新型具有限流功能多端口高壓直流斷路器拓?fù)?/h1>
2021-11-17 11:49章寶歌孫瑞
電力建設(shè) 2021年11期
章寶歌，孫瑞
(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 蘭州市 730070)
0 引 言
隨著新能源與電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多端柔性直流輸電技術(shù)在世界上引起了廣泛關(guān)注[1-2]。柔性直流輸電具有低慣量、低阻抗、諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)[3]。由于直流輸電沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)的特性，使得故障電流切除和清理的難度增加[4-5]。所以，對(duì)直流故障的關(guān)斷和清除成為當(dāng)今該領(lǐng)域研究的主要問(wèn)題之一[6-7]。
為了實(shí)現(xiàn)故障電流的切除和清理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)直流斷路器(DC circuit breaker，DCCB)展開(kāi)了廣泛的研究，并進(jìn)行了理論分析[8-10]。ABB公司于2012年研制出了首臺(tái)常規(guī)DCCB[11]。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司研發(fā)出了H橋級(jí)聯(lián)DCCB[12]。南京南瑞繼保電氣有限公司研發(fā)出500 kV的DCCB，并在張北四端柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)中投入運(yùn)行[13]。但這些常規(guī)二端口DCCB，其主要的問(wèn)題是一個(gè)主電路對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)移支路，電力電子器件投入數(shù)量多，從而導(dǎo)致其造價(jià)高。
多端口高壓直流斷路器(multi-port DC circuit breaker，MP-DCCB)拓?fù)淠芎芎玫亟鉀Q電力電子器件數(shù)量的問(wèn)題。目前，只有少數(shù)文獻(xiàn)提到MP-DCCB。文獻(xiàn)[14]提出了多個(gè)DCCB共用轉(zhuǎn)移支路。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于DCCB的MP-DCCB，其轉(zhuǎn)移支路上僅需具備單向分?jǐn)嚯娏髂芰?，可以?jié)約一半數(shù)量絕緣柵雙極型晶體管 (insulated gate bipolar transistor，IGBT)成本。但這些MP-DCCB在故障切除時(shí)，故障電流過(guò)大，避雷器消耗的能量過(guò)多。
為了解決故障電流過(guò)大的問(wèn)題，傳統(tǒng)的DCCB限流方式是在直流線路上增加限流電抗器和在DCCB內(nèi)增加限流電感，但電感值的增大將直接影響直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[16-17]。
針對(duì)以上問(wèn)題，另提出新型MP-DCCB，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)主電路是由常規(guī)二端口延伸到多端口，可以大大降低成本費(fèi)用；2)增加限流支路，可以顯著降低故障電流的峰值；3)增加接地支路，可以有效地減少金屬氧化鋅避雷器(metal oxide varistors，MOV)消耗的能量，間接地減小避雷器關(guān)斷的電流大小并縮短關(guān)斷時(shí)間。
隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，迫切需要新型斷路器，這為斷路器進(jìn)一步研究提供了現(xiàn)實(shí)需要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斷路器進(jìn)行了改進(jìn)，為研究提供了理論基礎(chǔ)。用PSCAD建立仿真模型，通過(guò)改變參數(shù)，為研究提供了驗(yàn)證基礎(chǔ)。
本文主要對(duì)DCCB拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)其性能進(jìn)行理論分析。首先介紹新型MP-DCCB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和時(shí)序過(guò)程，并對(duì)各階段進(jìn)行理論分析；然后依據(jù)理論分析進(jìn)行元件參數(shù)設(shè)計(jì)；最后在PSCAD軟件中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證新型MP-DCCB在故障時(shí)的限流和關(guān)斷能力。
1 新型MP-DCCB拓?fù)浜凸ぷ髟?/h2>1.1 MP-DCCB在電網(wǎng)中位置
MP-DCCB的電網(wǎng)位置與故障模型如圖1所示，其中圖1(a)為四端高壓直流輸電系統(tǒng)中MP-DCCB的位置示意圖[18-20]。圖1(b)是以MP-DCCB1為研究對(duì)象的故障模型圖；當(dāng)F點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，電流從MP-DCCB1的非故障端口1、3和4流入，故障端口2的電流則直接流向故障點(diǎn)。
圖1 MP-DCCB的電網(wǎng)位置與故障模型Fig.1 MP-DCCB and fault location in a power system
1.2 新型MP-DCCB拓?fù)?/h3>
圖2是常規(guī)二端口DCCB電路拓?fù)鋱D。其中：K
圖2 常規(guī)二端口DCCB電路拓?fù)銯ig.2 Conventional two-port DCCB topology
為機(jī)械開(kāi)關(guān)，T為反向串聯(lián)的IGBT，T0為轉(zhuǎn)移支路上的IGBT，MOV為金屬氧化物避雷器?；谠撾娐吠?fù)浒l(fā)展起來(lái)了ABB式DCCB和H橋級(jí)聯(lián)DCCB[11-12]。其電路的缺點(diǎn)是：一個(gè)主電路對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)移支路，電力電子器件投入數(shù)量多，從而導(dǎo)致造價(jià)高；沒(méi)有加入限流支路，導(dǎo)致故障切除時(shí)故障電流過(guò)大；沒(méi)有加入接地支路，導(dǎo)致MOV消耗的能量過(guò)多，間接導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
本文提出一種新型具有限流功能多端口高壓直流斷路器拓?fù)?，具有能夠抑制短路故障電流的峰值、降低避雷器消耗的能量和縮短避雷器關(guān)斷的時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由4部分組成：主電路、限流支路、換流支路和接地支路，如圖3所示。
圖3 新型MP-DCCB電路拓?fù)銯ig.3 New topology of MP-DCCB
1)主電路：由機(jī)械開(kāi)關(guān)(ultrafast disconnector，UFD)和負(fù)載轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(load commutation switch，LCS)所組成。其中LCS是由IGBT和二極管D并聯(lián)組成。
