發(fā)布時間：2021-12-11所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：研究了基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器。采用電力電子復(fù)合開關(guān)，以降低高壓混合式直流斷路器的電力電子功率器件串聯(lián)數(shù)量;采用特殊設(shè)計的限流電路，在故障發(fā)生時抑制短路電流的上升速率，并可在線路斷開后自行釋放能量，避免感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生。同時，
摘要：研究了基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器。采用電力電子復(fù)合開關(guān)，以降低高壓混合式直流斷路器的電力電子功率器件串聯(lián)數(shù)量;采用特殊設(shè)計的限流電路，在故障發(fā)生時抑制短路電流的上升速率，并可在線路斷開后自行釋放能量，避免感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生。同時，對限流式混合直流斷路器的參數(shù)設(shè)計原則及復(fù)合開關(guān)的配置方法進行了詳細的推導(dǎo)，并對其正確性進行仿真驗證。仿真結(jié)果證明，采用文中所述方法進行限流式混合直流斷路器的設(shè)計，不僅可以在直流電路發(fā)生短路故障時有效限制短路電流上升率，降低短路電流開斷難度，還可以顯著減少器件串聯(lián)數(shù)量，從而達到降低裝置體積與成本的目的。
關(guān)鍵詞：混合直流斷路器;電力電子復(fù)合開關(guān);限流電路;參數(shù)設(shè)計
0 引言
高壓直流輸電以交流輸電不可替代的優(yōu)點，在遠距離大功率輸電和交流系統(tǒng)的非同步聯(lián)絡(luò)等方面得到廣泛的應(yīng)用。近十幾年來，輕型直流輸電技術(shù)的提出和發(fā)展，更使直流輸電延伸到了近距離、小容量的輸電場合。另一方面，面對經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，用戶對電 力 系 統(tǒng) 提 出 了 更 加 環(huán) 境 友 好、安 全 可靠、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟并支持用戶與電網(wǎng)雙向互動等諸多要求，研究兼具可靠性、安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性的直流配電網(wǎng)具有巨大的市場價值和經(jīng)濟價值[1-7]。
目前，制約柔性直流輸(配)電網(wǎng)絡(luò)實際工程應(yīng)用的主要原因之一，就是缺乏實用的高壓直流斷路器。作為承載、開斷直流運行回路正常電流以及各種故障電流的開關(guān)設(shè)備，直流斷路器大體可以分為機械式斷路器、全固態(tài)斷路器與混合式斷路器。機械式斷路器具有運行穩(wěn)定、帶載能力強、通態(tài)損耗小等優(yōu)點，但由于自身結(jié)構(gòu)的制約，斷開時產(chǎn)生的電弧易損壞觸頭，故障電流切除時間較長，無法實時、靈活、快速動作[8]。全固態(tài)斷路器具有開斷時間短、無弧光等優(yōu)點，但存在容易過壓過流、通態(tài)損耗高等無法克服的缺點，極大地影響了全固態(tài)斷路器的實際應(yīng)用[9]�；旌鲜綌嗦菲鹘Y(jié)合了機械開關(guān)良好的靜態(tài)特性與電力電子器件良好的動態(tài)性能，具有通態(tài)損耗小、開斷時間短、無需專用冷卻設(shè)備等優(yōu)點，是目前斷路器 研 發(fā) 的 新 方 向，有 廣 闊 的 應(yīng) 用 前 景[10-12]。