink軟件中繼續(xù)使用2.1節(jié)中的直流電網(wǎng)模型，配合RTLAB5600實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器、四象限功率放大器以及限流斷路器樣機(jī)，構(gòu)建數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在數(shù)字直流電網(wǎng)中配置故障點(diǎn)，觀測(cè)限流斷路器樣機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。

圖6 數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Digital physics hybrid experiment platform

數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示，故障電流峰值約為17 A，串聯(lián)開(kāi)關(guān)管組所受沖擊電壓約為400 V，樣機(jī)對(duì)故障電流的抑制效果與仿真基本一致，能夠在6 ms內(nèi)完成斷路器動(dòng)作，能夠應(yīng)用于工程實(shí)際。

圖7 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Prototype experiment waveforms

3 結(jié)論

本文面向多端高壓直流電網(wǎng)提出了一種具備故障電流限制功能的直流斷路器，該限流斷路器采用對(duì)地引流的方式使故障點(diǎn)的注入電流降為0，以保證通流支路的順利開(kāi)斷，并使用晶閘管與換流電容進(jìn)行配合，使故障電流自然換流至限流電感支路。通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠有效降低故障電流峰值，通過(guò)與傳統(tǒng)直流斷路器的對(duì)比，得出了本文的限流斷路器具有更高的經(jīng)濟(jì)性。最后構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)的方式，證明了限流斷路器具有工程適用性。