断路器hkt-m

第44卷第9期2020年5月10日Vol.
44No.
9May10,2020http://www.
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com中高压直流断路器拓扑综述王灿,杜船,徐杰雄(哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院,广东省深圳市518055)摘要:随着直流输配电系统的发展,直流系统对故障电流抑制和清除的要求增加,采用直流断路器能够很好地解决清除直流故障时快速性、稳定性和经济性的问题.
文中论述了直流断路器的发展现状,对近年来国内外提出的直流断路器拓扑进行归纳总结.
在此基础上,就机械式、Z源结构、组合式、级联模块、器件组合型直流断路器拓扑以及直流断路器测试电路进行了详细讨论.
论述了各个方面的拓扑原理、使用优点以及面临的主要问题,对同一方面所涉及的文献进行了归纳对比.
最后,提出了直流断路器未来可能的发展方向及相关问题.
关键词:直流输配电系统;直流断路器;拓扑;测试电路0引言相比交流电网,直流输电在线路损耗、传输容量、传输距离、新能源并网、分布式发电等方面具有更大的优势.
直流输电网可以提高输送能量、增加系统控制自由度并且提高供电质量.
直流配电网作为一种灵活的接口网络增强了分布式能源的并网的灵活性.
但直流故障的限制与清除是制约直流网络发展的一个重要因素,直流故障的解决方法也引起越来越多学者的关注[1-5].
目前,清除直流线路故障的方法主要有3种:①利用交流断路器;②利用换流站闭锁自清除;③利用直流断路器(DCCB).
文献[1-2]介绍并比较了这3种方法.
交流断路器可以隔离交流电源与直流线路的故障点,使故障电流自然衰减后利用直流开关隔离故障.
由此带来的问题是局部故障会导致整个系统停运,且故障电流衰减时间较长,因此,交流断路器因其故障处理时间长、能量消耗大、供电可靠性低的缺点在直流系统中的使用及发展前景不大[1].
换流站闭锁自清除的方法是在故障时将子模块(SM)中所有的开关都闭锁,利用二极管提供电流通路使得SM中的电容提供反电动势.
该方法要求换流站桥臂中全桥SM的占比至少为50%,增加换流站建设成本的同时也引入了额外的运行损耗,此外,换流站的闭锁会导致功率缺失,不利于系统的稳定运行.
直流断路器受控于继电保护系统,可以在短时间内隔离故障线路或重投,是直流电网中理想的故障清除措施[1-2].
文献[3-5]进一步比较了使用直流断路器和换流站闭锁的方法,直流断路器在重合闸方面比换流站闭锁更有优势,具有更好的稳定性和灵活性,故直流断路器的研究有较大的前景.
近年来,直流断路器成为一个研究热点,并在中高压系统中逐步应用.
在中压船舶动力领域,荷兰Delft大学Polman等设计了额定电压600V、关断电流6kA、针对舰艇电力系统的快速动作断路器;中国大连理工大学董恩源等为某型潜艇直流电源设计了额定参数为1500V/4000A的直流真空限流断路器[6].
在高压直流输电领域,2012年11月,ABB公司宣布已开发出世界首台混合式高压直流断路器,开断时间为5ms,额定电压为320kV,电流开断能力约为9kA;2016年12月,南瑞继保电气有限公司成功研制出535kV电压等级混合式直流断路器,并通过荷兰DNVGL(原KEMA)第三方鉴证实验[7];2017年12月,南方电网科学研究院与华中科技大学联合研制了国际上首个160kV等级机械式高压直流断路器,并在南澳多端柔性直流系统中成功投运.
2018年1月,中国西电研制成功500kV混合式直流断路器样机,并通过了型式试验.
根据GIGRE"HVDCGridFeasibilityStudy"工作组报告,800kV级别的直流断路器大约还需要10~15年时间实现研制到投产[8].
近年来,中高压直流断路器的研究成果颇多,但还少有文献对其进行详细归纳与论述.
本文在已有研究的基础上,详细梳理了近年来各文献提出的瞄准中高压领域的直流断路器,并对其进行分类,主要DOI:10.
7500/AEPS20191021006收稿日期:2019-10-21;修回日期:2019-11-12.
上网日期:2020-02-16.
1872020,44(9)·综述·划分为机械式、Z源结构、组合式、级联模块式与器件组合型直流断路器,详细阐述了拓扑原理及其使用优缺点.
之后介绍直流断路器测试电路,并对直流断路器的可能发展方向进行了展望,为后续中高压领域直流断路器研究提供借鉴.
本文首先叙述了直流断路器的技术概况,随后进一步针对直流断路器的关键技术进行论述和比较,最后预测直流断路器发展趋势并进行总结.
1直流断路器发展概述由于直流电网没有自然过零点,且其惯性小、支路故障发展速度快[8],因此直流断路器要满足以下要求:正常运行时的损耗低,故障时具备快速可靠关断,能够承受过电压、过电流能力.