2)限流支路：由晶閘管T1—T4及預(yù)充電電容器C1(值為C1)、限流電感LV(值為L(zhǎng)V)構(gòu)成了H橋式的限流支路。由晶閘管T5、T6、TC2、電阻R2(值為R2)和可調(diào)電容器C2(值為C2)所構(gòu)成的預(yù)充電輔助電路。其中晶閘管T5、T6、電阻R2和可調(diào)電容器C2支路用于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)給電容C1進(jìn)行預(yù)充電。可調(diào)電容器C2有2個(gè)作用：1)對(duì)電容C1進(jìn)行分壓，防止電容C1被擊穿；2)可通過(guò)調(diào)節(jié)電容C2自身電容值來(lái)調(diào)節(jié)電容C1的預(yù)充電電壓，待電容C1充完電，導(dǎo)通晶閘管TC2，可調(diào)電容器C2的能量經(jīng)R2釋放，使C2電壓值恢復(fù)為0。
3)斷流支路：由多個(gè)IGBT組成的T0和避雷器并聯(lián)構(gòu)成。
4)接地支路：由晶閘管Tg和電阻Rg(值為Rg)串聯(lián)所組成的接地支路，用于吸收故障側(cè)的能量。
1.3 新型MP-DCCB工作原理
正常工作原理：在直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，MP-DCCB工作在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)主電路導(dǎo)通，限流支路、斷流支路和接地支路均處于關(guān)斷狀態(tài)。
限流原理：發(fā)生直流短路故障，檢測(cè)到短路故障，控制MP-DCCB開(kāi)始動(dòng)作，給T1、T2和T0觸發(fā)信號(hào)，T1、T2和T0因受到短路正向電壓導(dǎo)通。LCSk收到關(guān)斷信號(hào)后立即關(guān)斷，機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)始動(dòng)作。待其達(dá)到額定開(kāi)距，給T3觸發(fā)信號(hào)，T3受到C1正向電壓導(dǎo)通，C1開(kāi)始放電，T1由于承受C1反壓而自行關(guān)斷。當(dāng)C1放電結(jié)束后繼續(xù)被反向充電，觸發(fā)T4，T4受到C1正向電壓導(dǎo)通，LV開(kāi)始投入故障回路。
斷流原理：斷路時(shí)關(guān)斷斷流支路IGBT，同時(shí)導(dǎo)通接地支路Tg。Tg因受到接地正向電壓導(dǎo)通，將直流線路電抗快速故障隔離。與此同時(shí)，避雷器動(dòng)作，吸收非故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量。
接地支路原理：故障側(cè)電抗儲(chǔ)存的能量將通過(guò)接地支路上的接地電阻Rg進(jìn)行消耗，直至故障側(cè)能量衰減至0。
2 新型MP-DCCB分?jǐn)噙^(guò)程
圖4為在故障發(fā)生時(shí)，MP-DCCB之外的等效電路。Lk為與MP-DCCB連接故障線路的故障點(diǎn)F到MP-DCCB的等效電感；Lj(j=1,···,n且j≠k)(值為L(zhǎng)j)為與MP-DCCB連接非故障線路的換流站等效電感、線路感抗、限流電抗器及集中參數(shù)下等效電感。Lk1(值為L(zhǎng)k1)為其他MP-DCCB到故障點(diǎn)F的等效電感。各個(gè)換流站可以等效為高壓直流電壓源Udcj(j=1,···,n)(值為Udcj)。由于系統(tǒng)中電阻相對(duì)較小，可以忽略換流器、線路阻抗以及各電力電子器件的電阻值和通態(tài)壓降。
圖4 故障時(shí)MP-DCCB外部等效電路Fig.4 Equivalent circuit outside MP-DCCB during a fault
2.1 電容器C1預(yù)充電方案
系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，觸發(fā)T5和T6，T5和T6受電網(wǎng)正向電壓而導(dǎo)通，直流電網(wǎng)中的電流給C1進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)C1充電完成后，流過(guò)T5和T6中的電流為0而自動(dòng)關(guān)斷，如圖5所示。此時(shí)的C1的電壓為：
圖5 電容C1預(yù)充電電流路徑Fig.5 Pre-charge current path of capacitor C1
(1)
式中：UC1為電容C1的電壓值；Udc為直流電網(wǎng)的電壓值。
2.2 新型MP-DCCB分?jǐn)噙^(guò)程
圖6是新型MP-DCCB分?jǐn)噙^(guò)程的控制時(shí)序。新型MP-DCCB分?jǐn)噙^(guò)程的控制時(shí)序如下：
圖6 MP-DCCB控制時(shí)序Fig.6 Control timing of MP-DCCB
1)t0到t2階段(t0t0到t2階段是MP-DCCB的換流階段。t0時(shí)，與MP-DCCB端口k相連的直流線路發(fā)生短路故障，故障電流ik快速上升，此時(shí)的ik流過(guò)LCSk和UFDk，如圖7(a)所示。t1時(shí)檢測(cè)到過(guò)流，給T1、T2和T0觸發(fā)信號(hào)，T1、T2和T0因受到短路正向電壓導(dǎo)通，LCSk收到關(guān)斷信號(hào)后立即關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)換流。待LCSk上的電流降為0，開(kāi)始關(guān)斷UFDk，此時(shí)的ik流過(guò)T1、T2和T0，如圖7(b)所示。此換流過(guò)程不影響故障電流的增長(zhǎng)，則ik的大小為：
(2)
式中：IkN為與MP-DCCB端口k相連直流線路的穩(wěn)態(tài)電流值；ik為與MP-DCCB端口k相連直流線路的故障電流值。
2)t2到t3階段(t2t2到t3階段是限流支路上T1的關(guān)斷階段，如圖7(c)所示。t2時(shí)，當(dāng)UFDk已達(dá)到額定開(kāi)距，給T3觸發(fā)信號(hào)，T3受到C1正向電壓導(dǎo)通，C1開(kāi)始放電，同時(shí)T1受到C1反壓而關(guān)斷。此時(shí)，ik流過(guò)T2、C1、T3和T0。C1初始電壓值為uC1(t2)=UC1，這一階段電路方程組如下：
(3)
代入初始條件解方程組得：
(4)
其中：
(5)
式中：ij(j=1,···,n且j≠k)為與MP-DCCB端口j相連直流線路的非故障電流值；uC1為電容C1的電壓值。
3)t3到t4階段(t3t3到t4階段是限流支路上C1和LV的限流階段，如圖7(d)所示。t3時(shí)，C1放電結(jié)束，電壓為0，C1開(kāi)始反向充電；觸發(fā)T4，T4受到C1正向電壓導(dǎo)通，在C1和LV的作用下限流。C1和LV的電壓和電流初始值均為0。這一階段電路方程組如下：
(6)
代入初始條件解方程組得：
(7)
其中：
(8)
式中：iC1為電容C1的電流值；iLV為電感LV的電流值。
4)t4到t5階段(t4t4到t5階段是LV單獨(dú)限流階段，如圖7(e)所示。t4時(shí)，C1反向充電結(jié)束，T2的電流為0而自動(dòng)關(guān)斷，只剩下LV繼續(xù)限流。t4時(shí)故障電流為ik(t4)=I4，此后故障電流ik為：
(9)
5)t5到t6階段(t5t5到t6階段是MOV與Rg的共同耗能階段，如圖7(f)所示。t5時(shí)，關(guān)斷T0，同時(shí)給Tg觸發(fā)信號(hào)，Tg因受到接地正向電壓導(dǎo)通，故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量通過(guò)Rg進(jìn)行釋放；同時(shí)MOV動(dòng)作，用于吸收非故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量。此時(shí)電路方程組如下：
圖7 新型MP-DCCB故障分?jǐn)嚯娏髀窂紽ig.7 Breaking current path of MP-DCCB during a fault
(10)
避雷器需要關(guān)斷的時(shí)間為：