文獻[13]提出了一種基于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)軟關(guān)斷的混合式限流斷路器結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是能夠快速開 斷 短 路 電 流，但 僅 能 用 于 低 壓 場 合;文獻[14]提出了基于高速斥力開關(guān)和晶閘管的混合式直流斷路器，能有效地開斷上升速率較快的短路電流，但是開斷速度較慢。文獻[15]對現(xiàn)有的直流斷路器進行了總結(jié)，提出了一種混合式直流斷路器，并對其原理進行了簡單的介紹。
雖然近幾年直流斷路器技術(shù)已經(jīng)有了長足的進步，但大多數(shù)科研機構(gòu)對于直流斷路器的研究還基本處于樣機試制和驗證階段，容量較小且集中在一些特殊的領(lǐng)域。其主要問題在于以下兩個方面。
1)直流故障電流難以迅速開斷
電壓源型換流器等基于全控型功率半導(dǎo)體器件的電力電子變換裝置是柔性直流輸(配)電網(wǎng)的核心部件，其直流側(cè)需接入足夠大的并聯(lián)支撐電容。當(dāng)故障發(fā)生時，故障點附近的并聯(lián)支撐電容迅速放電，導(dǎo)致短路電流上升快、幅值高;而對于直流斷路器而言，現(xiàn)有電力電子器件過載能力較低，而且承受di/dt，du/dt的能力有限。若要求采用電力電子器件開斷故障電流，就要求直流斷路器在故障電流上升到一定值之前完成開斷，這對混合直流斷路器機械開關(guān)的速動性提出很高的要求。雖然近年來出現(xiàn)了動作速度較快的高速斥力開關(guān)[13]，但這一問題仍不能得到根本解決。因此，如何快速準確判斷故障并開斷短路電流成為直流斷路器研究的難題之一。
2)高壓直流系統(tǒng)中電力電子器件串聯(lián)數(shù)量問題
混合直流 斷 路 器 應(yīng) 用IGBT、集成門極換流晶閘管(IGCT)等全控電力電子器件串聯(lián)構(gòu)成固態(tài)開關(guān)回路，以實現(xiàn)直流電路的通斷。相對直流電網(wǎng)的電壓而言，電力電子功率器件的耐壓有限，為了解決多個電力電子器件串聯(lián)時的均壓問題，通常需對電力電子器件的均壓策略進行研究，實現(xiàn)電力電子器件串聯(lián)后的安全運行。然而，在高壓大容量的應(yīng)用場合下，隨著電壓等級的不斷增加，電力電子器件串聯(lián)個數(shù)不斷增多，這不僅增加了均壓技術(shù)難度，無法保證器件的安全運行，也將使直流斷路器的體積與成本明顯增大。目前，國內(nèi)外針對混合式直流斷路器做了諸多理論研究[16-18]，并研制出了相應(yīng)的試驗樣機，其中 ABB公司研發(fā)的混合直流斷路器最具代表性。根據(jù)所公布的技術(shù)文件[19]，該斷路器的開斷能力9kA，開斷時間5ms，可運用于320kV 的 高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)。這種混合式直流斷路器的固態(tài)開關(guān)完全采用IGBT 器件 串 聯(lián) 構(gòu) 成，這 對 器件的均壓技術(shù)提出了很高的要求，從而增加了工程實現(xiàn)的難度。
