梁 德 世， 郭 興 宇， 鄒 積 巖

( 大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力能源的需求日益增長，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)面臨著線路損耗較大、電壓諧波與波動、三相不平衡等一系列電能質(zhì)量問題[1-2]。在風(fēng)力與太陽能等發(fā)電設(shè)備接入、分布式發(fā)電與微電網(wǎng)接入、大規(guī)模儲能和交直流變換裝置等新能源電力注入電網(wǎng)的情況下，迫切需要提高電能接納和供電可靠性、增強安全互聯(lián)和優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]。近年來高壓直流輸電技術(shù)及其應(yīng)用工程逐漸成熟[4-5]，直流配電網(wǎng)、分布式發(fā)電與微電網(wǎng)示范工程也在部分邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島與節(jié)能示范城市廣泛應(yīng)用[6]。直流微電網(wǎng)具有提高分布式電源有效接入與負(fù)荷調(diào)控的能力，直流斷路器在直流微電網(wǎng)中承擔(dān)著調(diào)控與安全保護(hù)的作用，是電力系統(tǒng)中關(guān)鍵的裝置之一[7]。

真空開關(guān)在直流開斷方面具有分?jǐn)嗄芰?、燃弧時間短、壽命長、使用安全等優(yōu)點。相對現(xiàn)有的空氣開關(guān)可以實現(xiàn)在更高電壓和電流等級電力系統(tǒng)的短路保護(hù)。由于直流系統(tǒng)短路開斷相對交流沒有自然過零點，直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶有強迫換流裝置，在短路電流達(dá)到閾值時，將直流斷路器的短路電流轉(zhuǎn)移至換流裝置，強迫短路電流過零實現(xiàn)直流開斷[8]。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于快速斥力機構(gòu)的真空開關(guān)、IGBTs并聯(lián)技術(shù)和限壓技術(shù)的混合式零電壓開關(guān)(ZVS)快速直流斷路器研究廣泛[9]，但由于大功率半導(dǎo)體受到技術(shù)限制，導(dǎo)致混合式開關(guān)的換流結(jié)構(gòu)復(fù)雜和技術(shù)應(yīng)用不成熟。

本研究采用基于有源換流原理的快速直流真空斷路器提供可靠調(diào)控與安全保護(hù)，利用換流裝置自充電技術(shù)滿足直流斷路器換流裝置持續(xù)電力供應(yīng)，通過電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD模擬直流真空斷路器，經(jīng)過合成回路驗證直流真空斷路器的開斷能力。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與故障保護(hù)

直流微網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，國內(nèi)外現(xiàn)階段在微電網(wǎng)領(lǐng)域的研究，主要針對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、連接方式、并網(wǎng)及孤島運行方式控制、能量管理等方面。而對故障分析、故障限流、故障隔離和繼電保護(hù)的研究較少，更沒有直流微網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)配置的有效實踐經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)。直流發(fā)電和輸配電已廣泛應(yīng)用于新能源應(yīng)用中，但面對直流微網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源、逆變控制器、電力電子器件及其工作模式，直流微網(wǎng)的保護(hù)尚處于探索研發(fā)階段。直流微網(wǎng)的電力故障同時面臨著并聯(lián)電容瞬間放電電流較大，設(shè)備電感儲存能量大，分布式電源多樣性等難題。

根據(jù)用電負(fù)荷所處環(huán)境的分析，對其周圍風(fēng)力和太陽能資源統(tǒng)計分析，評估微電網(wǎng)發(fā)電側(cè)的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電容量及其波動性，經(jīng)過整流/變流控制向微電網(wǎng)及其大容量負(fù)荷設(shè)備提供可靠電力。市電作為輔助電力供應(yīng)微電網(wǎng)，確保不可預(yù)測故障下，提高整條微電網(wǎng)線路的穩(wěn)定性。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，在發(fā)電、儲電、配電和用電的4個關(guān)鍵節(jié)點均采用直流真空斷路器提供電力故障保護(hù)，切斷低電能輸出的風(fēng)力和光伏發(fā)電設(shè)備，開斷大容量負(fù)荷短路設(shè)備，雙向投切預(yù)充與供電的儲能蓄電設(shè)備，關(guān)合市電輔助設(shè)備，可保護(hù)微電網(wǎng)整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在直流配電系統(tǒng)中，急需一種性能更好的產(chǎn)品替代帶滅弧柵的磁吹式空氣開關(guān)，提高直流開關(guān)的快速控制和可靠安全開斷。直流真空斷路器充分發(fā)揮了真空開斷技術(shù)的特性，可以解決空氣開關(guān)開斷時電弧噴濺、開斷壽命低、尺寸大等問題，也能克服電力電子開關(guān)的空載損耗、可靠性與成本問題，是新一代大功率直流開關(guān)的發(fā)展方向。

圖1 基于直流真空斷路器保護(hù)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of micro-grid based on DC vacuum circuit breakers

基于電流轉(zhuǎn)移原理的直流真空斷路器由機械真空開關(guān)作為主開關(guān)，由強迫換流回路和限壓吸能電路三部分組成，如圖2所示。i為系統(tǒng)電流，im為流過主開關(guān)的電流，ic為流過換流回路的電流，iMOV為流過吸能支路的電流。主開關(guān)在合閘狀態(tài)下承載系統(tǒng)額定電流，閉合狀態(tài)的機械開關(guān)具有較低的導(dǎo)通損耗。在開斷過程中，借助換流回路投入的反向電流使主開關(guān)的短路電流產(chǎn)生電流零點，提供直流開斷的必要條件。換流回路的作用是用預(yù)充電電容器向主開關(guān)放電，將系統(tǒng)中的電流由主開關(guān)支路轉(zhuǎn)換到換流回路中，為主回路開斷制造電流零點，完成斷口熄弧。換流回路參數(shù)主要考慮換流電容與換流電感，直接影響直流斷路器整機性價比。吸能支路用來吸收電弧熄滅后系統(tǒng)中存貯的電感能量，抑制過電壓的產(chǎn)生，防止主開關(guān)的電弧重燃。

