張國軍 宋飛凡 李紹明 代國印

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 葫蘆島 125105)

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三階段電流轉(zhuǎn)移混合型無弧直流斷路器

張國軍 宋飛凡 李紹明 代國印

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 葫蘆島 125105)

針對高壓直流電路存在開斷困難的問題，提出了一種無弧直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用三階段的電流轉(zhuǎn)移方案，解決了基于傳統(tǒng)強(qiáng)迫關(guān)斷原理的混合型斷路器開斷時(shí)，高速機(jī)械開關(guān)在打開瞬間有較大的反向恢復(fù)電壓，需要給預(yù)充電電容另加充電電源的問題。通過等效數(shù)學(xué)模型對工作階段的臨界時(shí)刻進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算以及對其推導(dǎo)的正確性進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明，采用所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但可以使機(jī)械開關(guān)無弧分?jǐn)?，而且分?jǐn)嗨俣容^快。

無弧直流斷路器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 混合型斷路器 三階段電流轉(zhuǎn)移 分?jǐn)鄷r(shí)間

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源的蓬勃發(fā)展，直流輸電系統(tǒng)、直流配電網(wǎng)及其相關(guān)技術(shù)正日益受到更多研究人員的關(guān)注，從系統(tǒng)到設(shè)備方面的研究都逐漸成為電力行業(yè)研究的熱點(diǎn)[1-3]。

從直流斷路器發(fā)展歷程來看，傳統(tǒng)機(jī)械式直流斷路器在高壓大電流場合的應(yīng)用需要進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)高電壓大電流的分?jǐn)郲4]；固態(tài)直流斷路器可以頻繁開斷，但存在容易過電壓過電流、器件損耗高、冷卻系統(tǒng)笨重以及成本較高等問題[5,6]。目前高壓直流斷路器發(fā)展的一個(gè)重要方向是混合型直流斷路器，它結(jié)合了機(jī)械式斷路器與固態(tài)斷路器各自的優(yōu)點(diǎn)，具有通態(tài)損耗小、開斷快速可控、無弧、開關(guān)壽命長、可靠性高、無需專用冷卻裝置等優(yōu)點(diǎn)[7-10]。

混合型斷路器一般可分為自然換流型和強(qiáng)迫換流型[11]，目前國內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)都是以這兩種方式為基礎(chǔ)，對混合型高壓直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究改進(jìn)。文獻(xiàn)[12]提出一種并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管的真空直流限流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可有效解決基于強(qiáng)迫關(guān)斷原理的混合型斷路器開斷時(shí)高速機(jī)械開關(guān)在打開瞬間產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電壓，致使機(jī)械開關(guān)兩端二次燃弧的問題，但該拓?fù)湫枰郊映潆婋娫唇o預(yù)充電電容充電，這樣不僅增加了系統(tǒng)成本，而且斷路器的體積也相應(yīng)增大；文獻(xiàn)[13]提出利用功率開關(guān)管IGBT來提高斷路器的開斷速度并且可以頻繁開關(guān)[13]，但單個(gè)的IGBT的電壓應(yīng)力較低，且通態(tài)狀況下電路中的IGBT損耗較大；文獻(xiàn)[14]提出的兩階段電流轉(zhuǎn)移的新型直流斷路器能夠自身給預(yù)充電電容充電，不需要另加充電電源[14]，但基于強(qiáng)迫關(guān)斷原理的混合型斷路器在高速機(jī)械開關(guān)打開瞬間仍會產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電壓，該電壓值達(dá)到一定等級便會擊穿觸頭兩端，產(chǎn)生二次電弧。

基于上述分析，本文針對傳統(tǒng)強(qiáng)迫換流混合型直流斷路器需要給預(yù)充電電容另加充電電源、高速機(jī)械開關(guān)在打開瞬間存在較大的反向恢復(fù)電壓的問題，提出一種三階段電流轉(zhuǎn)移混合型無弧直流斷路器，通過兩次強(qiáng)迫換流和一次自然換流實(shí)現(xiàn)機(jī)械開關(guān)的無弧打開，有效提高斷路器的分?jǐn)嗨俣取?/p>

