一种改进型限流式直流断路器拓扑.pdf
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1、第 38 卷第 2 期电 力 科 学 与 技 术 学 报Vol.38 No.22023 年 3 月JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGYMar.2023一种改进型限流式直流断路器拓扑刘进,樊艳芳,孙瑶,王亚强(新疆大学电气工程学院,新疆 乌鲁木齐 830017)摘要:针对目前已有混合式直流断路器拓扑中存在的成本高、故障工况下电流过大的问题,本文基于传统直流断路器拓扑提出一种改进型限流式直流断路器拓扑结构。该拓扑的限流支路在故障发生后接入电路,可有效限制故障电流上升;转移支路由晶闸管和 IGBT 串联组成,减小 IGBT 使用数量;采用预
2、充电电容给晶闸管提供反压使其关断,并提出一种电容预充电方案。首先分析所提拓扑的工作原理,然后对其进行参数设计,最后在 PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,与传统断路器拓扑进行对比,验证所提拓扑的可靠性和经济性。关键词:直流断路器;限流电感;晶闸管;预充电电容DOI:10.19781/j.issn.16739140.2023.02.004中图分类号:TM762文章编号:16739140(2023)02003010An improved currentlimiting DC circuit breaker topologyLIU Jin,FAN Yanfang,SUN Yao,WANG Yaqi
3、ang(School of Electrical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830017,China)Abstract:In response to the problems of high cost and excessive fault current under fault conditions in existing hybrid DCcircuit breaker topologies,this paper proposes an improved current limiting DC circuit breaker topolo
4、gy based on theexisting traditional DC circuit breaker topology.The currentlimiting branch of the topology was connected to the circuitafter the fault occured,effectively limiting the rise of fault current.The transfer branch consisted of thyristor and IGBT inseries to reduce the number of IGBT.A pr
5、echarged capacitor was used to provide the reverse voltage for the thyristor,anda precharged scheme was proposed.The operation principle was analyzed based on the proposed topology,and then theparameters were designed.Finally,a simulation model was built in PSCAD/EMTDC,compared with the breaker with
6、traditional topology,to verify the reliability and economy of the proposed topology.Key words:DC circuit breaker;currentlimiting inductance;thyristor;precharged capacitor基于电压源型换流器的高压直流输电(voltagesource converter based high voltage direct currenttransmission,VSCHVDC)也称柔性直流输电,凭借其供电可靠性、功率调节灵活、便于大规模风能光伏等