針對以上兩個問題，本文優(yōu)化整合全控型與半控型電力電子開關(guān)的優(yōu)點，對基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器進行了設(shè)計與研究：采用由半控和全控型電力電子器件組合構(gòu)成的新型電力電子復(fù)合開關(guān)，以降低高壓混合式直流斷路器的電力電子功率器件串聯(lián)數(shù)量，從而有效降低其整體體積與成本;設(shè)計了一種限流電路，在故障發(fā)生時抑制短路電流上升率，并可在線路斷開后自行釋放能量，避免感應(yīng)過電壓的產(chǎn)生，同時爭取更多的關(guān)斷時間，降低了對機械開關(guān)速動性的要求。同時，對限流式混合直流斷路器開斷故障電流時的能量轉(zhuǎn)移過程進行了分析，并據(jù)此提出了限流式混合直流斷路器的參數(shù)設(shè)計原則及復(fù)合開關(guān)的配置方法。
1 限流式混合直流斷路器拓撲結(jié)構(gòu)與工作原理
基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式直流斷路器，其拓撲結(jié) 構(gòu) 見 圖 1。機 械 開 關(guān) S 采用高速斥力開關(guān)，該裝置動作時間短，可以顯著縮短直流斷路器的開斷時間;電力電子復(fù)合開關(guān)由IGBT 閥組 T1 與晶閘管閥 組 T2 串 聯(lián) 構(gòu) 成，由 于 晶 閘 管 的 耐 壓 相 對 較高，因此該復(fù)合開關(guān)可用于降低電力電子器件的串聯(lián)數(shù)量及均壓技術(shù)難度;限流電路由限流電感L、晶閘管 DL 和 DL1及能量釋放電阻 RL 構(gòu)成，故障發(fā)生時，L 用于限制 短 路 電 流 上 升 率，故 障 切 除 后，L 中存儲的能量經(jīng) DL 和 DL1及 RL 釋放;續(xù)流二極管 D用于釋放電源出口與短路點間的線路阻抗中存儲的能量，故障切除后，線路能量經(jīng)續(xù)流二極管與短路點釋放，以避免其感應(yīng)過電壓對其他設(shè)備造成的影響。
根據(jù)直流線路的運行需要，直流斷路器需具備5種工作模式，即潮流正向時的合閘與分閘、潮流反向時的合閘與分閘以及線路故障時的短路電流開斷。定義圖1中電流iS 的方向為潮流正方向，當(dāng)潮流正向，線路需合閘時，令晶閘管 DL，DL1始終關(guān)斷，直至合閘完成;當(dāng)潮流正向，線路需分閘時，令晶閘管 DL1始終關(guān)斷，晶閘管 DL 始終導(dǎo)通。同理，當(dāng) 潮流反向，線路合閘時，晶閘管 DL，DL1始終關(guān)斷;當(dāng)潮流反向，線 路 需 分 閘 時，令 晶 閘 管 DL 始 終 關(guān) 斷，晶閘管 DL1始終導(dǎo)通。由于線路的過電壓與過電流通常出現(xiàn)在開斷短路電流的過程中，因此下文以潮流正向時的短路開斷過程為例，對直流斷路器的工作原理進行簡要分析。限流式直流斷路器在潮流正向時的等效拓撲結(jié)構(gòu)圖及短路電流開斷過程工作波形圖分別如圖2、圖3所示，由于晶閘管 DL 始終導(dǎo)通，圖2中將其等效為二極管。
0～t1(區(qū) 間Ⅰ)：直 流 線 路 正 常 供 電，復(fù) 合 開 關(guān)處于關(guān)斷 狀 態(tài)，機 械 開 關(guān)(復(fù) 合 開 關(guān))兩 端 電 壓VS為零，機械開關(guān)電流iS 為線路正常供電電流。
t1～t2(區(qū)間Ⅱ)：t1 時刻發(fā)生故障，限流電路電感 L開始抑制短路電流i的上升。t2 時刻，斷路器同時發(fā)出機械開關(guān)分閘信號及復(fù)合開關(guān)導(dǎo)通信號。
t2～t3(區(qū)間Ⅲ)：為機械開關(guān) S動作延時時間。由于VS 小 于 復(fù) 合 開 關(guān) 導(dǎo) 通 電 壓，復(fù) 合 開 關(guān) 仍 處 于關(guān)斷狀態(tài)，短路電流i繼續(xù)上升。
t3～t4(區(qū)間Ⅳ)：t3 時刻，機械開關(guān)S開始斷開，其兩端電壓上升。