(11)
避雷器需要消耗的能量EMOV為：
(12)
式中：UMOV為MOV的電壓值；iMOV為MOV的電流值。
6)t6后階段(t>t6)。
t6時(shí)，非故障側(cè)電流降為0，故障側(cè)直流電抗中的電流通過(guò)Rg繼續(xù)耗能，直到消耗完畢，電流為0，如圖7(g)所示。設(shè)t6時(shí)故障電流ik初始電流為ik(t6)=I6，則此后的故障電流ik的大小為：
(13)
3 仿真與分析
3.1 限流支路器件參數(shù)設(shè)計(jì)
在模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)的四端直流電網(wǎng)輸電中，本文以圖1(b)所示的4端口MP-DCCB1進(jìn)行理論分析。當(dāng)MP-DCCB1第2端口連接的線路發(fā)生短路故障時(shí)，即：對(duì)應(yīng)上述工作原理分析中所提到的MP-DCCB端口k=2，故障電流ik=i2。經(jīng)過(guò)計(jì)算，與MP-DCCB1相連的非故障側(cè)線路感抗值分別為L(zhǎng)1=0.25 H、L3=0.3 H、L4=0.35 H；與MP-DCCB1相連的故障側(cè)線路感抗值為L(zhǎng)2=0.15 H。設(shè)MMC的等效直流電壓分別為Udc1=505 kV、Udc2=500 kV、Udc3=508 kV、Udc4=510 kV。
2)教師水平有待于提高，教師整體素質(zhì)的高低直接影響課堂教學(xué)效果，是我們教學(xué)任務(wù)的中流砥柱。具有英語(yǔ)和專業(yè)知識(shí)的復(fù)合型人才太少，也就是能夠在中文和英文兩種語(yǔ)種進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換的教師太少，引進(jìn)部分外教不會(huì)中午，進(jìn)行內(nèi)容解釋的時(shí)候不能清楚表達(dá)。
(14)
(15)
3.1.1 限流支路上C1值的選擇與設(shè)計(jì)
圖8 C1值對(duì)晶閘管電源及故障電流i2的影響Fig.8 The influence of capacitor C1 on power supply of thyristor and fault current i2
3.1.2 限流支路上LV值的選擇與設(shè)計(jì)
圖9 LV值對(duì)晶閘管電源及故障電流i2的影響Fig.9 The influence of inductance LV on power supply of thyristor and fault current i2
3.2 MP-DCCB1的仿真驗(yàn)證過(guò)程
圖10 MP-DCCB1仿真圖Fig.10 Simulation diagram of MP-DCCB1
在t0=2 s時(shí)，與MP-DCCB1端口2相連的直流線路發(fā)生短路故障，故障電流i2快速上升，此時(shí)的i2流過(guò)LCS2和UFD2。t1=2.001 s時(shí)，檢測(cè)到過(guò)流，給T1、T2和T0觸發(fā)信號(hào)，T1、T2和T0因受到短路正向電壓導(dǎo)通，LCS2收到關(guān)斷信號(hào)后立即關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)換流。待LCS2上的電流降為0，開(kāi)始關(guān)斷UFD2，此時(shí)的i2流過(guò)T1、T2和T0。t2=2.003 s時(shí)，當(dāng)UFD2已達(dá)到額定開(kāi)距，給T3觸發(fā)信號(hào)，T3受到C1正向電壓導(dǎo)通，C1開(kāi)始放電，同時(shí)T1受到C1反壓而關(guān)斷。t3=2.003 4 s時(shí)，C1放電結(jié)束，電壓為0，C1開(kāi)始反向充電；同時(shí)觸發(fā)T4，T4受到C1正向電壓導(dǎo)通，在C1和LV的共同作用下限流。t4=2.004 35 s時(shí)，C1反向充電結(jié)束，T2的電流為0而自動(dòng)關(guān)斷；只剩下LV繼續(xù)限流。t5=2.005 s時(shí)，關(guān)斷T0，同時(shí)給Tg觸發(fā)信號(hào)，Tg因受到接地正向電壓導(dǎo)通，故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量通過(guò)Rg進(jìn)行釋放；同時(shí)MOV動(dòng)作，用于吸收非故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量。t6=2.005 8 s時(shí)，非故障側(cè)電流降為0，故障側(cè)直流電抗中的電流通過(guò)Rg繼續(xù)耗能，直到消耗完畢，電流為0。
3.3 性能對(duì)比
為了更加客觀地分析本文所提出的新型MP-DCCB的故障分?jǐn)嗄芰Γ瑢⒋朔桨概cABB以及基于ABB發(fā)展起來(lái)的無(wú)接地、無(wú)限流常規(guī)DCCB(ABB方案)進(jìn)行對(duì)比分析，兩種方案性能對(duì)比結(jié)果如圖11所示。加入限流支路后，故障線路上的故障電流降低了48.6%，如圖11(a)所示。加入接地支路，新型MP-DCCB上避雷器所消耗能量減少了54.8%，如圖11(b)所示。從圖11(c)可以看出，在同等條件下，新型MP-DCCB上避雷器關(guān)斷電流減少了52.4%，時(shí)間縮短了0.8 ms。從圖11(d)可以看出，本文方案與ABB方案在避雷器承受電壓方面并無(wú)差別。
圖11 新型MP-DCCB與ABB方案的性能對(duì)比Fig.11 Performance comparison between new MP-DCCB and ABB solution
3.4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
3.4.1 單個(gè)斷路器的電力電子器件經(jīng)濟(jì)性
為能夠更加客觀地說(shuō)明本文所提的單個(gè)斷路器拓?fù)湓诠收戏謹(jǐn)鄷r(shí)的經(jīng)濟(jì)性，將其與ABB混合式斷路器的電力電子器件需求進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于IGBT，采用目前已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的5SNA1500E330305型的IGBT，其額定參數(shù)為3.3 kV/1.5 kA?？紤]到工程中的IGBT的電壓和電流一般不超過(guò)其額定值的50%，單個(gè)IGBT承受的電壓電流為1.65 kV/0.75 kA。對(duì)于晶閘管，采用國(guó)內(nèi)已具備大規(guī)模生產(chǎn)能力額定參數(shù)為8.5 kV/5 kA的晶閘管，考慮50%安全裕量。在500 kV的直流系統(tǒng)中，單個(gè)斷路器在轉(zhuǎn)移支路上的電力電子器件數(shù)量需求對(duì)比如表1所示。
表1 本文方案與ABB方案器件數(shù)量需求對(duì)比Table 1 Comparison of demand for element quantity between the new solution and ABB solution
由表1可知，本文所提方案與ABB方案相比，由于晶閘管耐壓高，通流大，可以大幅減少開(kāi)關(guān)器件的使用數(shù)量，大大降低了開(kāi)關(guān)器件的成本。從器件可靠性方面分析，工程中應(yīng)盡量避免大量的電力電子器件串并聯(lián)，因?yàn)榇罅康碾娏﹄娮悠骷⒙?lián)會(huì)面臨嚴(yán)苛的均壓均流問(wèn)題。與IGBT相比，晶閘管具有更加成熟的技術(shù)條件，在同等工況下器件串并聯(lián)所帶來(lái)的問(wèn)題更易處理，可靠性也更高。
3.4.2 斷路器保護(hù)n條線路的經(jīng)濟(jì)性