7、新能源并网12等优势受到国内外学者的广泛关注,但直流系统阻尼低,故障电流上升迅速,且直流电流没有自然过零点,使直流故障的快速清除35成为制约 VSCHVDC发展的主要因素之一。直流断路器(direct current circuit breaker,DCCB)在快速清除故障的同时保证健全线路正常运行,是目 前 多 端 直 流 系 统 故 障 清 除 最 有 效 的 方 案67。DCCB 一般分为机械式 DCCB、固态式 DCCB 和混收稿日期:20211209;修回日期:20220311基金项目:2022天山英才培养计划(2022TSYCLJ0019);新疆维吾尔自治区高校科研重点项目(XJE
8、DU2021I009)通信作者:樊艳芳(1973),女,博士,教授,主要从事新能源并网技术及电力系统保护与控制研究;E-mail:刘进,等:一种改进型限流式直流断路器拓扑第 38 卷第 2 期合式 DCCB,其中混合式 DCCB 结合了前两者的优点,既能大容量低损耗地运行,也能快速清除故障电流8。目前混合式 DCCB 一般使用全控型电力电子器件-绝缘栅双极型晶体管(insulate gate bipolartransistor,IGBT)。文献 9 介绍了 ABB 公司提出的混合式 DCCB,稳态运行损耗低,故障电流清除速度快,但使用大量 IGBT,成本过高,且对串联均压技术的要求很高。文献
9、10 提出一种基于 IGBT 串联 技 术 的 混 合 式 DCCB,辅 助 开 关 采 用 反 并 联IGBT,双向开断故障电流,采用一个主分断开关,相比于 ABB 方案节约了 IGBT 数量,但没有解决大量 IGBT 串联可能出现不均压的问题。文献 11 提出一种混合式 DCCB,采用全桥子模块,避免了大量IGBT 串联带来的不均压问题,但较 ABB 方案使用更多 IGBT,成本更高。相较于 IGBT 的串联技术,晶闸管的串联技术难度较低,工程应用也比较广泛。文献 12 提出的断路器拓扑其转移支路采用晶闸管和 IGBT 串联,减少了对 IGBT 的需求,减小了成本和技术难度,但是没有针对晶
10、闸管半控特性给出晶闸管关断的方法。晶闸管属于半控型器件,需要承受反压才能关断。文献 13 采用由预充电电容和电感组成的谐振电路来给晶闸管提供反压,但电容放电增加了主支路的故障电流上升率,增加了主支路的电流应力;文献 14 通过控制不同并联缓冲支路的导通延迟来给转移支路的晶闸管提供反压,但增加了太多元器件,经济性不足且控制较为复杂。直流系统发生故障时电流上升过快,如何限制故障电流的快速上升也成为一个研究重点。一般方法是在线路上安装电抗器,利用电感限流原理限制故障电流的快速上升。文献 12 提出一种限流式 DCCB,在线路上设置限流电路,虽然达到了限流效果,但使得线路上的电感过大,不利于系统的稳定
11、运行。文献 15 提出一种限流方法,在故障发生后将限流单元与断路单元一起投入工作,有效限制了故障电流的上升,但增加了大量元器件,经济性不足。基于以上拓扑中存在的问题,本文在文献 12 的基础上进行改进,提出一种改进型限流式直流断路器拓扑(currentlimiting DC circuit breaker,CLCB),详细分析所提拓扑的结构和工作原理,给出参数设计原则,在 PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,与现有拓扑进行对比,验证本文所提拓扑的优势。1限流式 DCCB拓扑结构及工作原理文献 12 提出一种限流式 DCCB,拓扑结构如图 1所示。主支路限流支路转移支路吸能支路DLRLLKT1
12、T2CLRTDTMOV图 1限流式 DCCB拓扑结构Figure 1Topology of currentlimiting DCCB该拓扑在线路上设置了限流电路,利用电感限流原理在故障发生后有效地限制了故障电流的上升,转移支路采用晶闸管和 IGBT 串联,充分利用晶闸管的经济性和 IGBT 的快速性,减小对 IGBT 的需求,降低转移支路的成本。该拓扑的工作原理为:系统正常运行时,电流流通机械开关 K;在故障发生后导通转移支路晶闸管 T1和 IGBT T2,断开机械开关,故障电流换流至转移支路;待机械开关触头达到断开间距后,闭锁转移支路,故障电流换流至缓冲支路给电容 CT充电;待电容两端电压达
