具有重合閘功能的限流型混合式高壓直流斷路器

章寶歌，焦越敏，平善言，吳伯祥

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州市 730070)

0 引 言

近些年，柔性直流電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展成為了新能源發(fā)電的重要輸電手段之一[1-2]，高壓直流(high voltage direct-current，HVDC)輸電具有更加廣闊應(yīng)用前景[3-4]。隨著新能源發(fā)電并網(wǎng)容量逐年提升，高壓直流輸電由于能夠更有效提高可再生新能源利用效率，規(guī)模不斷擴(kuò)張[5-6]。但由于直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，給系統(tǒng)的運(yùn)行及換流站帶來(lái)了很大的安全隱患[7-8]。高壓直流斷路器(DC circuit breaker，DCCB)作為保護(hù)直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的核心裝備，提升直流斷路器的快速分?jǐn)嗄芰Γ档蛿嗦菲鞴收想娏鞯纳仙室约敖鉀Q直流短路故障時(shí)的隔離問(wèn)題，都是急需解決的問(wèn)題[9-10]。

高壓DCCB分為機(jī)械式DCCB、全固態(tài)式DCCB及混合式DCCB三種[11-12]?；旌鲜紻CCB結(jié)合了前兩者的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，能完美滿(mǎn)足直流開(kāi)斷速度快要求的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)直流通態(tài)損耗更小[13-14]。傳統(tǒng)的混合式DCCB采用絕緣柵雙極性晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)串并聯(lián)組成轉(zhuǎn)移支路，消耗半導(dǎo)體器件多，成本較高[15-16]。文獻(xiàn)[17]提出的拓?fù)湓诔杀旧嫌秒娙萑〈薎GBT。但電路的電流值一度達(dá)到了20 kA，容易對(duì)限流器件造成損害，對(duì)斷路器的器件來(lái)說(shuō)，其性能要求較高，且該拓?fù)渌栝_(kāi)斷時(shí)間比較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[18]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加了接地二極管，故障側(cè)的電流通過(guò)二極管耗散，不再經(jīng)由避雷器吸收，從而減少了避雷器吸收的能量，但故障側(cè)的電流放電所需時(shí)間較長(zhǎng)。文獻(xiàn)[19-20]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都加了預(yù)充電電容，故障電流被切斷后電容的電壓極性發(fā)生變化，但其電壓很難恢復(fù)到原有極性，因而當(dāng)重合閘時(shí)，需要進(jìn)行預(yù)充電。文獻(xiàn)[21-22]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在限流模塊優(yōu)勢(shì)明顯，但在重合閘方面沒(méi)有描述。

本文提出一種具有重合閘功能的限流型混合式高壓直流斷路器(current limiting hybrid high voltage DC circuit breaker with reclosing function，RFL-HDCCB)拓?fù)?。該斷路器既能夠?qū)崿F(xiàn)限流功能，又只需對(duì)電容預(yù)充電就可實(shí)現(xiàn)無(wú)限循環(huán)。且該斷路器最主要的優(yōu)勢(shì)在于兩套晶閘管實(shí)現(xiàn)了雙向故障開(kāi)斷和重合閘功能。首先，介紹RFL-HDCCB的結(jié)構(gòu)以及工作原理，分析運(yùn)行過(guò)程，對(duì)重合閘過(guò)程進(jìn)行介紹。其次，給出斷路器的關(guān)鍵參數(shù)。最后，對(duì)斷路器的可性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RFL-HDCCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其主體結(jié)構(gòu)采用了全橋式整流電路，由通流支路、限流支路、斷流支路和旁路支路4部分構(gòu)成。Rs、Ls、Ud分別為模塊化多電平換流器等效后串聯(lián)的電阻、電感值和直流電源電壓值，Rf為直流線(xiàn)路等效電阻，Ldc為直流電抗器電抗值。

圖1 RFL-HDCCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1)通流支路。由超快速機(jī)械開(kāi)關(guān)(ultrafast mechanical switch，UFMS)和負(fù)載轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(load commutation switch，LCS)組成。

