摘要：研究了基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器。采用电力电子复合开关，以降低高压混合式直流断路器的电力电子功率器件串联数量;采用特殊设计的限流电路，在故障发生时抑制短路电流的上升速率，并可在线路断开后自行释放能量，避免感应过电压的产生。同时，对限流式混合直流断路器的参数设计原则及复合开关的配置方法进行了详细的推导，并对其正确性进行仿真验证。仿真结果证明，采用文中所述方法进行限流式混合直流断路器的设计，不仅可以在直流电路发生短路故障时有效限制短路电流上升率，降低短路电流开断难度，还可以显著减少器件串联数量，从而达到降低装置体积与成本的目的。
关键词：混合直流断路器;电力电子复合开关;限流电路;参数设计
0 引言
高压直流输电以交流输电不可替代的优点，在远距离大功率输电和交流系统的非同步联络等方面得到广泛的应用。近十几年来，轻型直流输电技术的提出和发展，更使直流输电延伸到了近距离、小容量的输电场合。另一方面，面对经济社会的快速发展，用户对电 力 系 统 提 出 了 更 加 环 境 友 好、安 全 可靠、优质经济并支持用户与电网双向互动等诸多要求，研究兼具可靠性、安全性、稳定性、经济性的直流配电网具有巨大的市场价值和经济价值[1-7]。
目前，制约柔性直流输(配)电网络实际工程应用的主要原因之一，就是缺乏实用的高压直流断路器。作为承载、开断直流运行回路正常电流以及各种故障电流的开关设备，直流断路器大体可以分为机械式断路器、全固态断路器与混合式断路器。机械式断路器具有运行稳定、带载能力强、通态损耗小等优点，但由于自身结构的制约，断开时产生的电弧易损坏触头，故障电流切除时间较长，无法实时、灵活、快速动作[8]。全固态断路器具有开断时间短、无弧光等优点，但存在容易过压过流、通态损耗高等无法克服的缺点，极大地影响了全固态断路器的实际应用[9]。混合式断路器结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能，具有通态损耗小、开断时间短、无需专用冷却设备等优点，是目前断路器 研 发 的 新 方 向，有 广 阔 的 应 用 前 景[10-12]。文献[13]提出了一种基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)软关断的混合式限流断路器结构，其优点是能够快速开 断 短 路 电 流，但 仅 能 用 于 低 压 场 合;文献[14]提出了基于高速斥力开关和晶闸管的混合式直流断路器，能有效地开断上升速率较快的短路电流，但是开断速度较慢。文献[15]对现有的直流断路器进行了总结，提出了一种混合式直流断路器，并对其原理进行了简单的介绍。
虽然近几年直流断路器技术已经有了长足的进步，但大多数科研机构对于直流断路器的研究还基本处于样机试制和验证阶段，容量较小且集中在一些特殊的领域。其主要问题在于以下两个方面。
1)直流故障电流难以迅速开断
电压源型换流器等基于全控型功率半导体器件的电力电子变换装置是柔性直流输(配)电网的核心部件，其直流侧需接入足够大的并联支撑电容。当故障发生时，故障点附近的并联支撑电容迅速放电，导致短路电流上升快、幅值高;而对于直流断路器而言，现有电力电子器件过载能力较低，而且承受di/dt，du/dt的能力有限。若要求采用电力电子器件开断故障电流，就要求直流断路器在故障电流上升到一定值之前完成开断，这对混合直流断路器机械开关的速动性提出很高的要求。虽然近年来出现了动作速度较快的高速斥力开关[13]，但这一问题仍不能得到根本解决。因此，如何快速准确判断故障并开断短路电流成为直流断路器研究的难题之一。
2)高压直流系统中电力电子器件串联数量问题
混合直流 断 路 器 应 用IGBT、集成门极换流晶闸管(IGCT)等全控电力电子器件串联构成固态开关回路，以实现直流电路的通断。相对直流电网的电压而言，电力电子功率器件的耐压有限，为了解决多个电力电子器件串联时的均压问题，通常需对电力电子器件的均压策略进行研究，实现电力电子器件串联后的安全运行。然而，在高压大容量的应用场合下，随着电压等级的不断增加，电力电子器件串联个数不断增多，这不仅增加了均压技术难度，无法保证器件的安全运行，也将使直流断路器的体积与成本明显增大。目前，国内外针对混合式直流断路器做了诸多理论研究[16-18]，并研制出了相应的试验样机，其中 ABB公司研发的混合直流断路器最具代表性。根据所公布的技术文件[19]，该断路器的开断能力9kA，开断时间5ms，可运用于320kV 的 高压直流(HVDC)输电系统。这种混合式直流断路器的固态开关完全采用IGBT 器件 串 联 构 成，这 对 器件的均压技术提出了很高的要求，从而增加了工程实现的难度。