直流断路器分为3类:机械式直流断路器(MCB)、固态式直流断路器(SSCB)和混合式直流断路器(HCB).
机械式直流断路器利用传统交流机械开关,人工制造电流过零点来熄灭电弧,具有通态损耗低和开断故障电流能力强的优点,但故障处理时间较长;固态式直流断路器利用电力电子开关器件(绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等)串联来实现大电流的关断,可以迅速处理故障,但电压等级较低、功耗大、价格昂贵.
混合式直流断路器结合了机械式断路器和固态式断路器的优点,利用快速机械开关导通正常运行电流,固态电力电子器件来分断短路电流,既具备较低的通态损耗,又有迅速的分断能力[9].
国内外众多学者对于上述3类直流断路器进行了大量的研究和论述.
文献[10]论述了适用于中压领域的3类直流断路器拓扑.
文献[11]分析了3类直流断路器的原理特点及其在中高压领域的适用性.
文献[12]介绍了基于半导体和关断缓冲的机械式断路器和基于快速机械式断路器的混合式断路器.
文献[13]总结归纳了固态式断路器和混合式断路器的典型拓扑并进行了基于实例电路的仿真研究.
文献[5]简要介绍了ABB公司提出的典型混合式断路器拓扑,而文献[14]比较并总结了各类混合式断路器拓扑,并介绍其在直流和交流系统中的应用.
由以上的研究成果可以发现,混合式断路器将是未来直流断路器发展的主要趋势.
以ABB公司推出的混合式直流断路器为基础,混合式直流断路器在换流支路、主开关支路以及控制方法等方面仍有改进空间.
此外,其他2种直流断路器经过改进也可以满足特定工况的需求,文献[15]改进了机械式断路器的辅助回路,使其能够在微秒量级下使主断口开关迅速过零熄弧;文献[16]提出一种基于IGBT串联技术的固态式断路器,能够在直流中压10kV条件下完成关断,将固态式断路器应用于更高电压等级的直流系统.
2机械式直流断路器机械式直流断路器将传统交流机械开断单元应用于不同直流开断拓扑结构中,完成直流开断.
交流机械开关只具有电流过零开断的能力,而直流系统电流不存在自然过零点,利用交流机械开关形成的直流断路器,其原理是利用人工电流过零点完成直流开断,或者限制电流到足够小以实现电流的可靠分断.
为此,需构造必要的辅助电路制造电流过零点,目前应用较多的辅助电路主要为电容自充电电路和磁感应电流换向驱动电路.
2.
1电容自充电电路传统的直流断路器辅助过零振荡支路可分为无源的自激振荡电路和有源的预充电振荡电路[15].
无源的自激振荡电路不使用辅助设备,依靠电容电感的自激振荡产生电流过零点,但使用自激振荡的方法会增加开关的反应时间,一般需要几十毫秒,当电弧电流大到一定程度后,电弧的负阻性变得不很明显,不能保证振荡电流达到可产生零点的幅值,故此类断路器开断电流能力有限.
有源的预充电振荡电路通过预充电的电容放电产生一个反向振荡电流,将此电流迭加到开断电流上制造电流过零点,断路器借此完成电路开断.
给电容预充电虽然可以缩短电路动作时间,但额外增加的直流电源会使成本提高.
为解决上述问题,有学者提出了利用电网电压给电容充电的方法.
文献[15]设计了一种基于电容预充电的过零振荡电路,如图1所示.
图1中,Ce为纵向分压电容;R01为充电电阻;R02为耐压电阻;Ra和Rb为分压电阻;Rf为横向分压电阻;Tr为变压器;L为电感;C为电容;T为晶闸管;各元件对应的下标数字表示元件序号(下文同).
其采用多个短间距真空机械开关串联构成主断口,正图1电容自充电电路Fig.
1Self-chargingcircuitofcapacitor188王灿,等中高压直流断路器拓扑综述http://www.
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com常运行时真空断路器CB处于常闭状态,串联两电极结构的多级串联间隙各断口S1~Sn处于断开状态,换流电容C0经充电电阻R01充电至预设电压U0后SD打开.
多级串联间隙分压保证耐压水平,发生故障时,频率变化使得间隙分压改变,有利于间隙逐级快速击穿.
当发生故障时,在触发装置作用下S1~Sn逐一导通,换流电容C0开始放电产生高频反向电流,CB所在主回路电流与该高频反向电流叠加后迅速减小至过零点,CB中电弧熄灭.
电容自充电过程要确保充电电容的电压能够达到要求的水平并且充电的方式不能影响系统的正常运行.
因此,电容自充电过程应在系统启动或者故障清除时进行,并采用开关控制的方式限制电容充电时间,此外电容的充放电应与断路器开关动作相配合.
这种辅助电路的不足之处在于:为实现电容的自充电增加了变压器以及多个级联开关,增加了成本,此外振荡回路的参数匹配以及分压间隙的电容匹配不易确定,并且随着电压等级的升高,电容的充电难度也逐渐增大.