2) 限流支路。按照功能，限流支路分為三部分：(1)晶閘管閥組T1、T2，二者交互作用，主要作用則是為了可以迅速高效地將通流支路上的故障電流進(jìn)行安全轉(zhuǎn)移，保證了UFMS系統(tǒng)可在零電流零電壓的條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行迅速可靠地自動(dòng)關(guān)斷。(2)T5a、T5b反向并聯(lián)晶閘管組和電容C構(gòu)成的串聯(lián)支路。有三方面作用，其一，通過(guò)對(duì)電容C的反向充電可儲(chǔ)存部分能量；其二，限制了限流電抗L兩端的過(guò)電壓，其三，有效保證了T1、T2的可靠關(guān)斷。(3)由晶閘管閥T6a、T6b反向并聯(lián)晶閘管組和限流電阻RL及限流電抗L構(gòu)成的串聯(lián)支路，在故障回路電流中用來(lái)抑制短路電流的迅速上升。

3) 斷流支路。由IGBT和避雷器并聯(lián)構(gòu)成。該部分用以承載和開(kāi)斷故障電流，利用避雷器來(lái)耗散非故障側(cè)的能量。

4) 旁路支路。由晶閘管閥組Tby與泄能電阻Rby串聯(lián)組成。在避雷器動(dòng)作時(shí)隔離了故障側(cè)與非故障側(cè)電壓之后，再用泄能電阻吸取故障側(cè)電能。

1.2 工作原理

1) 穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)直流控制系統(tǒng)正常工作時(shí)電流只流過(guò)通流支路，而其他支路均保持在閉合狀態(tài)。

2) 限流過(guò)程。直流系統(tǒng)發(fā)生故障，被檢測(cè)到后，導(dǎo)通通流支路中的T2、T4以及斷流支路中的IGBT，電流向限流支路轉(zhuǎn)移，同時(shí)給通流支路中的LCS關(guān)斷信號(hào)。當(dāng)UFMS達(dá)到完全開(kāi)距后，T1、T5a導(dǎo)通，電容C開(kāi)始放電，T2因承受反壓逐漸關(guān)斷。當(dāng)電容C兩端電壓為0時(shí)，開(kāi)始反向充電，同時(shí)T6a也因耐受正壓而導(dǎo)通，限流電阻RL和限流電抗L開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)電容C兩端的電壓高于系統(tǒng)電壓后，電容C所在的支路電流逐漸開(kāi)始減少，至減小到0，電容C關(guān)斷，限流電抗L所在支路完全投運(yùn)行。

3) 斷流過(guò)程。斷流支路中的IGBT關(guān)斷，金屬氧化物避雷器(metal oxide varistor，MOV)導(dǎo)通，同時(shí)旁路支路導(dǎo)通，使得故障側(cè)和非故障側(cè)的故障隔離開(kāi)后，非故障側(cè)的電流逐漸減小至0后避雷器自行安全切斷。

4) 旁路過(guò)程。當(dāng)避雷器開(kāi)始動(dòng)作后，旁路支路中的泄能電阻Rby吸收耗散故障側(cè)的能量。

5) 重合閘過(guò)程。與交流斷路器相同，直流斷路器在分?jǐn)嘁欢螘r(shí)間后也要進(jìn)行重合閘，以保證電流短路故障排除，恢復(fù)系統(tǒng)正常供電，提高系統(tǒng)供電的可靠性。當(dāng)該電路進(jìn)行重合閘時(shí)，由于電容C的電壓極性發(fā)生改變，不需要再給電容充電即可切斷故障電流，實(shí)現(xiàn)故障電流的重合閘過(guò)程。由于限流模塊的對(duì)稱(chēng)性，無(wú)論故障電流的方向如何變化，限流模塊都可以輔助切斷故障電流。