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為三階段電流轉(zhuǎn)移混合型無弧直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主支路由高速機(jī)械開關(guān)Q和二極管VD2構(gòu)成；電流轉(zhuǎn)移支路由晶閘管VT1、VT2、VT3、VD0，電容C，電感L1、L2以及反并聯(lián)二極管VD1構(gòu)成；能量吸收支路由避雷器MOV組成；預(yù)充電電容的電能補(bǔ)充電路由電感L3和晶閘管VT4組成；US為高壓直流電源，LS為系統(tǒng)等效電感，RS為等效電阻。

圖1 無弧直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of thearc-less DC circuit breaker

1.2 工作原理

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，高速機(jī)械開關(guān)Q閉合，電源通過開關(guān)Q向負(fù)載供電。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時(shí)，短路電流快速上升。當(dāng)短路電流值達(dá)到斷路器的動作閾值時(shí)，斷路器開始動作，觸發(fā)晶閘管VT1、VT2導(dǎo)通，預(yù)充電電容C開始反向放電。當(dāng)電容C反向注入電流等于系統(tǒng)短路故障電流時(shí)，驅(qū)動高速機(jī)械開關(guān)無弧打開，并在打開以后機(jī)械開關(guān)兩端電壓保持為0 V。一段時(shí)間后，電容C放電結(jié)束，開始反向充電。當(dāng)電容C反向電壓達(dá)到最大值時(shí)，觸發(fā)晶閘管VT3導(dǎo)通，電容C反向放電。等到電容C反向放電結(jié)束，電源和電路中的儲能元件給電容C正向充電；當(dāng)電容C正向充電的電壓達(dá)到避雷器動作閾值電壓時(shí)，避雷器導(dǎo)通，電流向避雷器轉(zhuǎn)移，最終完成對故障電路的分?jǐn)唷?/p>

完成故障電路分?jǐn)嘁院?，預(yù)充電電容存儲了大量的能量等待下次分?jǐn)喙收想娐?。系統(tǒng)故障是偶發(fā)的，但電容器在正常情況下會有電荷泄露現(xiàn)象。因此，本文的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中設(shè)有由電感L3和晶閘管VT4組成的電容電能補(bǔ)充電路，當(dāng)電容C的電壓低于設(shè)定的電壓值時(shí)，觸發(fā)晶閘管VT4導(dǎo)通，給電容C充電。當(dāng)充電達(dá)到最大時(shí)，晶閘管VT4上的電流等于0 A，VT4關(guān)斷，完成電容C的電能補(bǔ)充。

2 工作各階段的數(shù)學(xué)理論分析

各階段的工作狀態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

1)斷路器動作階段：t0

系統(tǒng)在t0時(shí)刻發(fā)生短路，系統(tǒng)電流快速上升，此時(shí)短路電流為

(1)

當(dāng)t=t1時(shí)，系統(tǒng)電流上升到斷路器動作的閾值電流為

(2)

系統(tǒng)電流上升到斷路器動作的閾值電流的時(shí)間為

(3)

t1時(shí)刻，斷路器開始動作，觸發(fā)晶閘管VT1、VT2導(dǎo)通，電容C對高速機(jī)械開關(guān)反向注入電流。

2)高速機(jī)械開關(guān)打開階段：t1

反向注入電流快速上升為

(4)

電容的放電電壓為

圖2 各階段的工作狀態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology diagram of the various stages of work status

(5)

當(dāng)t=t2時(shí)，電容C反向注入電流與系統(tǒng)故障電流相等，iQ下降為0 A，即

(6)

可得電容C反向注入電流與系統(tǒng)故障電流相等的時(shí)間為[15]

(7)

t2時(shí)刻，續(xù)流二極管VD1導(dǎo)通，iQ繼續(xù)維持0 A且機(jī)械開關(guān)兩端電壓為0 V，因此可以在此刻無弧打開高速機(jī)械開關(guān)。高速機(jī)械開關(guān)由于機(jī)械延遲和分散性的影響，分?jǐn)嗉s有100 μs的延遲[15]。