因此该拓扑不具有普遍适用性.
2.
2磁感应电流换向驱动电路制造电流过零点的关键在于向主开关支路中注入电流,除了采用电容电感谐振的方式,还可以采用磁感应电流换向驱动电路,如图2所示.
图2中,机械开关串联副边线圈L2;Da和Db为导通方向不同的二极管;Ta和Tb为导通方向不同的晶闸管;MOV为金属氧化物避雷器.
故障时闭合换相驱动电路,副边线圈通过原边线圈的耦合向机械开关支路提供反向电流来使故障电流过零[17-18].
文献[19]在文献[17]的基础上进行了改进,将电流换向驱动电路安装到换流支路以减少稳态运行时的损耗,并重新设计了换向驱动电路的控制开关以承受电容电压的上升,提高可靠性.
文献[20-21]采用同样的思路,不同的是利用电网向电容充电,适用于低电压等级.
采用磁感应的方式导致驱动电路与负荷电路之间没有电路的连接,与依靠电容直接注入反向电流相比更具有可靠性.
但这种驱动电路的使用受限于与之相连断路器(图2中开关S)的灭弧能力,根据开关S在线路具有不同电流电压上升率的情况下所能阻断的电流大小的不同,驱动电路的设计也不相同,因此该种电路的使用参数应根据实际可能的情况进行计算,必要时应设计为可以通过投切改变参数的类型.
机械式直流断路器辅助电路比较如表1所示.
目前在高压领域应用较多的机械式断路器其辅助电路仍是过零振荡电路[11],但其故障电流切除时间相对较长且无法实时、灵活、快速动作导致其可靠性不高.
若采用文献[15]所建立的辅助电路,虽然能在微秒量级闭合形成与故障电流反向的振荡电流,使主断口开关迅速过零熄弧,但同时导致了辅助电路的复杂度和成本大大提高.
综上所述,过零振荡电路的研究应集中在如何在较低成本的基础上实现快速可靠熄灭电弧.
磁感应驱动电路可以提供可靠的反向电流,具有较大的发展前景.
但现有文献中的磁感应电流换向驱动电路主要应用于中低压领域,还未有文献将这一拓扑应用于高压领域.
如何提高该驱动电路与之相连的断路器的灭弧能力,使其应用于更高等级电压场合将是其研究重点.
3Z源断路器3.
1单向Z源断路器Z源电路直通时逆变侧短路且直流侧与逆变器侧断开[22-23],利用这一特点将Z源电路和准Z源电路直接用于开断直流电路即成为Z源直流断路器.
但Z源电路的开关器件大部分为晶闸管或二极管,因此Z源断路器本质上属于固态断路器.
由于没有使用机械开关,开断能力有限,Z源断路器适用于船舰及直流配电等中低电压等级.
如图3所示,将3种典型的Z源电路和准Z源电路用于直流断路器得到3种单向Z源断路器,分别是交错型、串联型、并联型[24].
三者工作原理相同,图2磁感应电流换向驱动电路Fig.
2Drivingcircuitofmagneticinductioncurrentcommutation表1机械式直流断路器辅助电路比较Table1ComparisonofauxiliarycircuitsformechanicalDCcircuitbreaker断路器辅助电路过零振荡电路磁感应电流换向驱动电路电压等级高中低复杂度中高中成本高中低可靠性中高1892020,44(9)·综述·在故障时电容放电,与故障电流相互抵消时晶闸管可以自然关断,从而实现对故障的隔离.
文献[24]对3种拓扑进行了比较,发现三者在晶闸管耐压、耐流、电感电容电流大小方面没有明显区别,主要区别表现在串联型和并联型有公共地,而交错型流过直流电源的电流最小.
图3中,V为电压大小.
单向Z源断路器结构简单,应用场景有限.
其工作原理主要依靠晶闸管自然关断,可控性不高,在负荷电流增大时可能误动,而对于较小的故障电流则可能不动作.
因此,此类Z源断路器需要加以改进以满足关断不同工况下故障电流的需求.
3.
2双向Z源断路器前述Z源断路器都只能截断固定单向的直流电路,双向Z源断路器的提出满足了工程中双向关断电流的需求,其基本的设计思路是将2个单向的Z源断路器反向串联并增加反向的开关器件[25].
文献[25-27]基于此设计了3种双向Z源断路器拓扑,即将3种典型的单向Z源断路器对称接在一起,结构简单.
这3种结构主要依靠多组反向并联晶闸管实现双向能量流动,但导致了这3种拓扑结构中存在大量的晶闸管和电感元件,同时故障时故障电流会流过直流侧电源.
此外,这些拓扑结构在直流源的返回路径中需要一个或多个电感,这将导致公共接地电能量的浪费.
由于背靠背可控硅需要几个独立的驱动器,使得上述断路器成本增加.
文献[28]对上述电路进行了结构简化.