由3.4.1節(jié)分析可知，一個(gè)斷路器在故障分?jǐn)鄷r(shí)，ABB式斷路器內(nèi)所需要的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量是7 205個(gè)，而本文方案所需要的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量是5 215個(gè)；將本文所提出的斷路器與ABB式斷路器運(yùn)用在保護(hù)n條線路時(shí)，開(kāi)關(guān)器件數(shù)量需求對(duì)比如表2所示。
表2 斷路器保護(hù)n條線路時(shí)器件數(shù)量需求對(duì)比Table 2 Comparison of demand for element quantity when circuit breaker protects n lines
由表2可知，當(dāng)保護(hù)n條線路時(shí)，線路所需要的ABB式斷路器為n個(gè)，而所需要本文方案的斷路器為1個(gè)；與ABB式斷路器相比，使用本文方案所節(jié)約的開(kāi)關(guān)器件數(shù)目為7 205n-5 215個(gè)。當(dāng)n=2時(shí)，節(jié)約開(kāi)關(guān)器件數(shù)目為9 195個(gè)，節(jié)約率為65.8%；當(dāng)n=3時(shí)，節(jié)約開(kāi)關(guān)器件數(shù)目為16 400個(gè)，節(jié)約率為75.5%；當(dāng)n=4時(shí)，節(jié)約開(kāi)關(guān)器件數(shù)目為23 605個(gè)，節(jié)約率為81.9%。隨著保護(hù)線路n的增多，所節(jié)約的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量就越多，這將進(jìn)一步降低斷路器內(nèi)的開(kāi)關(guān)器件在直流系統(tǒng)中的投資成本。
通常，高壓直流斷路器在MMC附近。在直流系統(tǒng)中，ABB式斷路器是二端口的，則每個(gè)MMC附近需要n個(gè)斷路器；而本文方案是多端口斷路器，則每個(gè)MMC附近需要1個(gè)斷路器，使用本文方案可以大大減少斷路器的數(shù)量和占地面積。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，本文所提斷路器適用于我國(guó)的直流超高壓、大電網(wǎng)系統(tǒng)。
3.4.3 避雷器的經(jīng)濟(jì)性
根據(jù)圖11(b)所示，在斷路器切斷故障時(shí)，由于本文所提的新型拓?fù)渲屑尤肓讼蘖髦泛徒拥刂?，與ABB方案對(duì)比，避雷器所需求的容量減少了54.8%。避雷器開(kāi)斷容量越大，所需要串并聯(lián)絕緣子柱就越多，開(kāi)關(guān)器件均壓均流的可靠性就越低?？紤]到斷路器內(nèi)的避雷器有一定的使用壽命，在斷路時(shí)，避雷器需經(jīng)過(guò)劇烈的材料升溫吸收故障電流能量，而本文方案由于故障電流較小，避雷器材料升溫不急劇，可以有效延長(zhǎng)斷路器使用壽命。使用本文MP-DCCB可以有效降低避雷器容量需求，延長(zhǎng)避雷器及其斷路器的使用次數(shù)，提升斷路器重復(fù)性，從而間接地節(jié)約了投資成本，降低避雷器與斷路器的配置問(wèn)題。
與此同時(shí)，不僅避雷器所需求的容量將大幅減少，而且避雷器的個(gè)數(shù)也將大大減少。一般一個(gè)斷路器內(nèi)部需要配置一個(gè)避雷器，在保護(hù)n條線路時(shí)，線路對(duì)ABB式斷路器所需要的避雷器是n個(gè)，而本文方案所需要的避雷器為1個(gè)，節(jié)約了n-1個(gè)避雷器，這將從另外一個(gè)方面減少避雷器投資成本，提高經(jīng)濟(jì)性。
4 結(jié) 論
本文提出新型具有限流功能多端口高壓直流斷路器拓?fù)?，在ABB以及基于ABB發(fā)展起來(lái)的基礎(chǔ)上由常規(guī)二端口延伸到多端口，增加限流支路和接地支路，分析了其電路結(jié)構(gòu)、工作原理、動(dòng)作時(shí)序過(guò)程、元件參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。與目前已有的ABB方案相比，新型MP-DCCB具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1)新型MP-DCCB上主電路由常規(guī)二端口延伸到多端口，大大降低成本費(fèi)用。
2)新型MP-DCCB限流支路上使用了基于電力電子器件的電容和電感來(lái)綜合限流，有效降低了短路故障電流峰值。與ABB以及基于ABB發(fā)展起來(lái)的無(wú)接地、無(wú)限流常規(guī)DCCB關(guān)斷方案相比，其故障線路電流降低了48.6%。
3)MP-DCCB增加接地支路，將晶閘管Tg和接地電阻Rg串聯(lián)來(lái)消耗故障側(cè)直流點(diǎn)能量，實(shí)現(xiàn)了故障的隔離。應(yīng)用在500 kV四端高壓直流電網(wǎng)中，采用國(guó)內(nèi)已具備大規(guī)模生產(chǎn)能力額定參數(shù)為8.5 kV/5 kA的晶閘管，考慮50%安全裕量，所需晶閘管的數(shù)量一共為133個(gè)，在同等條件下，新型MP-DCCB所消耗能量減少了54.8%。
4)與常規(guī)二端口DCCB相比，新型MP-DCCB上的避雷器關(guān)斷電流減少了52.4%，時(shí)間縮短了0.8 ms。
5)本文的方案與ABB方案相比，限流支路上晶閘管可以大幅減少開(kāi)關(guān)器件的使用數(shù)量。與IGBT相比，晶閘管成本更低，可靠性更高。
6)在限流支路上，提高了拓?fù)湟延衅骷氖褂么螖?shù)。在故障分?jǐn)嘟Y(jié)束后，限流電容再次充電，為MP-DCCB下一次分?jǐn)嘧龊脺?zhǔn)備。
本文方案的通流支路由常規(guī)二端口延伸到多端口，從而減少電力電子器件的使用數(shù)量，大大降低成本費(fèi)用；限流支路采用半控型電力電子開(kāi)關(guān)，可以在投入后抑制故障電流上升率，為故障隔離爭(zhēng)取更多的時(shí)間，同時(shí)也減少了斷流支路上IGBT的數(shù)量；接地支路自行吸收故障側(cè)所儲(chǔ)存的剩余能量，不會(huì)對(duì)故障側(cè)電路造成過(guò)多影響，緩解了限流水平與故障快速隔離之間的矛盾，從而降低了避雷器的耐壓水平、吸收能量和技術(shù)難度等。
本文所提出的新型MP-DCCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠很好地保護(hù)直流電網(wǎng)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。然而，在實(shí)際的工程實(shí)用中，由于直流電網(wǎng)的電壓等級(jí)高，需要進(jìn)一步對(duì)開(kāi)關(guān)器件的控制策略和均壓均流效果進(jìn)行研究與論證，保證MP-DCCB的可靠性。進(jìn)一步而言，單個(gè)MP-DCCB的拓?fù)湓O(shè)計(jì)需要考慮與其他MP-DCCB的相互配合等問(wèn)題，這需要進(jìn)一步深入研究。
猜你喜歡
一種新的生成樹(shù)組隨機(jī)求取算法 基于第二代高溫超導(dǎo)帶材的超導(dǎo)限流電纜限流特性研究電氣技術(shù)(2022年1期)2022-01-26 交通事故條件下高速公路限流研究上海公路(2017年1期)2017-07-21 多支路兩跳PF協(xié)作系統(tǒng)的誤碼性能電信科學(xué)(2016年9期)2016-06-15 接觸網(wǎng)避雷器接地系統(tǒng)分析現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化(2016年4期)2016-05-17 利用支路參數(shù)的狀態(tài)估計(jì)法辨識(shí)拓?fù)溴e(cuò)誤電測(cè)與儀表(2016年13期)2016-04-11 高溫超導(dǎo)限流器中國(guó)科技信息(2015年18期)2015-11-10 500KV避雷器均壓環(huán)對(duì)直流泄漏電流影響云南電力技術(shù)(2015年2期)2015-08-23 420 kV避雷器振動(dòng)臺(tái)抗震試驗(yàn)噪聲與振動(dòng)控制(2015年4期)2015-01-01 多并聯(lián)支路型可控電抗器短路電抗對(duì)支路電抗和電流的影響電工技術(shù)學(xué)報(bào)(2014年7期)2014-11-15
