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摘 要： 摘要：研究了基于電力電子復合開關的限流式混合直流斷路器。采用電力電子復合開關，以降低高壓混合式直流斷路器的電力電子功率器件串聯數量;采用特殊設計的限流電路，在故障發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，避免感應過電壓的產生。同時，
摘要：研究了基于電力電子復合開關的限流式混合直流斷路器。采用電力電子復合開關，以降低高壓混合式直流斷路器的電力電子功率器件串聯數量;采用特殊設計的限流電路，在故障發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，避免感應過電壓的產生。同時，對限流式混合直流斷路器的參數設計原則及復合開關的配置方法進行了詳細的推導，并對其正確性進行仿真驗證。仿真結果證明，采用文中所述方法進行限流式混合直流斷路器的設計，不僅可以在直流電路發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數量，從而達到降低裝置體積與成本的目的。
關鍵詞：混合直流斷路器;電力電子復合開關;限流電路;參數設計
0 引言
高壓直流輸電以交流輸電不可替代的優點，在遠距離大功率輸電和交流系統的非同步聯絡等方面得到廣泛的應用。近十幾年來，輕型直流輸電技術的提出和發展，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，面對經濟社會的快速發展，用戶對電 力 系 統 提 出 了 更 加 環 境 友 好、安 全 可靠、優質經濟并支持用戶與電網雙向互動等諸多要求，研究兼具可靠性、安全性、穩定性、經濟性的直流配電網具有巨大的市場價值和經濟價值[1-7]。
目前，制約柔性直流輸(配)電網絡實際工程應用的主要原因之一，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設備，直流斷路器大體可以分為機械式斷路器、全固態斷路器與混合式斷路器。機械式斷路器具有運行穩定、帶載能力強、通態損耗小等優點，但由于自身結構的制約，斷開時產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]。全固態斷路器具有開斷時間短、無弧光等優點，但存在容易過壓過流、通態損耗高等無法克服的缺點，極大地影響了全固態斷路器的實際應用[9]。混合式斷路器結合了機械開關良好的靜態特性與電力電子器件良好的動態性能，具有通態損耗小、開斷時間短、無需專用冷卻設備等優點，是目前斷路器 研 發 的 新 方 向，有 廣 闊 的 應 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)軟關斷的混合式限流斷路器結構，其優點是能夠快速開 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]對現有的直流斷路器進行了總結，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已經有了長足的進步，但大多數科研機構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體器件的電力電子變換裝置是柔性直流輸(配)電網的核心部件，其直流側需接入足夠大的并聯支撐電容。當故障發生時，故障點附近的并聯支撐電容迅速放電，導致短路電流上升快、幅值高;而對于直流斷路器而言，現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的速動性提出很高的要求。雖然近年來出現了動作速度較快的高速斥力開關[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)高壓直流系統中電力電子器件串聯數量問題
混合直流 斷 路 器 應 用IGBT、集成門極換流晶閘管(IGCT)等全控電力電子器件串聯構成固態開關回路，以實現直流電路的通斷。相對直流電網的電壓而言，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，實現電力電子器件串聯后的安全運行。然而，在高壓大容量的應用場合下，隨著電壓等級的不斷增加，電力電子器件串聯個數不斷增多，這不僅增加了均壓技術難度，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]，并研制出了相應的試驗樣機，其中 ABB公司研發的混合直流斷路器最具代表性。根據所公布的技術文件[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。這種混合式直流斷路器的固態開關完全采用IGBT 器件 串 聯 構 成，這 對 器件的均壓技術提出了很高的要求，從而增加了工程實現的難度。
針對以上兩個問題，本文優化整合全控型與半控型電力電子開關的優點，對基于電力電子復合開關的限流式混合直流斷路器進行了設計與研究：采用由半控和全控型電力電子器件組合構成的新型電力電子復合開關，以降低高壓混合式直流斷路器的電力電子功率器件串聯數量，從而有效降低其整體體積與成本;設計了一種限流電路，在故障發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，避免感應過電壓的產生，同時爭取更多的關斷時間，降低了對機械開關速動性的要求。同時，對限流式混合直流斷路器開斷故障電流時的能量轉移過程進行了分析，并據此提出了限流式混合直流斷路器的參數設計原則及復合開關的配置方法。