2 過(guò)程分析

2.1 故障關(guān)斷

1)電容C預(yù)充電階段(t0—t1)。

從t0到t1，直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在此期間，通過(guò)T2和S的導(dǎo)通來(lái)完成電容C的初始充電。電容C的充電原理圖如圖2所示，大電阻R1的作用是限制充電電流的值。當(dāng)電容C充電完成時(shí)，流過(guò)T2的電流減小到0，T2被成功關(guān)斷。至此電容C的預(yù)充電完成。

圖2 電容C預(yù)充電電路圖

2) 限流準(zhǔn)備階段 (t1—t3)。

t1時(shí)刻電路發(fā)生故障，由于未檢測(cè)到電流發(fā)生故障，通流支路正常工作，其余支路處于被旁路狀態(tài)。在t2時(shí)刻檢測(cè)到短路故障后，T2和T4以及斷流支路IGBT導(dǎo)通，確保LCS和UFMS不需要承受高電壓。向LCS發(fā)出分?jǐn)嘀噶?。電流迅速轉(zhuǎn)移，UFMS開(kāi)始分?jǐn)啵娏魍髦穫鬏數(shù)絋2和T4所在的通路。該時(shí)段的電流路徑如附錄圖A1(a)所示。

t2時(shí)刻，晶閘管T1處于關(guān)斷狀態(tài)，但電容的電壓加在晶閘管T1兩端，晶閘管T2兩端的電壓等于LCS與UFMS的導(dǎo)通壓降(大于0)，此時(shí)給晶閘管T2觸發(fā)信號(hào)，晶閘管T2成功導(dǎo)通。該時(shí)段的電流路徑如附錄圖A1(b)所示。在t3時(shí)刻，UFMS達(dá)到額定開(kāi)距。

設(shè)直流系統(tǒng)電源電壓為Ud，直流系統(tǒng)總電流為id，電抗電流為iL(t)，在t2—t3期間，可得：

(1)

(2)

由式(1)、(2)可得：

(3)

3) 限流階段 (t3

在t3時(shí)刻，UFMS完全達(dá)到開(kāi)距后，給T1及T5a導(dǎo)通信號(hào)，T1立即導(dǎo)通(t3時(shí)刻，T2已成功導(dǎo)通，分析C、T5a、T1、T2組成的回路可知，由于T1導(dǎo)通之前承受正壓，故而在給T1導(dǎo)通信號(hào)后，T1成功導(dǎo)通)，換相電容C投入運(yùn)行。由于電容C陽(yáng)極電壓方向與短路電流方向相反，電容首先放電，電容C釋放的電壓促使T5a導(dǎo)通，T2轉(zhuǎn)而承受反壓，其初始的陽(yáng)極電流因此迅速下降，流向T2的電流逐漸轉(zhuǎn)移到T1。直至t4時(shí)刻，流過(guò)T2的電流減小到0，T2被T1成功關(guān)斷。該時(shí)段的電流路徑如附錄圖A1(c)所示。

t4時(shí)刻，T2關(guān)斷，但電容C放電還未結(jié)束。t5時(shí)刻，電容C放電結(jié)束。該時(shí)段的電流路徑如附錄圖A1(d)所示。

電容C放電的動(dòng)態(tài)過(guò)程描述為：

(4)

(5)

式中：uC為電容C兩端的電壓；iC為電容C兩端的電流；C為電容C的電容值。

由于T2關(guān)斷迅速，可忽略不計(jì)，即認(rèn)為電流在t3時(shí)刻全部轉(zhuǎn)移至T5a支路中，得i(t3)=id(t3)=I0，聯(lián)立式(4)及式(5)可解得此階段中電容電壓及電容支路電流為：

(6)

(7)

4) 限流階段 (t5

t5時(shí)刻，電容C放電結(jié)束，其反向電流降至0后電容開(kāi)始充電。同時(shí)T6a因承受正壓而自行導(dǎo)通，限流電抗所在回路開(kāi)始投入運(yùn)行。該時(shí)段內(nèi)的電流路徑如附錄圖A1(e)所示。

(8)

(9)

(10)

id=iC+iL

(11)

化簡(jiǎn)得：

(12)