13、到避雷器(metal oxide varistors,MOV)动作条件时,电流换流至吸能支路,MOV 动 作 切 除 故 障 电 流。但 该 拓 扑 存 在 以 下问题:1)系统正常运行时限流电路中的限流电感直接串入输电线路,导致系统的等效电感变大,可能会对系统的动态特性和控制保护的灵敏性产生影响,不利于系统安全可靠的运行;31电力科学与技术学报2023 年 3 月2)主支路仅采用一个机械开关,不能保证机械开关实现无弧分断;3)转移支路采用晶闸管和 IGBT 串联,没有针对晶闸管的半控特性给出关断方法;4)该拓扑不具备双向导通和分断电流以及重合闸的能力,在实际工程中很难应用;5)在参数设计方面
14、,文献 12 没有给出相应的参数设计原则,例如限流电感的参数选取、缓冲电容的参数选取以及转移支路的晶闸管和 IGBT 数量配置设计原则。2改进型 CLCB拓扑结构及工作原理2.1改进型 CLCB拓扑结构及其优势分析基于文献 12 所提拓扑存在的问题,本文提出一种改进型限流式直流断路器拓扑,其拓扑结构如图 2所示。限流支路转移支路缓冲支路吸能支路限流支路主支路MOVK3D3T3D4R4CbCpK2R3T4D2S1D1R1L1L2R2T1T2K1DL1DL11DL22DL2图 2改进型 CLCB拓扑结构Figure 2Topology of improved CLCB针对文献 12 所提断路器,文
15、本所提断路器拓扑改进及优势如下。1)主支路由快速机械开关 K1和反向串联的IGBT T1、T2构成,系统正常运行时电流流通主支路,通态损耗低且可双向导通,在故障发生后利用强迫换流原理可以实现机械开关的无弧分断。2)限流支路由限流电感 L1、L2和反并联晶闸管DL1、DL11、DL2、DL22及吸能电阻 R1、R2构成,将限流支路设计在断路器内部,系统正常运行时线路上呈现低阻抗特性,不会影响系统控制保护的灵敏性,在故障发生后,限流支路接入电路限制故障电流的快速上升,电路呈现高阻抗特性,对换流过程中的故障电流限制效果更好。3)转移支路增加预充电电容 Cp为晶闸管 S1提供反压使其快速关断。针对预充
16、电电容的充电问题,考虑充电电压的灵活可控性和充电装置的经济性,本文提出一种电容预充电方案,该方案以直流系统作为充电电源,通过已有线路对电容进行充电,电容充电电路如图 3所示。DL1R1L2T1T2DL2L1R2RsK4LsK1Udc+D1S1T4D2K2T3CpR3CcRcK5D3D4R4CbK3MOV图 3电容充电电路Figure 3Circuit diagram of capacitor precharge机 械 开 关 K4和 K5为 充 电 开 关,也 可 以 使 用IGBT 或晶闸管,本文以机械开关为例,Cc为可变电容器,用来钳位电容 Cp的充电电压,Rc为限流电阻,用来限制充电过程
17、中的电流冲击,通过调节电容 Cp和 Cc的容值比即可灵活调整电容充电电压。充电过程为:在系统稳态时,导通充电开关 S1、K4、K5,直流电源通过线路给电容 Cp充电,待 Cp充满电后,断开充电开关 K4、K5,充电回路没有电流,机械开关实现无弧分断,S1自动退出运行,预充电电容 Cp的充电电压表示为UCp=11+CpCcUdc(1)晶闸管在导通后,只有通过承受反压或外加反压电路才能关断。2种拓扑的晶闸管承受电压对比如图 4所示。32刘进,等:一种改进型限流式直流断路器拓扑第 38 卷第 2 期文献 12 没有外加反压电路,不能保证晶闸管的完全关断,而本文所提拓扑增加了反压电路,在晶闸管需要关断
18、的时候,导通 T4,预充电电容给晶闸管提供反压使其关断。2.9983.0003.0023.0043.0063.0083.010时间/s7006005004003002001000100电压/kV文献 12本文拓扑图 4晶闸管电压对比Figure 4Comparison of thyristor voltage diagram2.2分闸工作原理以故障发生在断路器右侧为例,保持晶闸管DL11、DL22始终关断,晶闸管 DL1、DL2始终导通,可将其等效为二极管,电容 Cp经过预充电建立起一定的电压,分闸各阶段工作过程如图 5所示。分闸工作原理如下:阶段 1(故障发生 t0-t1)t0时刻之前系统正