章寶歌，孫瑞
(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院, 蘭州市 730070)
0 引 言
隨著新能源與電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，多端柔性直流輸電技術(shù)在世界上引起了廣泛關(guān)注[1-2]。柔性直流輸電具有低慣量、低阻抗、諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)[3]。由于直流輸電沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)的特性，使得故障電流切除和清理的難度增加[4-5]。所以，對(duì)直流故障的關(guān)斷和清除成為當(dāng)今該領(lǐng)域研究的主要問(wèn)題之一[6-7]。
為了實(shí)現(xiàn)故障電流的切除和清理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)直流斷路器(DC circuit breaker，DCCB)展開(kāi)了廣泛的研究，并進(jìn)行了理論分析[8-10]。ABB公司于2012年研制出了首臺(tái)常規(guī)DCCB[11]。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司研發(fā)出了H橋級(jí)聯(lián)DCCB[12]。南京南瑞繼保電氣有限公司研發(fā)出500 kV的DCCB，并在張北四端柔性直流輸電網(wǎng)絡(luò)中投入運(yùn)行[13]。但這些常規(guī)二端口DCCB，其主要的問(wèn)題是一個(gè)主電路對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)移支路，電力電子器件投入數(shù)量多，從而導(dǎo)致其造價(jià)高。
多端口高壓直流斷路器(multi-port DC circuit breaker，MP-DCCB)拓?fù)淠芎芎玫亟鉀Q電力電子器件數(shù)量的問(wèn)題。目前，只有少數(shù)文獻(xiàn)提到MP-DCCB。文獻(xiàn)[14]提出了多個(gè)DCCB共用轉(zhuǎn)移支路。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于DCCB的MP-DCCB，其轉(zhuǎn)移支路上僅需具備單向分?jǐn)嚯娏髂芰?，可以?jié)約一半數(shù)量絕緣柵雙極型晶體管 (insulated gate bipolar transistor，IGBT)成本。但這些MP-DCCB在故障切除時(shí)，故障電流過(guò)大，避雷器消耗的能量過(guò)多。
為了解決故障電流過(guò)大的問(wèn)題，傳統(tǒng)的DCCB限流方式是在直流線路上增加限流電抗器和在DCCB內(nèi)增加限流電感，但電感值的增大將直接影響直流系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[16-17]。
針對(duì)以上問(wèn)題，另提出新型MP-DCCB，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)主電路是由常規(guī)二端口延伸到多端口，可以大大降低成本費(fèi)用；2)增加限流支路，可以顯著降低故障電流的峰值；3)增加接地支路，可以有效地減少金屬氧化鋅避雷器(metal oxide varistors，MOV)消耗的能量，間接地減小避雷器關(guān)斷的電流大小并縮短關(guān)斷時(shí)間。
隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，迫切需要新型斷路器，這為斷路器進(jìn)一步研究提供了現(xiàn)實(shí)需要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斷路器進(jìn)行了改進(jìn)，為研究提供了理論基礎(chǔ)。用PSCAD建立仿真模型，通過(guò)改變參數(shù)，為研究提供了驗(yàn)證基礎(chǔ)。
本文主要對(duì)DCCB拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)其性能進(jìn)行理論分析。首先介紹新型MP-DCCB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和時(shí)序過(guò)程，并對(duì)各階段進(jìn)行理論分析；然后依據(jù)理論分析進(jìn)行元件參數(shù)設(shè)計(jì)；最后在PSCAD軟件中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證新型MP-DCCB在故障時(shí)的限流和關(guān)斷能力。
1 新型MP-DCCB拓?fù)浜凸ぷ髟?/h2>1.1 MP-DCCB在電網(wǎng)中位置
MP-DCCB的電網(wǎng)位置與故障模型如圖1所示，其中圖1(a)為四端高壓直流輸電系統(tǒng)中MP-DCCB的位置示意圖[18-20]。圖1(b)是以MP-DCCB1為研究對(duì)象的故障模型圖；當(dāng)F點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，電流從MP-DCCB1的非故障端口1、3和4流入，故障端口2的電流則直接流向故障點(diǎn)。
圖1 MP-DCCB的電網(wǎng)位置與故障模型Fig.1 MP-DCCB and fault location in a power system
1.2 新型MP-DCCB拓?fù)?/h3>
圖2是常規(guī)二端口DCCB電路拓?fù)鋱D。其中：K
圖2 常規(guī)二端口DCCB電路拓?fù)銯ig.2 Conventional two-port DCCB topology
為機(jī)械開(kāi)關(guān)，T為反向串聯(lián)的IGBT，T0為轉(zhuǎn)移支路上的IGBT，MOV為金屬氧化物避雷器?；谠撾娐吠?fù)浒l(fā)展起來(lái)了ABB式DCCB和H橋級(jí)聯(lián)DCCB[11-12]。其電路的缺點(diǎn)是：一個(gè)主電路對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)移支路，電力電子器件投入數(shù)量多，從而導(dǎo)致造價(jià)高；沒(méi)有加入限流支路，導(dǎo)致故障切除時(shí)故障電流過(guò)大；沒(méi)有加入接地支路，導(dǎo)致MOV消耗的能量過(guò)多，間接導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
本文提出一種新型具有限流功能多端口高壓直流斷路器拓?fù)?，具有能夠抑制短路故障電流的峰值、降低避雷器消耗的能量和縮短避雷器關(guān)斷的時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由4部分組成：主電路、限流支路、換流支路和接地支路，如圖3所示。
圖3 新型MP-DCCB電路拓?fù)銯ig.3 New topology of MP-DCCB
1)主電路：由機(jī)械開(kāi)關(guān)(ultrafast disconnector，UFD)和負(fù)載轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(load commutation switch，LCS)所組成。其中LCS是由IGBT和二極管D并聯(lián)組成。