令iC(t5)=I5，將初始值UC(t5)=0代入得：

iC=ACλsin[λ(t-t5)]+I5cos[λ(t-t5)]

(13)

(14)

(15)

隨著電容C反向充電，流過(guò)電容C的電壓uC逐漸升高，當(dāng)uC升高至系統(tǒng)電壓時(shí)，發(fā)生故障的線(xiàn)路的電流開(kāi)始減小。t6時(shí)刻，電容電流iC減小至0，電容電壓uC充至最高電壓，電容支路斷開(kāi)。

5) 限流階段 (t6

t6時(shí)刻后，限流電抗L所在支路完全投入運(yùn)行。該時(shí)段的電流路徑如附錄圖A1(f)所示。

將t4代入式(13)、(14)、(15)中得id(t6)=iL(t6)=I6，阻感支路中瞬時(shí)電流iL為：

(16)

式中：τ0=(L0+L)/RL；R∑=RL+Rs。

限流阻抗L支路的導(dǎo)通，減少了故障電流的上升速率。

6) 吸能階段 (t7

t7時(shí)刻，避雷器MOV達(dá)到工作電壓，避雷器MOV導(dǎo)通運(yùn)行，IGBT關(guān)斷，同時(shí)旁路支路晶閘管Tby收到導(dǎo)通信號(hào)。避雷器MOV投入運(yùn)行后，開(kāi)始吸收非故障側(cè)能量并限制過(guò)電壓。故障側(cè)電抗開(kāi)始通過(guò)旁路支路晶閘管Tby對(duì)接地電阻Rby放電。t8時(shí)刻，流過(guò)避雷器的電流為0，避雷器吸能結(jié)束。該時(shí)段內(nèi)的電流路徑如附錄圖A1(g)所示。

t7至t8時(shí)段為避雷器吸能時(shí)間，記為Δt，由式(16)可得t7時(shí)刻的故障電流為id(t7)=iL(t7)=I7，由KVL得：

(17)

解上式得：

(18)

式中：Δt為避雷器吸能時(shí)間；UMOV為避雷器的動(dòng)作電壓；τ1=L/(RL+RS)；ΔU=Ud-UMOV。

由式(17)可知，電抗值越小，電流下降速率越快，避雷器吸能時(shí)間Δt越短。

7) 旁路階段 (t8

t8時(shí)刻非故障側(cè)電流降為0，故障側(cè)儲(chǔ)存在直流電抗Ldc中的電流繼續(xù)通過(guò)接地電阻Rby放電耗盡能量。t9時(shí)刻，故障側(cè)電流清除完畢，該時(shí)段的電流路徑如附錄圖A1(h)所示。

2.2 重合閘

由于直流輸電的故障類(lèi)型有暫時(shí)性故障和永久性故障兩種類(lèi)型，重合閘也分為了兩種情況。當(dāng)故障為暫時(shí)性故障時(shí)，斷路器正常閉合，其時(shí)序如圖3所示。

圖3 正常閉合時(shí)序圖

正常閉合時(shí)，開(kāi)通T1和T5a，在電容C的放電作用下，流經(jīng)斷流支路IGBT的電流迅速上升，斷路器兩端電壓下降為限流支路及斷流支路的導(dǎo)通壓降。幾微妙后，流經(jīng)IGBT的電流達(dá)到正常負(fù)荷電流后，通流支路的UFMS在零電流低電壓的條件下無(wú)弧合閘，導(dǎo)通LCS，電流轉(zhuǎn)移至通流支路，重合閘完成，其電流圖如圖4所示。如若流經(jīng)IGBT的電流依舊上升，則為永久性故障。