3)電容C反向充電階段：t2

當(dāng)t=t3時(shí)，電容C正向放電電壓等于0 V，即

(8)

可得電容C放電結(jié)束的時(shí)間為

(9)

可推導(dǎo)出t3時(shí)刻L2上的電流以及系統(tǒng)電流為

(10)

(11)

t3時(shí)刻VD0導(dǎo)通，電容C極性改變，開始反向充電。

4)續(xù)流二極管關(guān)斷階段：t3

結(jié)合上一階段推導(dǎo)出的iL2_3、iS_3對電路進(jìn)行拉普拉斯變換并應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法得

(12)

由式(12)推導(dǎo)出該階段L2上的電流在復(fù)頻域下的表達(dá)式為

(13)

(14)

當(dāng)t=t4時(shí)，L2流過的電流與系統(tǒng)故障電流相等，即

(15)

由式(15)可得續(xù)流二極管關(guān)斷階段的時(shí)間為

(16)

由式(12)、式(16)可得t4時(shí)刻電容C的電壓、L1上的電流以及L2上的電流，即

(17)

(18)

(19)

t4時(shí)刻，續(xù)流二極管VD1關(guān)斷。

5)電容C反向放電階段：t4

由于LS>>L1、LS>>L2且LS>>L1+L2。結(jié)合上一階段推導(dǎo)出的uC_4，iL1_4，iL2_4對電路進(jìn)行拉普拉斯變換并應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法得

(20)

由式(20)推導(dǎo)出該階段iC在復(fù)頻域下的表達(dá)式為

(21)

(22)

其中

當(dāng)t=t5時(shí)，電容C反向充電達(dá)到最大，即

iC_5=0

(23)

由式(23)可得電容C反向放電階段的時(shí)間為

(24)

(25)

(26)

t5時(shí)刻電容C電壓反向達(dá)到最大，晶閘管VT1關(guān)斷，并且在此時(shí)觸發(fā)晶閘管VT3導(dǎo)通，電容C開始反向放電，續(xù)流二極管VD1導(dǎo)通。

6)晶閘管VT2關(guān)斷階段：t5

由于LS>>L1，LS>>L2且LS>>L1+L2，結(jié)合上一階段推導(dǎo)出的iL1_5，uC_5對電路進(jìn)行拉普拉斯變換并應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法得

(27)

(28)

(29)

當(dāng)t=t6時(shí)，L2-VT2上的電流全部轉(zhuǎn)移到C-VT3上，晶閘管VT2關(guān)斷，即

iL2_6=0

(30)

由式(30)可得晶閘管VT2關(guān)斷階段的時(shí)間為

(31)

由式(31)可得t6時(shí)刻L1的電流和電容C的電壓為

(32)

(33)

t6時(shí)刻，電容C的極性再次反向，電源以及系統(tǒng)中的電感給電容C不斷充電。

7)續(xù)流二極管再次關(guān)斷階段：t6

結(jié)合上一階段推導(dǎo)出的iL1_6、uC_6對電路進(jìn)行拉普拉斯變換并應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法得

(34)

(35)

當(dāng)t=t7時(shí)，L1上的電流與系統(tǒng)電流相等，即

iL1_7=iS_7

(36)

由式(36)可得續(xù)流二極管再次關(guān)斷階段的時(shí)間為

(37)

由式(37)可得到t7時(shí)刻電容C的電壓和L1上的電流為

(38)

(39)

t7時(shí)刻VD1上的電流再次等于0，VD1關(guān)斷。

8)避雷器動作階段：t7

由于LS>>L1，并結(jié)合上一階段推導(dǎo)出的uC_7、iL1_7對電路進(jìn)行拉普拉斯變換得

(40)

(41)

當(dāng)t=t8時(shí)，電容C充電達(dá)到避雷器閾值電壓為

uC_8=UY

(42)