2)限流支路：由晶閘管T1—T4及預(yù)充電電容器C1(值為C1)、限流電感LV(值為L(zhǎng)V)構(gòu)成了H橋式的限流支路。由晶閘管T5、T6、TC2、電阻R2(值為R2)和可調(diào)電容器C2(值為C2)所構(gòu)成的預(yù)充電輔助電路。其中晶閘管T5、T6、電阻R2和可調(diào)電容器C2支路用于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)給電容C1進(jìn)行預(yù)充電。可調(diào)電容器C2有2個(gè)作用：1)對(duì)電容C1進(jìn)行分壓，防止電容C1被擊穿；2)可通過(guò)調(diào)節(jié)電容C2自身電容值來(lái)調(diào)節(jié)電容C1的預(yù)充電電壓，待電容C1充完電，導(dǎo)通晶閘管TC2，可調(diào)電容器C2的能量經(jīng)R2釋放，使C2電壓值恢復(fù)為0。
3)斷流支路：由多個(gè)IGBT組成的T0和避雷器并聯(lián)構(gòu)成。
4)接地支路：由晶閘管Tg和電阻Rg(值為Rg)串聯(lián)所組成的接地支路，用于吸收故障側(cè)的能量。
1.3 新型MP-DCCB工作原理
正常工作原理：在直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，MP-DCCB工作在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)主電路導(dǎo)通，限流支路、斷流支路和接地支路均處于關(guān)斷狀態(tài)。
限流原理：發(fā)生直流短路故障，檢測(cè)到短路故障，控制MP-DCCB開(kāi)始動(dòng)作，給T1、T2和T0觸發(fā)信號(hào)，T1、T2和T0因受到短路正向電壓導(dǎo)通。LCSk收到關(guān)斷信號(hào)后立即關(guān)斷，機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)始動(dòng)作。待其達(dá)到額定開(kāi)距，給T3觸發(fā)信號(hào)，T3受到C1正向電壓導(dǎo)通，C1開(kāi)始放電，T1由于承受C1反壓而自行關(guān)斷。當(dāng)C1放電結(jié)束后繼續(xù)被反向充電，觸發(fā)T4，T4受到C1正向電壓導(dǎo)通，LV開(kāi)始投入故障回路。
斷流原理：斷路時(shí)關(guān)斷斷流支路IGBT，同時(shí)導(dǎo)通接地支路Tg。Tg因受到接地正向電壓導(dǎo)通，將直流線路電抗快速故障隔離。與此同時(shí)，避雷器動(dòng)作，吸收非故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量。
接地支路原理：故障側(cè)電抗儲(chǔ)存的能量將通過(guò)接地支路上的接地電阻Rg進(jìn)行消耗，直至故障側(cè)能量衰減至0。
2 新型MP-DCCB分?jǐn)噙^(guò)程
圖4為在故障發(fā)生時(shí)，MP-DCCB之外的等效電路。Lk為與MP-DCCB連接故障線路的故障點(diǎn)F到MP-DCCB的等效電感；Lj(j=1,···,n且j≠k)(值為L(zhǎng)j)為與MP-DCCB連接非故障線路的換流站等效電感、線路感抗、限流電抗器及集中參數(shù)下等效電感。Lk1(值為L(zhǎng)k1)為其他MP-DCCB到故障點(diǎn)F的等效電感。各個(gè)換流站可以等效為高壓直流電壓源Udcj(j=1,···,n)(值為Udcj)。由于系統(tǒng)中電阻相對(duì)較小，可以忽略換流器、線路阻抗以及各電力電子器件的電阻值和通態(tài)壓降。
圖4 故障時(shí)MP-DCCB外部等效電路Fig.4 Equivalent circuit outside MP-DCCB during a fault
2.1 電容器C1預(yù)充電方案
系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，觸發(fā)T5和T6，T5和T6受電網(wǎng)正向電壓而導(dǎo)通，直流電網(wǎng)中的電流給C1進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)C1充電完成后，流過(guò)T5和T6中的電流為0而自動(dòng)關(guān)斷，如圖5所示。此時(shí)的C1的電壓為：
圖5 電容C1預(yù)充電電流路徑Fig.5 Pre-charge current path of capacitor C1
(1)
式中：UC1為電容C1的電壓值；Udc為直流電網(wǎng)的電壓值。
2.2 新型MP-DCCB分?jǐn)噙^(guò)程
圖6是新型MP-DCCB分?jǐn)噙^(guò)程的控制時(shí)序。新型MP-DCCB分?jǐn)噙^(guò)程的控制時(shí)序如下：
圖6 MP-DCCB控制時(shí)序Fig.6 Control timing of MP-DCCB
1)t0到t2階段(t0 t0到t2階段是MP-DCCB的換流階段。t0時(shí)，與MP-DCCB端口k相連的直流線路發(fā)生短路故障，故障電流ik快速上升，此時(shí)的ik流過(guò)LCSk和UFDk，如圖7(a)所示。t1時(shí)檢測(cè)到過(guò)流，給T1、T2和T0觸發(fā)信號(hào)，T1、T2和T0因受到短路正向電壓導(dǎo)通，LCSk收到關(guān)斷信號(hào)后立即關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)換流。待LCSk上的電流降為0，開(kāi)始關(guān)斷UFDk，此時(shí)的ik流過(guò)T1、T2和T0，如圖7(b)所示。此換流過(guò)程不影響故障電流的增長(zhǎng)，則ik的大小為： (2) 式中：IkN為與MP-DCCB端口k相連直流線路的穩(wěn)態(tài)電流值；ik為與MP-DCCB端口k相連直流線路的故障電流值。 2)t2到t3階段(t2 t2到t3階段是限流支路上T1的關(guān)斷階段，如圖7(c)所示。t2時(shí)，當(dāng)UFDk已達(dá)到額定開(kāi)距，給T3觸發(fā)信號(hào)，T3受到C1正向電壓導(dǎo)通，C1開(kāi)始放電，同時(shí)T1受到C1反壓而關(guān)斷。此時(shí)，ik流過(guò)T2、C1、T3和T0。C1初始電壓值為uC1(t2)=UC1，這一階段電路方程組如下： (3) 代入初始條件解方程組得： (4) 其中： (5) 式中：ij(j=1,···,n且j≠k)為與MP-DCCB端口j相連直流線路的非故障電流值；uC1為電容C1的電壓值。 3)t3到t4階段(t3 t3到t4階段是限流支路上C1和LV的限流階段，如圖7(d)所示。t3時(shí)，C1放電結(jié)束，電壓為0，C1開(kāi)始反向充電；觸發(fā)T4，T4受到C1正向電壓導(dǎo)通，在C1和LV的作用下限流。C1和LV的電壓和電流初始值均為0。這一階段電路方程組如下： (6) 代入初始條件解方程組得： (7) 其中： (8) 式中：iC1為電容C1的電流值；iLV為電感LV的電流值。 4)t4到t5階段(t4 t4到t5階段是LV單獨(dú)限流階段，如圖7(e)所示。t4時(shí)，C1反向充電結(jié)束，T2的電流為0而自動(dòng)關(guān)斷，只剩下LV繼續(xù)限流。t4時(shí)故障電流為ik(t4)=I4，此后故障電流ik為： (9) 5)t5到t6階段(t5 t5到t6階段是MOV與Rg的共同耗能階段，如圖7(f)所示。t5時(shí)，關(guān)斷T0，同時(shí)給Tg觸發(fā)信號(hào)，Tg因受到接地正向電壓導(dǎo)通，故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量通過(guò)Rg進(jìn)行釋放；同時(shí)MOV動(dòng)作，用于吸收非故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量。