文献[29]改进了双向Z源断路器的拓扑,使之通过不同的控制方法实现故障电流的限流与关断、电路隔离以及潮流控制.
设计双向Z源断路器,可以在单向Z源短路反串联的基础上对其电路结构进行优化.
除了利用电容注入反向电流,还可以利用电感耦合注入电流.
文献[27]和文献[30]提出了利用耦合电感的方法.
文献[27]利用耦合电感,故障前电容预充电至直流电源电压,该电容与副边线圈串联,原边线圈与晶闸管串联.
发生故障时电容放电,通过原副边电感的耦合使得原边电流反向,从而关断晶闸管.
故障隔离之后,原副边线圈进入飞轮状态,渐渐消耗多余的能量.
如图4所示,文献[30]采用T型电路,增加了3个互感电感,但与文献[27]所提断路器相比减少了一条换流支路,简化了控制,降低了成本.
不论是单向还是双向Z源断路器,其导通损耗都比较低,本文对各文献中所提出的Z源断路器的比较如表2所示.
从表2可知,文献[27]使用耦合线圈的拓扑和文献[30]中的拓扑较为理想,其不仅具有公共地和双向导通能力,同时可避免发生故障时故障电流倒流回直流电源.
双向Z源断路器拓扑结构较多,可以在直流配电网中广泛应用.
但其工作原理与单向Z源断路器相似,可控性及稳定性不高仍是其固有缺点.
目前对Z源断路器的研究主要集中在对其拓扑的简化,但其控制方法也应当引起重视.
4使用级联模块的直流断路器4.
1在主支路使用级联模块在模块化多电平换流器(MMC)中所使用的图3单向Z源断路器Fig.
3UnidirectionalZ-sourcebreaker图4T型双向Z源断路器Fig.
4BidirectionalT-typeZ-sourcebreaker190王灿,等中高压直流断路器拓扑综述http://www.
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comSM可分为半桥型和全桥型,结构为IGBT反并联二极管后相互串联,并且在两侧并入电容.
有学者提出将此模块用于直流断路器,用以代替传统断路器中的IGBT开关.
预充电电容的投入不仅可实现开关管的可靠关断,同时能有效抑制故障电流,避免电网电压的崩溃[31].
此外采用模块级联的方式可以减轻耐压压力,有利于电力电子器件电压均衡以及一起投切,增加控制的灵活性.
基于以上优点,将SM用于主支路即成为固态断路器.
文献[32]提出一种采用SM作为开关单元的断路器,如图5所示.
正常运行时,电流经主支路流过;当直流系统发生短路故障时,触发转移支路中的IGBT,随后关断主支路IGBT.
短路电流将流经主支路模块单元中电容对其充电,建立反向电压,在反向电压作用下,短路电流开始向转移支路转移,随着电压上升,转移速度加快,直至短路电流为零.
该断路器在ABB公司提出的混合断路器的基础上,采用SM级联代替主开关支路和换流支路中IGBT级联.
由于SM含有电容,因此可以通过对电容的控制解决均压和同步驱动问题.
4.
2在换流支路使用级联模块SM用于主支路相当于固态断路器,因此导通损耗大.
若仅将SM用于换流支路,而主支路采用一般结构,则可以减小导通损耗并保留使用SM的优点.
文献[33-34]介绍了一种固态断路器,如图6所示.
主回路使用机械开关和负载换向开关(LCS)串联的结构进行开断电路,转移回路为晶闸管和全桥SM的串联结构.
故障时触发晶闸管为转移电流提供通路,转移完成后控制SM的导通以及SM中电容电压使晶闸管承受反压关断,最后将电流转移到能量吸收电路.
文献[35]将传统混合式直流断路器换流支路中的IGBT均换为全桥模块,可以实现导通时无损耗(忽略机械开关损耗).
但全桥模块中IGBT数量较多,成本较高.
文献[36]简化了SM的结构,如图7所示,保留了模块级联的优点,降低了成本.
文献[31]所提出的断路器结构与文献[36]中的结构相似,将第1个模块与控制电路方向的开关结合在一起,与文献[35]相比减少了IGBT的数量.
级联模块的使用增加了控制的复杂性,且上述文献还未对故障时均压控制方法和故障清除控制方法进行研究.
此外,使用级联模块的断路器不论是与传统固态断路器还是与混合式断路器相比,其成本都会显著提高,具体体现在IGBT数量的增加和控制成本的增加.
因此,这类断路器基本仅适用在可靠性要求较高的场合,在其他情况下使用的经济性不高.
5组合式直流断路器此前文献中提出的断路器都是一个整体,避免图6换流支路使用级联模块拓扑Fig.
6Topologyofcascadedmoduleusedintheconverterbranch图7简化SM结构Fig.