由式(42)可得到避雷器動作階段的時(shí)間為

(43)

t8時(shí)刻避雷器動作，電流開始全部轉(zhuǎn)移到避雷器上，系統(tǒng)電流快速下降到0 A，完成高壓直流電路短路故障的分?jǐn)嗳蝿?wù)。

3 仿真分析

基于Matlab/Simulink搭建無弧直流斷路器的仿真模型。本文是以10 kV/3 kA直流系統(tǒng)接地短路作為仿真模型，仿真參數(shù)見表1。系統(tǒng)在5 ms時(shí)發(fā)生短路，短路電流以20 A/μs快速上升。當(dāng)系統(tǒng)短路電流達(dá)到6 kA時(shí)，斷路器的晶閘管VT1、VT2被觸發(fā)導(dǎo)通，預(yù)充電電容C開始向斷路器高速機(jī)械開關(guān)注入反向沖擊電流。

混合型斷路器的仿真分析分為三個(gè)階段：①高速機(jī)械開關(guān)無弧打開階段；②預(yù)充電電容反向充電階段；③金屬氧化物避雷器動作完成分?jǐn)嗳蝿?wù)階段。

1)高速機(jī)械開關(guān)無弧打開階段。

如圖3所示，系統(tǒng)短路后短路電流快速上升，5.151 ms時(shí)達(dá)到斷路器動作電流6 kA，觸發(fā)晶閘管VT1、VT2導(dǎo)通，并驅(qū)動高速機(jī)械開關(guān)Q分?jǐn)唷＜s49 μs后機(jī)械開關(guān)上的電流iQ被迫下降為0 A，此時(shí)機(jī)械開關(guān)兩端的電壓uQ和電流iQ都為零，機(jī)械開關(guān)在電流為零的50 μs后產(chǎn)生斷口。由圖4可知，機(jī)械開關(guān)產(chǎn)生斷口以后兩觸頭間沒有出現(xiàn)較大的反向恢復(fù)電壓，同時(shí)斷口兩端的電壓uQ在230 μs內(nèi)都為0 V，這樣給高速機(jī)械開關(guān)兩端觸頭提供足夠長無弧打開的時(shí)間。

表1 仿真模型參數(shù)

圖3 高速機(jī)械開關(guān)無弧打開階段電流波形Fig.3 High speed mechanical switch arc-less opening current waveforms

圖4 高速機(jī)械開關(guān)無弧打開階段電壓波形Fig.4 High speed mechanical switch arc-less opening voltage waveforms

2)預(yù)充電電容反向充電階段。

如圖5、圖6所示，預(yù)充電電容C在5.36 ms時(shí)電壓為0 V，晶閘管VT1、VT2的電流iVT1、iVT2開始下降且iVT1下降速度大于iVT2下降速度，電容C開始反向充電。隨著電容C反向電壓的增大，二極管VD1上的電流隨之減小，在5.482 ms時(shí)電流下降為0 A，并且該二極管兩端電壓由0 V變成3.82 kV且緩慢上升，晶閘管VT2上的電流停止下降保持不變，晶閘管VT1的電流繼續(xù)下降。電容C反向電壓在5.593 ms時(shí)達(dá)到最大。

圖5 預(yù)充電電容反向充電階段電流波形Fig.5 Prechargestage reverse charge capacitor current waveforms

圖6 預(yù)充電電容反向充電階段電壓波形Fig.6 Precharge stage reverse charge capacitor voltage waveforms

3)金屬氧化物避雷器動作完成分?jǐn)嗳蝿?wù)階段。

如圖7所示，預(yù)充電電容C達(dá)到反向最大值以后，觸發(fā)晶閘管VT3導(dǎo)通，電容C開始反向放電。5.761 ms時(shí)，電容C反向放電結(jié)束，開始正向充電。如圖8所示，二極管VD1的電流在5.874 ms時(shí)下降為0 A，此時(shí)系統(tǒng)電流iS開始緩慢下降。在6.145 ms時(shí)電容C正向充電達(dá)到避雷器動作閾值電壓12 kV時(shí)，系統(tǒng)電流iS開始快速下降。系統(tǒng)電流iS在8.291 ms時(shí)下降為0 A，斷路器完成系統(tǒng)電流分?jǐn)嗳蝿?wù)。