针对以上两个问题，本文优化整合全控型与半控型电力电子开关的优点，对基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器进行了设计与研究：采用由半控和全控型电力电子器件组合构成的新型电力电子复合开关，以降低高压混合式直流断路器的电力电子功率器件串联数量，从而有效降低其整体体积与成本;设计了一种限流电路，在故障发生时抑制短路电流上升率，并可在线路断开后自行释放能量，避免感应过电压的产生，同时争取更多的关断时间，降低了对机械开关速动性的要求。同时，对限流式混合直流断路器开断故障电流时的能量转移过程进行了分析，并据此提出了限流式混合直流断路器的参数设计原则及复合开关的配置方法。
1 限流式混合直流断路器拓扑结构与工作原理
基于电力电子复合开关的限流式直流断路器，其拓扑结 构 见 图 1。机 械 开 关 S 采用高速斥力开关，该装置动作时间短，可以显著缩短直流断路器的开断时间;电力电子复合开关由IGBT 阀组 T1 与晶闸管阀 组 T2 串 联 构 成，由 于 晶 闸 管 的 耐 压 相 对 较高，因此该复合开关可用于降低电力电子器件的串联数量及均压技术难度;限流电路由限流电感L、晶闸管 DL 和 DL1及能量释放电阻 RL 构成，故障发生时，L 用于限制 短 路 电 流 上 升 率，故 障 切 除 后，L 中存储的能量经 DL 和 DL1及 RL 释放;续流二极管 D用于释放电源出口与短路点间的线路阻抗中存储的能量，故障切除后，线路能量经续流二极管与短路点释放，以避免其感应过电压对其他设备造成的影响。
根据直流线路的运行需要，直流断路器需具备5种工作模式，即潮流正向时的合闸与分闸、潮流反向时的合闸与分闸以及线路故障时的短路电流开断。定义图1中电流iS 的方向为潮流正方向，当潮流正向，线路需合闸时，令晶闸管 DL，DL1始终关断，直至合闸完成;当潮流正向，线路需分闸时，令晶闸管 DL1始终关断，晶闸管 DL 始终导通。同理，当 潮流反向，线路合闸时，晶闸管 DL，DL1始终关断;当潮流反向，线 路 需 分 闸 时，令 晶 闸 管 DL 始 终 关 断，晶闸管 DL1始终导通。由于线路的过电压与过电流通常出现在开断短路电流的过程中，因此下文以潮流正向时的短路开断过程为例，对直流断路器的工作原理进行简要分析。限流式直流断路器在潮流正向时的等效拓扑结构图及短路电流开断过程工作波形图分别如图2、图3所示，由于晶闸管 DL 始终导通，图2中将其等效为二极管。
0～t1(区 间Ⅰ)：直 流 线 路 正 常 供 电，复 合 开 关处于关断 状 态，机 械 开 关(复 合 开 关)两 端 电 压VS为零，机械开关电流iS 为线路正常供电电流。
t1～t2(区间Ⅱ)：t1 时刻发生故障，限流电路电感 L开始抑制短路电流i的上升。t2 时刻，断路器同时发出机械开关分闸信号及复合开关导通信号。
t2～t3(区间Ⅲ)：为机械开关 S动作延时时间。由于VS 小 于 复 合 开 关 导 通 电 压，复 合 开 关 仍 处 于关断状态，短路电流i继续上升。
t3～t4(区间Ⅳ)：t3 时刻，机械开关S开始断开，其两端电压上升。
t4～t5(区间Ⅴ)：t4 时刻，VS 达到复合开关导通电压，复合开关开始导通，由于IGBT 阀组 T1 导通时间远小于晶闸 管 阀 组 T2，在 T1 导 通 时，T2 尚 未导通，复合开关电流iT 为零。
t5～t6(区间Ⅵ)：t5 时刻，T2 开始导通，复 合 开关电流iT 上升，机械开关电流iS 下降，短路电流逐渐由机械开关回路转移至复合开关回路。t6 时刻，机械开关电流iS 下降为零。
t6～t7(区间Ⅶ)：机械开关S进入零电流分闸过程，短路电流完全由复合开关回路承担，复合开关电流iT 继续上升。t7 时 刻，机 械 开 关 S完 成 分 闸，向T1，T2 发出关断信号。