7SimplifiedSMstructure表2Z源断路器比较Table2ComparisonofZ-sourcebreakersZ源断路器文献[24]文献[25]文献[26]文献[27]文献[28]文献[29]文献[30]交错结构并联结构串联结构使用2套交错结构使用2套晶闸管开关使用2套并联结构使用线圈耦合公共地无有有无无无有有有有有倒流到电源的故障电流无高中无无无中无中高无双向导通能力无无无有有有有有有有有晶闸管导通损耗低低低低低低低低低低低图5主支路使用级联模块拓扑Fig.
5Topologyofcascadedmoduleusedinmainbranch1912020,44(9)·综述·不了有一定的局限性,有的学者提出了多个部分共同配合的断路器,各个部分安装在电网的不同位置,实现不同的作用.
常见的结构为安装在母线侧和线路侧,如图8所示.
安装在母线侧的部分Ⅰ,可以起到分流限流的作用;安装在线路侧的部分Ⅱ,用于隔离故障电路.
故障时线路侧和母线侧的接地开关同时导通,可以在线路的主开关两侧制造出相对低的电压差,有利于灭弧关断.
同时母线侧部分可以限制故障电流对换流器的影响,防止其电压崩溃.
文献[37-38]采用上述思路,二者在断路器结构上具有相似性,在具体实现形式上有差异.
文献[37]在部分Ⅰ,Ⅱ均采用经电阻直接接地的方式,文献[38]则采用开关管级联的方式,具有更高的耐压性.
采用这种结构的本质是将传统混合断路器中的换流支路统一用母线侧的支路代替,文献[39]比较了传统混合断路器和文献[38]中所设计的断路器,发现二者的开关特性相似,但装配式断路器更具有经济性.
文献[40]设计了一种适用于多端直流输电的断路器,与文献[38]中设计断路器的思路类似,为每条线路都配置了集成主断路器(IMB)和集成负载换向开关(ILCS),如图9所示.
发生故障时所有支路的换向开关都打开,所有线路电流转移到主断路器支路,然后闭合健康支路的换向开关,故障支路换向开关保持打开,此时断路器支路和换向支路共同分担电流,最后打开主断路器开关,故障电流被割断,而其余线路正常运行.
由于故障时不能区分故障线路,若要把所有支路电流都换向,该断路器的快速性有待进一步研究.
对组合式直流断路器比较如表3所示.
表3中所列断路器均可用于高电压等级,经比较可知,文献[37]与文献[39]简化了换流支路,降低了成本;文献[40]中发生故障时将关断所有支路断路器,具有较高的可靠性.
组合式直流断路器脱离了整体结构,在不同部分可以增加不同的设备或设计不同的拓扑,拓展了断路器的功能并增大了断路器关断能力,具有较大的发展前景.
6与其他电网器件或控制器件组合的直流断路器为了减轻直流断路器的耐压压力或增加直流断路器的功能,设计了与其他电网器件或控制器件组合使用的断路器.
6.
1与限流器组合直流断路器设计的难点之一便是如何承受远高于正常运行电流的故障电流,对于需要熄弧的机械开关,电流越大,熄弧越困难;对于没有熄弧问题的电力电子器件开关,大电流的关断会引起器件的暂态过电压,该过电压与电流幅值成正比[4].
因此考虑加入限流器来限制故障电流,限流器应拥有正常运行时低阻、故障时高阻的特性,而超导材料能满足以上条件.
超导体具有根据电流大小而改变阻值的性质,当流过的电流值小于界限值时,超导体可以等效为低阻导线;而当电流值大于界限值时,超导体则表现出电阻的特性[41-42].
故超导体限流器(SCLM)在直流输电系统保护中具有很好的适用性.
文献[43]介绍了一种应用超导限流器的直流断路器,通过加入超导限流环节可以限制故障电流的峰值以及上升速率.
通过文献[43]中仿真结果可以图9多端口混合断路器Fig.
9Multi-porthybridcircuitbreaker图8组合式高压直流断路器Fig.
8IntegratedHVDCcircuitbreaker表3组合式直流断路器比较Table3ComparisonofintegratedDCcircuitbreakers断路器文献[37]文献[38]文献[39]文献[40]电压等级高高高高复杂度低中中高成本低高中高可靠性中中中高192王灿,等中高压直流断路器拓扑综述http://www.
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com发现故障电流上升速率下降为1/24,电流峰值下降为1/8.
同时文献[44]在文献[43]的基础上研究了横向磁场(TMF)对断路器熄弧的影响,结果表明横向磁场的加入可以缩短灭弧时间.
文献[45]设计的断路器采用振荡电路来熄灭电弧,故障时利用超导限流器抑制故障电流,同时超导限流器电压增大给电容充电,当充电至限流器电压时电容开始给机械开关提供反向电流,以熄灭电弧,这种方法提高了能量利用率.
文献[46]研究了结合超导限流器和直流断路器的保护策略,超导限流器的加入可以提高直流断路器的开断能力.
除了单独加入超导限流器,还可利用开关控制普通限流器的接入.