t4～t5(區(qū)間Ⅴ)：t4 時刻，VS 達到復(fù)合開關(guān)導(dǎo)通電壓，復(fù)合開關(guān)開始導(dǎo)通，由于IGBT 閥組 T1 導(dǎo)通時間遠小于晶閘 管 閥 組 T2，在 T1 導(dǎo) 通 時，T2 尚 未導(dǎo)通，復(fù)合開關(guān)電流iT 為零。
t5～t6(區(qū)間Ⅵ)：t5 時刻，T2 開始導(dǎo)通，復(fù) 合 開關(guān)電流iT 上升，機械開關(guān)電流iS 下降，短路電流逐漸由機械開關(guān)回路轉(zhuǎn)移至復(fù)合開關(guān)回路。t6 時刻，機械開關(guān)電流iS 下降為零。
t6～t7(區(qū)間Ⅶ)：機械開關(guān)S進入零電流分閘過程，短路電流完全由復(fù)合開關(guān)回路承擔(dān)，復(fù)合開關(guān)電流iT 繼續(xù)上升。t7 時 刻，機 械 開 關(guān) S完 成 分 閘，向T1，T2 發(fā)出關(guān)斷信號。
t7～t8(區(qū) 間Ⅷ)：在 T1 的 關(guān) 斷 過 程 中，復(fù) 合 開關(guān)仍有電流流過，T2 無法恢復(fù)正向阻斷特 性，其 兩端電壓仍為其導(dǎo) 通 電 壓，IGBT 閥 組 電 壓VT1上 升，復(fù)合開關(guān)電流iT 下降，VS 上升。
t8～t9(區(qū)間Ⅸ)：t8 時刻，IGBT 閥組 T1 完全關(guān)斷，晶閘管閥組 T2 開始恢復(fù)其正向阻斷能力，其兩端電壓上升，IGBT 閥 組 電 壓VT1下降后亦繼續(xù)上升。t9 時刻，T2 恢復(fù)正向阻斷能力，復(fù) 合 開 關(guān) 完 全關(guān)斷。
t9 時刻后(區(qū)間Ⅹ)：由于緩沖電路中電容的存在，雖然復(fù)合開關(guān)完全關(guān)斷，但限流電路電感電流iL及短路電 流i仍 會 有 短 暫 上 升。而后電流開始下降，限流電路電感L 感應(yīng)產(chǎn)生的反電勢使 DL 導(dǎo)通，直流線路電感產(chǎn)生的反電勢使續(xù)流二極管 D 導(dǎo)通，線路及L 中的能量開始釋放。某一時刻，iL 下降率達到最大值，VS 上升至最大值(即 電 源 電 壓 與 電 感L 產(chǎn)生的反電勢之和)，限流電路晶閘管電流iDL及續(xù)流二極管電 流iD 亦上升至最大值。其 詳 細 過 程將在第2節(jié)中進行分析。
2 限流式混合直流斷路器的參數(shù)設(shè)計
2.1 限流過程中能量的轉(zhuǎn)移與釋放
當(dāng)線路合閘時，由于限流電感的作用，線路電流緩慢上升至線路正常工作電流，因此器件承受的過電壓與過電流通常出現(xiàn)在線路分閘，尤其是短路電流的開斷過 程 中。本節(jié)假設(shè)短路故障電阻為0，并忽略圖2所示的線路阻抗，對限流式混合直流斷路器短路電流開斷過程中的能量轉(zhuǎn)移過程進行分析。
4 結(jié)語
本文對基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)與工作原理進行了研究，并對其限流過程、能量轉(zhuǎn)移、參數(shù)設(shè)計原則及電力電子復(fù)合開關(guān)的配置方法進行了詳細的分析。與 ABB 公司 研發(fā)的高壓直流斷路器相比，本文提出的基于電力電子復(fù)合開關(guān)的限流式混合直流斷路器可以限制直流線路短路電流的同時避免線路電壓電流振蕩，有效開斷直流線路短路電流，還可以在直流線路分斷后為直流線路及負載中存儲的能量提供釋放回路，并降低電力電子復(fù)合開關(guān)的串聯(lián)個數(shù)及均壓技術(shù)難度，但是需要增加一個緩沖電容，可能會增大斷路器的體積與成本。——論文作者：杜 翼，江道灼，鄭 歡，張 弛，尹 瑞，吳兆麟
參 考 文 獻
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