圖4 RFL-HDCCB正常閉合電路圖

當(dāng)故障類(lèi)型為永久性故障時(shí)，只需要重新調(diào)換T1和T2的動(dòng)作順序，以及重新調(diào)換T3和T4的動(dòng)作順序，用T5b替換T5a，用T6b替換T6a，即可再次切斷故障電流，實(shí)現(xiàn)重合閘功能。由前面章節(jié)所述的工作原理可知，在RFL-HDCCB初次運(yùn)行前，需要先對(duì)電容進(jìn)行預(yù)充電儲(chǔ)能，但在RFL-HDCCB開(kāi)斷故障電流的過(guò)程中，直流電源將對(duì)電容器C進(jìn)行充電，不僅使得換相電容的電壓能得到補(bǔ)充，也減少了避雷器吸收的能量。RFL-HDCCB完成故障電流關(guān)斷后，電容的放電路徑全部阻斷，電容中的能量得以保存，后續(xù)每次開(kāi)斷故障電流都不需要對(duì)換相電容進(jìn)行再次充電。重合閘電流路線(xiàn)如附錄圖A2所示。由附錄圖A2可知，RFL-HDCCB重合閘后將恢復(fù)至附錄圖A1的初始工作狀態(tài)。

3 仿真分析

3.1 器件參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 電容值C的選擇。

本文提出的RFL-HDCCB拓?fù)渫ㄟ^(guò)晶閘管T1(T2)控制電容所在支路的導(dǎo)通關(guān)斷，又電容的充放電也控制著晶閘管T2(T1)的關(guān)斷，故而電容C所能承受的電流要大于短路電流峰值。在設(shè)計(jì)電容值C時(shí)，要考慮到其在充電時(shí)電容的耐壓能力。電容值C在放電過(guò)程中系統(tǒng)能量平衡關(guān)系式如下:

(19)

分析式(19)可知，故障電流與電容值C成正比。

電容值C在充電過(guò)程中能量平衡式如下:

(20)

式中：Wdc為電容反向充電期間向限流支路轉(zhuǎn)移的能量。

分析式(20)可知，電容值越大，轉(zhuǎn)移的時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)移能量越大。

本文以500 kV直流系統(tǒng)為研究對(duì)象，電容C的預(yù)充電電壓取U0。C、idc、UC的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，電容值C越小，電容充電越快，電流峰值越低，電阻和電抗所在支路完全投入所需時(shí)間越短；但電容值C越小，故障清除后uc的絕對(duì)值將越大，該部分絕緣成本投入越大。本文電容值C的取值為10 μF。

圖5 C、idc、UC的關(guān)系

2) 限流電阻值RL的選擇。

通過(guò)限流電阻耗能后，避雷器吸收的能量減少。電流隨電阻值RL變化的規(guī)律如圖6所示。

由圖6可知，阻值越大，限流能力越好。但綜合考慮到電阻的體積、經(jīng)濟(jì)性、散熱性能及限流能力等方面因素，本方案采用的限流電阻值為15 Ω。

圖6 限流電阻RL與iL的關(guān)系

3) 限流電抗值L的選擇。

限流電抗在電路中的使用，抑制了電流的上升速率。電抗越大，抑制效果越明顯，但會(huì)延長(zhǎng)限流電抗L完全投入的時(shí)間，使故障分?jǐn)鄷r(shí)間延長(zhǎng)。從t5時(shí)刻開(kāi)始投入運(yùn)行，至t6時(shí)刻完全運(yùn)行，此時(shí)，iC=0代入式(13)可得：

Δt0=arctan(-IL/λAUdcC)/λ

(21)

式中：Δt0為阻感支路從開(kāi)始到完全投入故障回路所需要的時(shí)間。

分析式(13)可知，λ的值與電抗L成正比；由式(21)可知，Δt0將會(huì)隨著λ的增大而增大；再者，當(dāng)流過(guò)其的故障電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電抗值L越大，電抗L本身所儲(chǔ)存的能量越多。

圖7為電抗值L變化時(shí)故障線(xiàn)路電流的變化規(guī)律。從圖7可知，電抗值L越大，故障電流的二次上升速率越慢，但與之相反的是，電抗值L越大，限流電抗完全投入所用的時(shí)間卻越長(zhǎng)。由于目前高壓電抗成本高，但要保證它的絕緣及安全，因而對(duì)于500 kV直流系統(tǒng)，阻感支路采用200 mH的限流電抗。