文献[47]提出了一种能工作在限流或断路模式下的断路器,通过拓扑设计及开关控制,使得电感在正常运行时并联,在故障时串联,以此达到故障时限流的目的.
但该断路器的缺点是随着器件的增多对控制的要求增高,同时增加了成本和正常运行时的损耗.
与文献[47]中的限流方案相比,采用文献[43-46]中所提的超导限流器更具有快速性和稳定性.
文献[43-47]中均给出了一般故障电流与加入超导限流器后的故障电流的对比,从结果来看限流器可以在故障发生后毫秒级的时间内将短路电流限制50%.
但在发生故障后至限流器投入的时间间隔仍然较长,且超导限流器正常运行的功耗大且其投入需要增加额外的控制器和开关,同时限流器的投入对电网稳定性具有影响.
故与限流器结合的直流断路器虽然从根本上抑制了短路电流,有着无可比拟的优点,但其实际工程应用很大程度上依赖于超导限流器的发展.
6.
2与MMC组合在现有的大部分直流故障保护方案中,直流故障的排除都依赖于改进的MMC拓扑结构[48]或高压直流断路器.
然而,换流变换器和直流断路器的组合可以提供一种经济可靠的直流故障解决方案[49].
这种方案的思路是在发生故障时,使MMC的SM在直流断路器动作之前被临时旁路,待故障被断路器隔离之后,MMC恢复正常运行[49-51].
文献[50]将MMC换流器中每个模块都并联双向晶闸管旁路,如图10所示.
在发生故障时触发晶闸管,此时MMC端口电压变为零,限制故障电流上升率[50].
主开关部分由机械开关和电力电子换流开关串联组成.
同时文献[50]在换流器侧和线路侧各配置一条能量吸收支路(电容),与文献[37]的思路相似,用于故障时吸收换流器和线路上的能量.
增加的吸收支路可以替代混合断路器中的故障电流转移支路和能量吸收支路,大幅度减小了断路器的成本和体积.
文献[52]与文献[50]思路相似,在MMC换流器中并入电感控制模块(ICM),串入电阻插入模块(RIM),单相桥臂如图11所示.
在ICM安装后,当直流侧发生故障时,通过触发半桥子模块(HBSM)的S2和ICM的所有IGBT,该换流器能够快速地将输出直流电压降到零.
在不同的条件下,ICM的数目取决于上、下桥臂电感的最大电压.
考虑到交流系统在换流器运行过程中对桥臂的故障电流有很大的影响,通过阻断RIM中的S5和S6,可以有效地限制桥臂过流.
由于交流系统的阻尼往往比直流系统大得多,在大多数应用场景中可以省略RIM[52].
文献[49]和文献[51]具体研究了MMC和直流断路器共同作用的直流故障保护策略,从其仿真结果可以看出,通过旁路MMC各模块以及利用直流图10改进后的SM拓扑Fig.
10ImprovedtopologyofSM图11改进桥臂拓扑Fig.
11Improvedbridgearmtopology1932020,44(9)·综述·断路器清除短路故障可以减小各桥臂的故障电流,同时也抑制了流过断路器的故障电流.
文献[50]和文献[52]提出了MMC与直流断路器结合的具体措施,其仿真效果与文献[51]中给出的结果相似.
目前针对此方向的研究,现有文献还未提及其对系统稳定性的影响.
与MMC结合虽然可以简化断路器的设计,但却增加了MMC的复杂度,该技术的故障清除时间包括MMC模块旁路时间和断路器动作时间,当二者时间之和大于MMC单独闭锁或断路器单独作用的时间时,不利于故障的快速清除.
6.
3与控制器件组合除了以上2种抑制短路电流的方式外,有些文献提出了直流断路器与其他控制器件相结合的方法,扩展了直流断路器的功能.
文献[53]介绍了一种将直流潮流控制器和直流断路器组合起来的具有直流潮流调控能力的断路器.
直流潮流控制器由2个相同的H桥直流转换器构成[53],而直流断路器采用文献[33]中的结构.
这种新型断路器可以实现直流系统的潮流控制及故障快速隔离,同时系统的最大故障电流不会流经设备中的潮流控制部分,无须使用大量电力电子元件来应对其极高的过流要求,因此潮流控制器成本大大降低.
文献[54]提出在混合式断路器的控制中加入电流控制,文献[55]在此基础上提出一种在混合式断路器中加入电压控制的方法以减小故障电流峰值:将测量得到的超快断开开关的电弧电压作为输入量,通过控制接入电路中的电涌放电器数量来达到控制电压的目的.
超导限流器和MMC的加入可以降低断路器所承受的故障电压,而与潮流控制器的组合可以使断路器具有潮流控制的功能,同时对断路器加入新的控制量可以降低断路器的耐压.
与其他电网器件结合的方法虽然增加了断路器的成本,但这种组合功能的器件可以充分利用建设空间,并且提高断路器的智能化.
7直流断路器测试电路直流断路器测试电路在验证直流断路器样机设计时有重要的作用.