t7～t8(区 间Ⅷ)：在 T1 的 关 断 过 程 中，复 合 开关仍有电流流过，T2 无法恢复正向阻断特 性，其 两端电压仍为其导 通 电 压，IGBT 阀 组 电 压VT1上 升，复合开关电流iT 下降，VS 上升。
t8～t9(区间Ⅸ)：t8 时刻，IGBT 阀组 T1 完全关断，晶闸管阀组 T2 开始恢复其正向阻断能力，其两端电压上升，IGBT 阀 组 电 压VT1下降后亦继续上升。t9 时刻，T2 恢复正向阻断能力，复 合 开 关 完 全关断。
t9 时刻后(区间Ⅹ)：由于缓冲电路中电容的存在，虽然复合开关完全关断，但限流电路电感电流iL及短路电 流i仍 会 有 短 暂 上 升。而后电流开始下降，限流电路电感L 感应产生的反电势使 DL 导通，直流线路电感产生的反电势使续流二极管 D 导通，线路及L 中的能量开始释放。某一时刻，iL 下降率达到最大值，VS 上升至最大值(即 电 源 电 压 与 电 感L 产生的反电势之和)，限流电路晶闸管电流iDL及续流二极管电 流iD 亦上升至最大值。其 详 细 过 程将在第2节中进行分析。
2 限流式混合直流断路器的参数设计
2.1 限流过程中能量的转移与释放
当线路合闸时，由于限流电感的作用，线路电流缓慢上升至线路正常工作电流，因此器件承受的过电压与过电流通常出现在线路分闸，尤其是短路电流的开断过 程 中。本节假设短路故障电阻为0，并忽略图2所示的线路阻抗，对限流式混合直流断路器短路电流开断过程中的能量转移过程进行分析。
4 结语
本文对基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器的拓扑结构与工作原理进行了研究，并对其限流过程、能量转移、参数设计原则及电力电子复合开关的配置方法进行了详细的分析。与 ABB 公司 研发的高压直流断路器相比，本文提出的基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器可以限制直流线路短路电流的同时避免线路电压电流振荡，有效开断直流线路短路电流，还可以在直流线路分断后为直流线路及负载中存储的能量提供释放回路，并降低电力电子复合开关的串联个数及均压技术难度，但是需要增加一个缓冲电容，可能会增大断路器的体积与成本。——论文作者：杜 翼，江道灼，郑 欢，张 弛，尹 瑞，吴兆麟
参 考 文 献
[1]HAMMERSTROM DJ.ACversusDCdistributionsystems— didwegetitright? [C]// ProceedingsoftheIEEE PowerEngineering Society General Meeting，June 24-28， 2007，Tampa，FL，USA：5p.
[2]STARKE M R，TOLBERT L M，OZPINECIB.ACvsDCdistribution：Alosscomparison[C]//ProceedingsofIEEE/PESTransmissionandDistributionConferenceandExposition，April21-24，2008，Chicago，IL，USA：7p.
[3]STARKE M R，LIF X，TOLBERT L M，etal.ACvsDCdistribution：maximumtransfercapability[C]//Proceedingsofthe2008IEEE Powerand Energy Society General Meeting：Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21stCentury，July20-24，2008，Pittsburgh，PA，USA：6p.
[4]DASTGEERF，KALAM A.EfficiencycomparisonofDCandAC distribution systems for distributed generation [C]//
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