此時(shí)電路方程組如下： 圖7 新型MP-DCCB故障分?jǐn)嚯娏髀窂紽ig.7 Breaking current path of MP-DCCB during a fault (10) 避雷器需要關(guān)斷的時(shí)間為： (11) 避雷器需要消耗的能量EMOV為： (12) 式中：UMOV為MOV的電壓值；iMOV為MOV的電流值。 6)t6后階段(t>t6)。 t6時(shí)，非故障側(cè)電流降為0，故障側(cè)直流電抗中的電流通過(guò)Rg繼續(xù)耗能，直到消耗完畢，電流為0，如圖7(g)所示。設(shè)t6時(shí)故障電流ik初始電流為ik(t6)=I6，則此后的故障電流ik的大小為： (13) 在模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)的四端直流電網(wǎng)輸電中，本文以圖1(b)所示的4端口MP-DCCB1進(jìn)行理論分析。當(dāng)MP-DCCB1第2端口連接的線路發(fā)生短路故障時(shí)，即：對(duì)應(yīng)上述工作原理分析中所提到的MP-DCCB端口k=2，故障電流ik=i2。經(jīng)過(guò)計(jì)算，與MP-DCCB1相連的非故障側(cè)線路感抗值分別為L(zhǎng)1=0.25 H、L3=0.3 H、L4=0.35 H；與MP-DCCB1相連的故障側(cè)線路感抗值為L(zhǎng)2=0.15 H。設(shè)MMC的等效直流電壓分別為Udc1=505 kV、Udc2=500 kV、Udc3=508 kV、Udc4=510 kV。 2)教師水平有待于提高，教師整體素質(zhì)的高低直接影響課堂教學(xué)效果，是我們教學(xué)任務(wù)的中流砥柱。具有英語(yǔ)和專業(yè)知識(shí)的復(fù)合型人才太少，也就是能夠在中文和英文兩種語(yǔ)種進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換的教師太少，引進(jìn)部分外教不會(huì)中午，進(jìn)行內(nèi)容解釋的時(shí)候不能清楚表達(dá)。 (14) (15) 3.1.1 限流支路上C1值的選擇與設(shè)計(jì) 圖8 C1值對(duì)晶閘管電源及故障電流i2的影響Fig.8 The influence of capacitor C1 on power supply of thyristor and fault current i2 3.1.2 限流支路上LV值的選擇與設(shè)計(jì) 圖9 LV值對(duì)晶閘管電源及故障電流i2的影響Fig.9 The influence of inductance LV on power supply of thyristor and fault current i2 圖10 MP-DCCB1仿真圖Fig.10 Simulation diagram of MP-DCCB1 在t0=2 s時(shí)，與MP-DCCB1端口2相連的直流線路發(fā)生短路故障，故障電流i2快速上升，此時(shí)的i2流過(guò)LCS2和UFD2。t1=2.001 s時(shí)，檢測(cè)到過(guò)流，給T1、T2和T0觸發(fā)信號(hào)，T1、T2和T0因受到短路正向電壓導(dǎo)通，LCS2收到關(guān)斷信號(hào)后立即關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)換流。待LCS2上的電流降為0，開(kāi)始關(guān)斷UFD2，此時(shí)的i2流過(guò)T1、T2和T0。t2=2.003 s時(shí)，當(dāng)UFD2已達(dá)到額定開(kāi)距，給T3觸發(fā)信號(hào)，T3受到C1正向電壓導(dǎo)通，C1開(kāi)始放電，同時(shí)T1受到C1反壓而關(guān)斷。t3=2.003 4 s時(shí)，C1放電結(jié)束，電壓為0，C1開(kāi)始反向充電；同時(shí)觸發(fā)T4，T4受到C1正向電壓導(dǎo)通，在C1和LV的共同作用下限流。t4=2.004 35 s時(shí)，C1反向充電結(jié)束，T2的電流為0而自動(dòng)關(guān)斷；只剩下LV繼續(xù)限流。t5=2.005 s時(shí)，關(guān)斷T0，同時(shí)給Tg觸發(fā)信號(hào)，Tg因受到接地正向電壓導(dǎo)通，故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量通過(guò)Rg進(jìn)行釋放；同時(shí)MOV動(dòng)作，用于吸收非故障側(cè)電抗所儲(chǔ)存的能量。t6=2.005 8 s時(shí)，非故障側(cè)電流降為0，故障側(cè)直流電抗中的電流通過(guò)Rg繼續(xù)耗能，直到消耗完畢，電流為0。 為了更加客觀地分析本文所提出的新型MP-DCCB的故障分?jǐn)嗄芰Γ瑢⒋朔桨概cABB以及基于ABB發(fā)展起來(lái)的無(wú)接地、無(wú)限流常規(guī)DCCB(ABB方案)進(jìn)行對(duì)比分析，兩種方案性能對(duì)比結(jié)果如圖11所示。加入限流支路后，故障線路上的故障電流降低了48.6%，如圖11(a)所示。加入接地支路，新型MP-DCCB上避雷器所消耗能量減少了54.8%，如圖11(b)所示。從圖11(c)可以看出，在同等條件下，新型MP-DCCB上避雷器關(guān)斷電流減少了52.4%，時(shí)間縮短了0.8 ms。從圖11(d)可以看出，本文方案與ABB方案在避雷器承受電壓方面并無(wú)差別。 圖11 新型MP-DCCB與ABB方案的性能對(duì)比Fig.11 Performance comparison between new MP-DCCB and ABB solution 3.4.1 單個(gè)斷路器的電力電子器件經(jīng)濟(jì)性 為能夠更加客觀地說(shuō)明本文所提的單個(gè)斷路器拓?fù)湓诠收戏謹(jǐn)鄷r(shí)的經(jīng)濟(jì)性，將其與ABB混合式斷路器的電力電子器件需求進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于IGBT，采用目前已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的5SNA1500E330305型的IGBT，其額定參數(shù)為3.3 kV/1.5 kA?？紤]到工程中的IGBT的電壓和電流一般不超過(guò)其額定值的50%，單個(gè)IGBT承受的電壓電流為1.65 kV/0.75 kA。對(duì)于晶閘管，采用國(guó)內(nèi)已具備大規(guī)模生產(chǎn)能力額定參數(shù)為8.5 kV/5 kA的晶閘管，考慮50%安全裕量。在500 kV的直流系統(tǒng)中，單個(gè)斷路器在轉(zhuǎn)移支路上的電力電子器件數(shù)量需求對(duì)比如表1所示。 表1 本文方案與ABB方案器件數(shù)量需求對(duì)比Table 1 Comparison of demand for element quantity between the new solution and ABB solution 由表1可知，本文所提方案與ABB方案相比，由于晶閘管耐壓高，通流大，可以大幅減少開(kāi)關(guān)器件的使用數(shù)量，大大降低了開(kāi)關(guān)器件的成本。從器件可靠性方面分析，工程中應(yīng)盡量避免大量的電力電子器件串并聯(lián)，因?yàn)榇罅康碾娏﹄娮悠骷⒙?lián)會(huì)面臨嚴(yán)苛的均壓均流問(wèn)題。與IGBT相比，晶閘管具有更加成熟的技術(shù)條件，在同等工況下器件串并聯(lián)所帶來(lái)的問(wèn)題更易處理，可靠性也更高。 3.4.2 斷路器保護(hù)n條線路的經(jīng)濟(jì)性 由3.4.1節(jié)分析可知，一個(gè)斷路器在故障分?jǐn)鄷r(shí)，ABB式斷路器內(nèi)所需要的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量是7 205個(gè)，而本文方案所需要的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量是5 215個(gè)；將本文所提出的斷路器與ABB式斷路器運(yùn)用在保護(hù)n條線路時(shí)，開(kāi)關(guān)器件數(shù)量需求對(duì)比如表2所示。 