直流断路器测试电路要求能达到较高的电流电压幅值,并且持续较长时间.
一般方法通过预充电的电容或电感放电来模仿故障电流波形[56-57],如图12所示.
或者通过低频交流发电机来提供能量[58],如图13所示.
文献[56]比较了2种直流断路器的测试方法,工频电流峰值法和充电电抗器法,两者产生的波形不同,但断路器中断表现相似.
文献[57-58]比较了几种直流断路器的测试电路,不论是预充电容还是预充电感都不能很好地满足放电时间的需求.
而采用大功率低频交流发电机的测试电路在选择合适的电压峰值和合闸角时,可以达到较好效果.
和故障电流中断时间相比,其工频周期较长,足以模仿实际的故障电流上升速度.
文献[59]提出一种用将三相交流电压整流后对电容器组进行充电的测试电路,其可以在一个自动重合闸测试的中断序列之后快速向电容器组充电.
文献[60]设计了一种改进的电容充电测试电路,通过加入直流电源延长了放电时间.
表4对比了现有文献中所提出的断路器测试电路.
由表4可知,使用16.
7Hz的交流电源做测试电路较为合理.
一方面,使用交流电源可以有效利用已有的交流断路器测试设备,节约投入成本;另一方面,其具有较高的放电电流峰值和较长的放电时间,满足大电压测试实验的需求.
与文献[58]中使用交流电源的测试电路相比,不论是文献[59]中使用的直流斩波的测试电路还是文献[60]中使用直流电源的测试电路,在实际应用时都需要重新搭建实验电路,因此其成本较高.
表4直流断路器测试电路比较Table4TestcircuitcomparisonofDCcircuitbreaker测试电路使用充电电感使用充电电容使用50Hz交流电源使用16.
7Hz交流电源使用直流斩波使用直流电源放电电流峰值低低中高高高放电时间长短中长长长成本低低中中高高图12采用预充电电容的测试电路Fig.
12Testcircuitofusingpre-chargingcapacitor图13采用交流电源的测试电路Fig.
13TestcircuitofusingACpowersupply194王灿,等中高压直流断路器拓扑综述http://www.
aeps-info.
com使用充电电容或电感的测试电路不能模拟实际中电源在中断过程中提供的能量.
此外,在故障清除之后测试电路应维持一段时间的额定电压以提供绝缘介质所受的电应力或检测断路器重合闸能力,而充电电容或电感的测试电路同样不能满足这种需求,因而这2种测试电路的使用范围较小.
对于使用交流电源的测试电路和使用直流电源的断路器则满足上述条件,可以进行实际的应用.
由于直流断路器的发展尚未定型,故直流断路器测试电路同样具有不确定性,目前研究所得到的结果并不能作为直流断路器测试电路的最优解,随着直流断路器的完善,其测试电路也将渐渐成熟.
8直流断路器发展趋势直流电网是未来电网的重要组成部分,直流输配电系统正在被赋予新的接线运行方式和应用场景,但作为该系统中关键器件的中高压直流断路器却缺少实用可靠的成品[61].
由于故障的多样化以及直流断路器高成本、高损耗、低可靠性的问题,直流断路器的拓扑和控制有待进一步深入研究.
对上述直流断路器的对比如表5所示.
由表5可知,机械式断路器结构简单、负载能力强、运行稳定、损耗小,可以依靠原有的断路器设备.
但其机械触头容易被电弧损坏,且故障切除时间较长.
因此,对机械式直流断路器的研究应集中在具备快速可靠熄灭电弧的辅助电路上,如前文中提到的电容自充电电路和磁感应电流换向驱动电路.
其中,电容自充电可以缩短时间而磁感应驱动电路可以提供可靠的反向电流.
此外,针对电弧物理过程的数学建模对直流断路器的理论分析、运行仿真及研发应用具有重要的意义,电弧物理模型的建立能够为直流断路器在关断过程中的控制提供理论依据,能够更加精确地控制反向电流.
固态式直流断路器开断时没有电弧和噪声、开关时刻可控、可靠性高,主要应用于航空航天及船舰等中低电压等级.
较高电压电流下固态断路器中的电力电子器件串联分压、并联分流问题影响断路器的可靠运行.
此外,通态损耗高、冷却问题严重、造价昂贵等缺点限制了其在高压直流系统中的应用及工业化的发展.
因此,解决这些问题将是固态断路器的研究重点.
高压系统可以使用级联模块解决开关分压和投切的问题,但这也增加了控制的难度.
对于较低电压等级下的断路器则可以采用如Z源断路器类的小型断路器,但同样控制也是其制约条件.
因此,对固态断路器的研究应着重于对其控制的研究上,增加控制的精度或拓展新的控制策略.
此外,新型开关器件的使用或已有开关器件的改进同样会促进固态直流断路器的发展.
混合断路器将是未来直流断路器发展的主流.
混合断路器兼具了机械式断路器和固态式断路器的优点,在工程中已经得到了应用.