圖7 MOV動作完成分?jǐn)嗳蝿?wù)階段電壓波形Fig.7 MOV action breaking task completion stage voltage waveforms

圖8 MOV動作完成分?jǐn)嗳蝿?wù)階段電流波形Fig.8 MOV action breaking task completion stage current waveforms

經(jīng)過仿真可知，該仿真模型的系統(tǒng)電容C電壓最低為2 075 V即可完成分?jǐn)嗳蝿?wù)?？紤]留有一定余量，電容C電壓低于2.5 kV時(shí)，觸發(fā)晶閘管VT4導(dǎo)通，開始充電。如圖9所示，電容C從10 ms開始充電，18 ms充電完成。系統(tǒng)電源以及電路中的電感的作用下，電容C電壓達(dá)到14 kV。如圖10所示，電容C充電階段，負(fù)載電壓波動小于±5%，符合電能質(zhì)量要求。

圖9 預(yù)充電電容充電時(shí)電壓波形Fig.9 Voltage waveform of the charging time of the precharge capacitor

圖10 預(yù)充電電容充電時(shí)負(fù)載電壓波形Fig.10 The load voltage waveform during the charging of the precharge capacitor

4 結(jié)論

本文提出了一種三階段電流轉(zhuǎn)移混合型無弧直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可用于直流電網(wǎng)中。根據(jù)斷路器各階段的工作原理圖，對每個(gè)階段的臨界時(shí)刻進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并通過Matlab/Simulink建立的仿真模型得到三個(gè)階段的仿真波形，得到如下結(jié)論:

1)在高速機(jī)械開關(guān)反向并聯(lián)了續(xù)流二極管，使得傳統(tǒng)強(qiáng)迫換流原理的混合型斷路器機(jī)械開關(guān)電流過零以后兩觸頭間的距離有足夠的零電壓拉大時(shí)間從而觸頭可以無弧打開。同時(shí)，觸頭兩端打開以后沒有產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電壓，避免觸頭間二次燃弧。

2)經(jīng)過三個(gè)階段電流轉(zhuǎn)移，斷路器具有給自身預(yù)充電電容充電的能力，在一定程度上減少了能源的浪費(fèi)。

3)通過仿真波形可以看出，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分?jǐn)嗄芰?qiáng)，分?jǐn)嗟乃俣容^快。

針對斷路器模型進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真，采用10 kV/3 kA的直流電源并對其進(jìn)行接地短路。仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)分析結(jié)果一致，說明所提斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案有效、可行。根據(jù)現(xiàn)行高速機(jī)械開關(guān)以及各元器件的參數(shù)，調(diào)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電感、電容參數(shù)來滿足現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需要。

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(編輯 于玲玲)

Hybrid Arc-Less DC Circuit Breaker Based on Three Stage Current Commutation

ZhangGuojunSongFeifanLiShaomingDaiGuoyin

(Electrical Engineering and Automation Department of Liaoning Technical University Huludao 125105 China)

In order to solve the switching problem in HVDC circuits，a novel topology structure of arc-less DC breaker is proposed.High-speed mechanical switches generates strong reversal voltage at the moment of disconnecting phase and additional charging is needed for the pre-charging capacitor.To avoid the limitation of the traditional hybrid breaks，we proposed the three-stage current commutation design.We also developed the equivalent mathematical model of the topology structure to analyze the critical commutation moments of several working-phases to obtain the correctness proof.The results show that the new DC breaker ensures arc-less disconnection of mechanical switches and speed up the disconnection.

Arc-less DC breaker，topology structure，hybrid circuit breaker，three stage current commutation，break time

2016-03-15 改稿日期2016-06-16

TM561

張國軍 男，1960年生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂捌潢P(guān)鍵設(shè)備。

E-mail：zhangguojun_305@163.com

宋飛凡 男，1989年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娂捌潢P(guān)鍵設(shè)備。

E-mail：654316608@qq.com(通信作者)