圖7 限流電抗L與idc的關(guān)系

3.2 直流故障電流仿真

本節(jié)以如圖1中所示的等效系統(tǒng)模型建立了基于PSCAD的仿真系統(tǒng)模型，表1給出了該仿真模型系統(tǒng)中的一些主要參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

圖8所示為在永久性故障時(shí)，RFL-HDCCB分?jǐn)喙收虾椭睾祥l過(guò)程中的故障電流轉(zhuǎn)移示意圖。

圖8 仿真電路波形

在t=3.0 s時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，延遲了1 ms后到t=3.001 00 s時(shí)檢測(cè)到故障，開(kāi)始轉(zhuǎn)移電流。LCS立即關(guān)斷，同時(shí)使限流支路中的晶閘管T2、T4以及斷流支路的IGBT導(dǎo)通，UFMS開(kāi)始打開(kāi)。經(jīng)過(guò)2 ms，即t=3.003 00 s時(shí)，UFMS達(dá)到額定開(kāi)距而完全關(guān)斷，同時(shí)T5a導(dǎo)通。此時(shí)T1因承受正向電壓而導(dǎo)通，電容C開(kāi)始放電。t=3.003 10 s時(shí)，T2因承受反壓關(guān)斷。t=3.003 35 s時(shí)，電容C放電結(jié)束，開(kāi)始反向充電，且T6a導(dǎo)通，限流電抗L所在支路投入使用。t=3.005 00 s時(shí)刻，限流電抗L所在支路完全投入運(yùn)行，電容支路關(guān)斷，電流上升速度減小。t=3.005 50 s時(shí)，斷流支路的IGBT關(guān)斷，避雷器開(kāi)始消耗非故障側(cè)電流，同時(shí)旁路支路的晶閘管Tby導(dǎo)通，旁路支路消耗故障側(cè)的能量。t=3.007 20 s時(shí)，故障側(cè)電流為0，電路故障清除。經(jīng)過(guò)300 ms后，t10時(shí)刻為RFL-HDCCB的重合閘時(shí)刻。

3.3 性能對(duì)比

為了驗(yàn)證本文所提方案的開(kāi)斷性能，本文在相同仿真條件下與已有的其他方案進(jìn)行仿真對(duì)比分析。方案1為文獻(xiàn)[15]所提的新型HDCCB拓?fù)?，方?為文獻(xiàn)[14]提出的具有限流功能的直流斷路器拓?fù)洌桨?為本文所提出的RFL-HDCCB拓?fù)洹?/p>

3種方案的故障電流、避雷器吸收能量對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同方案故障電流、避雷器吸收能量對(duì)比圖

由圖9可知，方案1沒(méi)有抑制故障電流的能力，在避雷器未動(dòng)作前，故障電流迅速增加至峰值。由于對(duì)輸出電流不能進(jìn)行有效控制，因此故障消除時(shí)間需要8.32 ms。方案2增加了限流功能，故障電流增長(zhǎng)速度明顯降低，同時(shí)也降低了避雷器吸收的能量，對(duì)避雷器性能的要求大大降低。但因?yàn)榧尤肓讼蘖麟娍?，卻也拉長(zhǎng)了避雷裝置吸能的時(shí)間，因此排除故障的時(shí)限又增加了，直至8.83 ms才可清除故障。方案3，即本文所提拓?fù)潆娐?，電流的峰值以及電流的上升率極大減少，故障關(guān)斷時(shí)間為7.20 ms。相比方案1、方案3故障線(xiàn)路中電流峰值下降22.3%；在限流的作用下，線(xiàn)路電流下降52.1%；避雷器吸收能量比方案1減少34.2%；故障關(guān)斷時(shí)間也比方案1降低了1.12 ms。相較于方案2，方案3電流的峰值雖然沒(méi)有降低，但關(guān)斷所需時(shí)間降低了約1.65 ms；避雷器吸收的能量比方案2降低了34.2%。綜上所述，本方案與其他方案相比更有前景。