19、常运行,电流流过主支路,线路电流幅值小,通态损耗小,t0时刻发生故障,故障电流持续上升,电流流向如图 5(a)所示;阶段 2(第 1 次电流转移 t1-t2)t1时刻系统检测到故障,给断路器发出动作信号,导通 S1和 T3,关断 T1,限流电感 L1和 L2接入电路限制故障电流的快速上升,t2时刻,电流完全转移到转移支路,电流流向如图 5(b)所示;阶段 3(K1延迟开断 t2-t3)快速机械开关 K1实现无弧分断,但由于机械开关的特性,需要一定时 间 的 延 迟 才 能 完 全 关 断,电 流 流 向 如 图 5(c)所示;阶段 4(S1反压关断 t3-t4)t3时刻,关断 T3,导通 T4
20、,由于此时电容 Cb两端只有很小的电压,而电容 Cp已经通过预充电建立起一定的电压,所以 S1承受反压关断,电流流向如图 5(d)所示;阶段 5(电压上升 t4-t5)t4时刻,S1完全关断,故障电流完全转移到缓冲支路给电容 Cb充电,电容Cb电压持续上升,电流流向如图 5(e)所示;DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1
21、R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1(a)阶段 1(b)阶段 2(c)阶段 3(d)阶段 4(e)阶段 5(f)阶段 6(g)阶段 7DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1图 5改进型 CLCB分闸各阶段工作过程Figure 5Working process diagram of each stage
22、 of improved CLCB open33电力科学与技术学报2023 年 3 月阶段 6(第 2次电流转移 t5-t6)t5时刻,电容 Cb电压达到避雷器 MOV 动作电压,故障电流向吸能支路转移,t6时刻,故障电流完全转移到吸能支路,电流流向如图 5(f)所示;阶段 7(能量吸收 t6-t7)MOV 两端电压大于直流电源电压,使故障电流下降,t7时刻,故障电流下降为零,故障完全切除,电流流向如图 5(g)所示。本文所提拓扑具有双向导通和分断电流的能力,故障发生在断路器左侧时其工作原理相同,仅是导通开关不同,例如正常运行时导通 T2,保持晶闸管 DL1、DL2始终关断,保持晶闸管 DL1
23、1、DL22始终导通。2.3重合闸工作原理由分闸工作原理可知,在晶闸管完全关断后,故障电流完全转移至缓冲支路给缓冲电容充电,此时限流支路的电感电流和故障电流会有短暂上升的过程,随后电流开始下降,限流电感 L1、L2产生感应反电动势使得 DL1、DL2导通,电感中的能量通过R1、R2释放。在故障电流清除后,导通开关 K2、K3,电容通过 R3、R4放电,一段时间后放电完成,关断K2、K3,为下一次断路器工作做好准备。重合闸操作过程如下:保持主支路机械开关 K1和 IGBT 组关断,导通转移支路 S1和 T3,检测流过转移支路的电流是否上升,若检测到电流上升,则说明仍存在故障电流,则关断 S1和
24、T3,故障电流流向缓冲支路,然后通过 MOV 吸收能量;若此时电流没有上升,则在 500 ms 后重新进行合闸操作,在进行几次重合闸操作后,若依旧没有检测到故障电流,则说明故障已经清除,此时再导通 K1和 T1,使直流系统恢复正常运行。3断路器参数设计对称双端双极直流系统如图 6所示。直流系统线路故障一般分为单极接地故障和双极短路故障,故障发生后相应的直流断路器动作切除故障。本文以发生单极接地短路故障为例重点讨论直流断路器的切断电流能力,故将直流系统简化,如图 7所示。ACYY MMCMMCLsLsBRKBRKBRKBRKLsLsMMCMMCYY AC图 6对称双端双极直流系统Figure 6
25、Symmetrical double ended biopolar DC systemDL1R1L2T1T2DL2L1R2RsLsK1UdcD1S1T4D2K2T3CpR3K5D3D4R4CbK3MOV+图 7直流系统简化示意Figure 7Simplified diagram of DC system3.1限流电感参数设计本文所提拓扑的限流支路设计在断路器内部,为 了 保 证 限 流 效 果,电 流 换 流 过 程 中 的 电 流 峰值 idcmax(tt1)需 要 低 于 主 支 路 断 开 瞬 间 的 电 流idc(t1),即idcmax idc(t1)(2)从故障发生到断路器动作这段时
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