1 限流式混合直流斷路器拓撲結構與工作原理
基于電力電子復合開關的限流式直流斷路器，其拓撲結 構 見 圖 1。機 械 開 關 S 采用高速斥力開關，該裝置動作時間短，可以顯著縮短直流斷路器的開斷時間;電力電子復合開關由IGBT 閥組 T1 與晶閘管閥 組 T2 串 聯 構 成，由 于 晶 閘 管 的 耐 壓 相 對 較高，因此該復合開關可用于降低電力電子器件的串聯數量及均壓技術難度;限流電路由限流電感L、晶閘管 DL 和 DL1及能量釋放電阻 RL 構成，故障發生時，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 DL 和 DL1及 RL 釋放;續流二極管 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，線路能量經續流二極管與短路點釋放，以避免其感應過電壓對其他設備造成的影響。
根據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，當潮流正向，線路需合閘時，令晶閘管 DL，DL1始終關斷，直至合閘完成;當潮流正向，線路需分閘時，令晶閘管 DL1始終關斷，晶閘管 DL 始終導通。同理，當 潮流反向，線路合閘時，晶閘管 DL，DL1始終關斷;當潮流反向，線 路 需 分 閘 時，令 晶 閘 管 DL 始 終 關 斷，晶閘管 DL1始終導通。由于線路的過電壓與過電流通常出現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構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 始終導通，圖2中將其等效為二極管。
0～t1(區 間Ⅰ)：直 流 線 路 正 常 供 電，復 合 開 關處于關斷 狀 態，機 械 開 關(復 合 開 關)兩 端 電 壓VS為零，機械開關電流iS 為線路正常供電電流。
t1～t2(區間Ⅱ)：t1 時刻發生故障，限流電路電感 L開始抑制短路電流i的上升。t2 時刻，斷路器同時發出機械開關分閘信號及復合開關導通信號。
t2～t3(區間Ⅲ)：為機械開關 S動作延時時間。由于VS 小 于 復 合 開 關 導 通 電 壓，復 合 開 關 仍 處 于關斷狀態，短路電流i繼續上升。
t3～t4(區間Ⅳ)：t3 時刻，機械開關S開始斷開，其兩端電壓上升。
t4～t5(區間Ⅴ)：t4 時刻，VS 達到復合開關導通電壓，復合開關開始導通，由于IGBT 閥組 T1 導通時間遠小于晶閘 管 閥 組 T2，在 T1 導 通 時，T2 尚 未導通，復合開關電流iT 為零。
t5～t6(區間Ⅵ)：t5 時刻，T2 開始導通，復 合 開關電流iT 上升，機械開關電流iS 下降，短路電流逐漸由機械開關回路轉移至復合開關回路。t6 時刻，機械開關電流iS 下降為零。
t6～t7(區間Ⅶ)：機械開關S進入零電流分閘過程，短路電流完全由復合開關回路承擔，復合開關電流iT 繼續上升。t7 時 刻，機 械 開 關 S完 成 分 閘，向T1，T2 發出關斷信號。
t7～t8(區 間Ⅷ)：在 T1 的 關 斷 過 程 中，復 合 開關仍有電流流過，T2 無法恢復正向阻斷特 性，其 兩端電壓仍為其導 通 電 壓，IGBT 閥 組 電 壓VT1上 升，復合開關電流iT 下降，VS 上升。
t8～t9(區間Ⅸ)：t8 時刻，IGBT 閥組 T1 完全關斷，晶閘管閥組 T2 開始恢復其正向阻斷能力，其兩端電壓上升，IGBT 閥 組 電 壓VT1下降后亦繼續上升。t9 時刻，T2 恢復正向阻斷能力，復 合 開 關 完 全關斷。
t9 時刻后(區間Ⅹ)：由于緩沖電路中電容的存在，雖然復合開關完全關斷，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 感應產生的反電勢使 DL 導通，直流線路電感產生的反電勢使續流二極管 D 導通，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 產生的反電勢之和)，限流電路晶閘管電流iDL及續流二極管電 流iD 亦上升至最大值。其 詳 細 過 程將在第2節中進行分析。
2 限流式混合直流斷路器的參數設計
2.1 限流過程中能量的轉移與釋放
當線路合閘時，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在線路分閘，尤其是短路電流的開斷過 程 中。本節假設短路故障電阻為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移過程進行分析。
4 結語
本文對基于電力電子復合開關的限流式混合直流斷路器的拓撲結構與工作原理進行了研究，并對其限流過程、能量轉移、參數設計原則及電力電子復合開關的配置方法進行了詳細的分析。與 ABB 公司 研發的高壓直流斷路器相比，本文提出的基于電力電子復合開關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，并降低電力電子復合開關的串聯個數及均壓技術難度，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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