表2 斷路器保護(hù)n條線路時(shí)器件數(shù)量需求對(duì)比Table 2 Comparison of demand for element quantity when circuit breaker protects n lines 由表2可知，當(dāng)保護(hù)n條線路時(shí)，線路所需要的ABB式斷路器為n個(gè)，而所需要本文方案的斷路器為1個(gè)；與ABB式斷路器相比，使用本文方案所節(jié)約的開(kāi)關(guān)器件數(shù)目為7 205n-5 215個(gè)。當(dāng)n=2時(shí)，節(jié)約開(kāi)關(guān)器件數(shù)目為9 195個(gè)，節(jié)約率為65.8%；當(dāng)n=3時(shí)，節(jié)約開(kāi)關(guān)器件數(shù)目為16 400個(gè)，節(jié)約率為75.5%；當(dāng)n=4時(shí)，節(jié)約開(kāi)關(guān)器件數(shù)目為23 605個(gè)，節(jié)約率為81.9%。隨著保護(hù)線路n的增多，所節(jié)約的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量就越多，這將進(jìn)一步降低斷路器內(nèi)的開(kāi)關(guān)器件在直流系統(tǒng)中的投資成本。 通常，高壓直流斷路器在MMC附近。在直流系統(tǒng)中，ABB式斷路器是二端口的，則每個(gè)MMC附近需要n個(gè)斷路器；而本文方案是多端口斷路器，則每個(gè)MMC附近需要1個(gè)斷路器，使用本文方案可以大大減少斷路器的數(shù)量和占地面積。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，本文所提斷路器適用于我國(guó)的直流超高壓、大電網(wǎng)系統(tǒng)。 3.4.3 避雷器的經(jīng)濟(jì)性 根據(jù)圖11(b)所示，在斷路器切斷故障時(shí)，由于本文所提的新型拓?fù)渲屑尤肓讼蘖髦泛徒拥刂?，與ABB方案對(duì)比，避雷器所需求的容量減少了54.8%。避雷器開(kāi)斷容量越大，所需要串并聯(lián)絕緣子柱就越多，開(kāi)關(guān)器件均壓均流的可靠性就越低?？紤]到斷路器內(nèi)的避雷器有一定的使用壽命，在斷路時(shí)，避雷器需經(jīng)過(guò)劇烈的材料升溫吸收故障電流能量，而本文方案由于故障電流較小，避雷器材料升溫不急劇，可以有效延長(zhǎng)斷路器使用壽命。使用本文MP-DCCB可以有效降低避雷器容量需求，延長(zhǎng)避雷器及其斷路器的使用次數(shù)，提升斷路器重復(fù)性，從而間接地節(jié)約了投資成本，降低避雷器與斷路器的配置問(wèn)題。 與此同時(shí)，不僅避雷器所需求的容量將大幅減少，而且避雷器的個(gè)數(shù)也將大大減少。一般一個(gè)斷路器內(nèi)部需要配置一個(gè)避雷器，在保護(hù)n條線路時(shí)，線路對(duì)ABB式斷路器所需要的避雷器是n個(gè)，而本文方案所需要的避雷器為1個(gè)，節(jié)約了n-1個(gè)避雷器，這將從另外一個(gè)方面減少避雷器投資成本，提高經(jīng)濟(jì)性。 本文提出新型具有限流功能多端口高壓直流斷路器拓?fù)?，在ABB以及基于ABB發(fā)展起來(lái)的基礎(chǔ)上由常規(guī)二端口延伸到多端口，增加限流支路和接地支路，分析了其電路結(jié)構(gòu)、工作原理、動(dòng)作時(shí)序過(guò)程、元件參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。與目前已有的ABB方案相比，新型MP-DCCB具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)新型MP-DCCB上主電路由常規(guī)二端口延伸到多端口，大大降低成本費(fèi)用。 2)新型MP-DCCB限流支路上使用了基于電力電子器件的電容和電感來(lái)綜合限流，有效降低了短路故障電流峰值。與ABB以及基于ABB發(fā)展起來(lái)的無(wú)接地、無(wú)限流常規(guī)DCCB關(guān)斷方案相比，其故障線路電流降低了48.6%。 3)MP-DCCB增加接地支路，將晶閘管Tg和接地電阻Rg串聯(lián)來(lái)消耗故障側(cè)直流點(diǎn)能量，實(shí)現(xiàn)了故障的隔離。應(yīng)用在500 kV四端高壓直流電網(wǎng)中，采用國(guó)內(nèi)已具備大規(guī)模生產(chǎn)能力額定參數(shù)為8.5 kV/5 kA的晶閘管，考慮50%安全裕量，所需晶閘管的數(shù)量一共為133個(gè)，在同等條件下，新型MP-DCCB所消耗能量減少了54.8%。 4)與常規(guī)二端口DCCB相比，新型MP-DCCB上的避雷器關(guān)斷電流減少了52.4%，時(shí)間縮短了0.8 ms。 5)本文的方案與ABB方案相比，限流支路上晶閘管可以大幅減少開(kāi)關(guān)器件的使用數(shù)量。與IGBT相比，晶閘管成本更低，可靠性更高。 6)在限流支路上，提高了拓?fù)湟延衅骷氖褂么螖?shù)。在故障分?jǐn)嘟Y(jié)束后，限流電容再次充電，為MP-DCCB下一次分?jǐn)嘧龊脺?zhǔn)備。 本文方案的通流支路由常規(guī)二端口延伸到多端口，從而減少電力電子器件的使用數(shù)量，大大降低成本費(fèi)用；限流支路采用半控型電力電子開(kāi)關(guān)，可以在投入后抑制故障電流上升率，為故障隔離爭(zhēng)取更多的時(shí)間，同時(shí)也減少了斷流支路上IGBT的數(shù)量；接地支路自行吸收故障側(cè)所儲(chǔ)存的剩余能量，不會(huì)對(duì)故障側(cè)電路造成過(guò)多影響，緩解了限流水平與故障快速隔離之間的矛盾，從而降低了避雷器的耐壓水平、吸收能量和技術(shù)難度等。 本文所提出的新型MP-DCCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠很好地保護(hù)直流電網(wǎng)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。然而，在實(shí)際的工程實(shí)用中，由于直流電網(wǎng)的電壓等級(jí)高，需要進(jìn)一步對(duì)開(kāi)關(guān)器件的控制策略和均壓均流效果進(jìn)行研究與論證，保證MP-DCCB的可靠性。進(jìn)一步而言，單個(gè)MP-DCCB的拓?fù)湓O(shè)計(jì)需要考慮與其他MP-DCCB的相互配合等問(wèn)題，這需要進(jìn)一步深入研究。3 仿真與分析
3.1 限流支路器件參數(shù)設(shè)計(jì)
3.2 MP-DCCB1的仿真驗(yàn)證過(guò)程
3.3 性能對(duì)比
3.4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比
4 結(jié) 論
猜你喜歡
電氣技術(shù)(2022年1期)2022-01-26上海公路(2017年1期)2017-07-21電信科學(xué)(2016年9期)2016-06-15現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化(2016年4期)2016-05-17電測(cè)與儀表(2016年13期)2016-04-11中國(guó)科技信息(2015年18期)2015-11-10云南電力技術(shù)(2015年2期)2015-08-23噪聲與振動(dòng)控制(2015年4期)2015-01-01電工技術(shù)學(xué)報(bào)(2014年7期)2014-11-15