3.4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

為能夠進(jìn)一步更加客觀(guān)地闡述本文所提的斷路器拓?fù)湓趯?shí)現(xiàn)故障分?jǐn)鄷r(shí)更具經(jīng)濟(jì)性，將文獻(xiàn)[15]所提的新型HDCCB拓?fù)?，文獻(xiàn)[14]提出的具有限流功能的直流斷路器拓?fù)湟约氨疚乃岢龅耐負(fù)涞钠骷褂脭?shù)量和器件吸收的能量進(jìn)行對(duì)比。

方案1：新型HDCCB。該方案中轉(zhuǎn)移支路中的電力電子器件為IGBT，通常電力電子轉(zhuǎn)移支路需要承受1.5倍的額定直流電壓，即額定電壓為500 kV，轉(zhuǎn)移支路的耐壓值為750 kV。需要承受的電流峰值為9.4 kA，需要的IGBT數(shù)量為2 700個(gè)。且避雷器吸收的能量為14.5 MJ，對(duì)避雷器的性能要求很高。

方案2：具有限流功能的直流斷路器。方案2中，由于限流支路的加入，斷路器中電流的峰值顯著降低為9.4 kA，轉(zhuǎn)移支路的耐壓值為750 kV，需要的IGBT數(shù)量為1 800個(gè)。其晶閘管需要數(shù)量為166個(gè)。避雷器吸收的能量為12.0 MJ，相較于方案1，對(duì)避雷器的性能要求降低。

方案3：本文方案。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，由于限流支路的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，當(dāng)電容的電壓極性轉(zhuǎn)變時(shí)，晶閘管T1、T2動(dòng)作順序調(diào)換，因而晶閘管T1、T2的電壓和電流也發(fā)生了調(diào)換，同理晶閘管T3、T4動(dòng)作順序調(diào)換，晶閘管T3、T4的電壓和電流也發(fā)生了調(diào)換。T1、T2的電壓波形圖如圖10所示。由圖10可知，晶閘管組(T1、T2、T3、T4)的耐壓峰值達(dá)到700 kV，電流峰值為9.4 kA。因此，每組晶閘管需要83個(gè)，總共需要332個(gè)晶閘管。IGBT閥組耐壓為750 kV，需要的IGBT數(shù)量為1 800個(gè)。相較于方案2，避雷器吸收的能量為7.9 MJ，對(duì)避雷器性能的要求更低。

圖10 T1、T2電壓波形圖

在額定直流電壓相等的條件下，三種方案的對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 三種方案對(duì)比結(jié)果

方案1中，混合式直流斷路器造價(jià)高昂的原因是大量使用IGBT器件，方案2、3使用晶閘管取代了大多數(shù)IGBT器件，降低了晶閘管的造價(jià)。方案3雖然晶閘管的使用數(shù)量比方案2多，但其關(guān)斷時(shí)間以及避雷器MOV的耗能均比方案2降低很多，且因避雷器耗能減少，對(duì)其性能要求更低，顯著降低了避雷器的造價(jià)。晶閘管的經(jīng)濟(jì)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于避雷器的經(jīng)濟(jì)性能?？傮w分析，方案3的可靠性和性?xún)r(jià)比較高。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析所提RFL-HDCCB結(jié)構(gòu)、原理、參數(shù)設(shè)計(jì)以及仿真驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

1) 與IGBT相比，晶閘管的成本更低。采用兩組晶閘管實(shí)現(xiàn)雙向故障電流分?jǐn)啵飨蘖鞑糠植捎么罅看?lián)晶閘管，使其具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

2) 限流支路的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，因此電容C的電壓極性不影響故障電流的分?jǐn)?。無(wú)論故障電流方向如何變化，限流模塊都可以輔助切斷故障電流。

3) 無(wú)論是瞬時(shí)性故障還是永久性故障，RFL-HDCCB都能實(shí)現(xiàn)重合閘功能，保證了直流系統(tǒng)在零電流和幾乎零電壓的條件下恢復(fù)正常供電，保證了直流輸電系統(tǒng)的安全。