混合式断路器拓扑众多,在实际应用时应根据具体工况选择合适的拓扑,并根据经济性、可靠性或快速性等不同方面的考虑进行有目的的优化.
未来对混合式断路器的研究主要应集中在对其拓扑的创新以及功能的智能化拓展,如组合式高压直流断路器、多功能断路器以及与其他电网器件组合的断路器,这些拓展有助于提高直流断路器的关断能力和智能化水平,从而推动现代中高压直流电网的建设.
9结语中高压直流电网技术的发展对直流断路器提出了更高的要求.
本文综述了直流断路器的发展现状,总结近年来提出的在中高压领域应用的直流断路器拓扑,比较分析了它们的特点及其使用优缺点,表5中高压直流断路器拓扑比较Table5Topologicalcomparisonofmedium-andhigh-voltageDCcircuitbreakers断路器类型机械式断路器固态式断路器混合式断路器过零振荡辅助电路磁感应电流换向驱动辅助电路单向Z源断路器双向Z源断路器在主支路使用级联模块断路器在换流支路使用级联模块断路器组合式断路器与限流器组合与MMC组合与控制器组合优点运行稳定通态损耗小提供可靠反向电流结构简单可双向关断电流简化开关机构,分断速度快导通损耗小保留使用SM优点脱离整体结构关断能力大可靠性较高限制故障电流的峰值及其上升速率大幅度减小断路器的成本和体积扩展了直流断路器功能缺点故障电流切除时间长使用受限于与之相连的断路器灭弧能力可控性不高稳定性不高成本较高可控性不高稳定性不高导通损耗大控制复杂成本高控制复杂成本高故障隔离操作复杂快速性不高成本普遍较高正常运行时功耗大对电网稳定性有影响MMC复杂度增加故障未必能快速清除成本较高1952020,44(9)·综述·梳理出了各直流断路器有待解决的关键技术问题并对直流断路器的发展进行了展望.
1)机械式直流断路器由于其结构简单,运行稳定等优点已在实际工程中得到应用,目前在中高压领域应用较多的机械式直流断路器主要依靠人为制造过零点.
由于目前其难以实现实时、灵活、快速动作,故机械式直流断路器未来关注重点应在于新型可靠拓扑的研发、换流方式的改进和快速可靠熄灭电弧的辅助电路设计方面.
2)固态式直流断路器适用于对系统可靠性要求较高的场合,但由于成本原因目前较少运用于实际工程中.
其未来的研究可侧重于在降低通态损耗以及成本的前提下,增加控制的精度或拓展新的控制策略,提高其在较高电压等级下的可靠运行能力.
3)混合式直流断路器兼具机械式断路器和固态式断路器的优点,已用于实际工程中.
其未来研究重点则是在保留机械式直流断路器优点的基础上实现开关速动性,保证可靠性的同时提高系统经济性.
随着直流电网的扩大和越来越多负荷的接入,对直流断路器动作速度和电流关断能力的要求也越来越严格,单独的直流断路器将越来越难满足要求,因此直流断路器与其他电网器件的配合使用将是未来的研究重点.
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王灿(1984—),男,博士,助理教授,主要研究方向:高压直流输电、柔性直流输电、新能源(如风能、太阳能等)并网、新能源汽车驱动电力电子系统.
E-mail:can.
wang@hit.
edu.
cn杜船(1996—),男,硕士研究生,主要研究方向:柔性直流输电.
E-mail:18S053199@stu.
hit.
edu.
cn徐杰雄(1996—),男,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:柔性直流输电.
E-mail:19S053071@stu.
hit.
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cn(编辑施冬敏)198王灿,等中高压直流断路器拓扑综述http://www.
aeps-info.
comReviewofTopologiesforMedium-andHigh-voltageDCCircuitBreakerWANGCan,DUChuan,XUJiexiong(SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation,HarbinInstituteofTechnology(Shenzhen),Shenzhen518055,China)Abstract:WiththedevelopmentofDCpowertransmissionanddistributionsystem,therequirementsofDCsystemonfaultcurrentsuppressionandclearingareincreased.
DCcircuitbreakercansolvethespeed,stabilityandeconomyproblemswhenclearingDCfaults.
ThispaperdiscussesthedevelopmentstatusofDCcircuitbreaker,andsummarizestopologiesofDCcircuitbreakerproposedathomeandabroadinrecentyears.
Onthisbasis,themechanical,Z-sourcestructure,combined,cascade-module,device-combination-typeDCcircuitbreakertopologyandDCcircuitbreakertestcircuitarediscussedindetail.
Thetopologyprinciple,advantagesandmainproblemsofeachaspectarepresented,andtheliteratureinthesamefieldiscompared.
Finally,thepossiblefuturedevelopmenttrendsandrelatedproblemsofDCcircuitbreakerareputforward.
Keywords:DCtransmissionanddistributionsystem;DCcircuitbreaker;topology;testcircuit199