圖2 基于換流技術(shù)的直流斷路器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram for DC breaker based on commutation technology

2 新型直流斷路器設(shè)計與仿真

直流真空斷路器是直流電力系統(tǒng)運行控制的關(guān)鍵保護(hù)設(shè)備，應(yīng)能夠按照直流開斷要求，實現(xiàn)快速開斷真空斷口、平滑轉(zhuǎn)移電流、穩(wěn)定吸收系統(tǒng)能量的基本功能。電力電子器件相對機械開關(guān)具有更快的投切能力，換流回路采用晶閘管和二極管反并聯(lián)形式，可觸發(fā)預(yù)充電電容經(jīng)換流電感L快速換流，同時并聯(lián)緩沖電容和電感，抑制真空斷口過電壓，使開斷后電壓與電流更平滑。當(dāng)換流過程中，換流電容反向充電電壓增至保護(hù)閾值電壓后，氧化鋅避雷器吸收系統(tǒng)能量。

2.1 自充電直流斷路器的設(shè)計結(jié)構(gòu)

直流斷路器的換流電容自充電設(shè)計采用系統(tǒng)電源、電源等效阻抗Z0、換流電感L、換流電容C、均壓電阻R2和限流接地電阻R1等組成自充電回路，如圖3所示。在電力系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下向換流電容持續(xù)自充電，相對獨立充電裝置具有更高的性價比。當(dāng)線路或負(fù)荷r0發(fā)生故障產(chǎn)生系統(tǒng)短路電流時，換流開關(guān)采用大功率晶閘管TR和大功率二極管D并聯(lián)結(jié)構(gòu)，換流支路反向電流投切和持續(xù)放電振蕩，強迫CB短路電流過零，避雷器ZnO抑制CB開斷過電壓和吸收系統(tǒng)殘余能量。

圖3 直流真空斷路器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖Fig.3 Schematic for DC vacuum circuit breaker

2.2 直流斷路器仿真分析

通過PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件完成直流真空斷路器的開斷能力分析，根據(jù)直流真空斷路器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路搭建仿真回路，仿真設(shè)計參數(shù)主要包括1.6 mF換流電容和16 μH換流電感，換流頻率可達(dá)1 kHz，15 kΩ限流接地電阻可向換流電容充電電流達(dá)0.1 A。均壓電阻可設(shè)計為47 kΩ，吸能支路MOV采用HY1.5W-0.28/1.3復(fù)合低壓避雷器。仿真結(jié)果如圖4所示，is曲線為系統(tǒng)電流，i曲線為真空開關(guān)電流，ic曲線為換流電容電流，ia曲線避雷器電流，U曲線為主開關(guān)電壓，Uc曲線為換流電容電壓。短路電流上升至1 kA時，主開關(guān)經(jīng)0.15 ms轉(zhuǎn)移到換流回路，產(chǎn)生第一個電流過零點，即開斷。主開關(guān)關(guān)斷后的電壓持續(xù)上升，避雷器在0.6 ms后動作開始吸收線路能量直至40 ms后線路電流為零。

圖4 直流真空斷路器開斷曲線圖Fig.4 Waveform of DC vacuum circuit breaking

3 直流真空斷路器的驗證

根據(jù)直流真空斷路器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路搭建合成試驗回路，采用LC衰減振蕩回路產(chǎn)生50 Hz頻率，前四分之一上升電流波形等效為直流系統(tǒng)短路上升電流，短路電流峰值作為開斷電流點。其中，直流真空斷路器吸能支路采用MOV避雷器設(shè)置抑制殘壓為1.3 kV，采用交流變壓器輸出2 kV 正弦波形測試，測試殘壓曲線如圖5所示的避雷器電壓曲線，滿足系統(tǒng)開斷時暫態(tài)恢復(fù)電壓所要求的1.5倍以內(nèi)。

3.1 成功開斷的分析

根據(jù)直流斷路器結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析，為驗證更高換流頻率與短路電流的開斷性能，換流電容采用50 μF電容兩串兩并形式，換流電感20 μH，換流頻率5 kHz，周期為200 μs。強迫換流試驗成功開斷電流1 kA，暫態(tài)恢復(fù)電壓達(dá)到1.25 kA，如圖6所示。合成試驗回路主要測量開關(guān)觸發(fā)控制電壓信號k，短路開斷電流i，換流源投入電流ic，開關(guān)斷開后兩端的暫態(tài)恢復(fù)電壓U。合成試驗的過程是系統(tǒng)電流i在換流ic投入后開始迅速下降，直至系統(tǒng)電流過零后暫態(tài)恢復(fù)電壓U迅速上升，上升階段伴隨多次電磁場沖擊而產(chǎn)生干擾，主要受到系統(tǒng)LC回路與開關(guān)瞬時沖擊的影響。

圖5 避雷器殘壓測試曲線Fig.5 Waveform of MOV voltage

(a) 整體曲線

(b) 局部曲線

3.2 失敗開斷的分析

提高電流源LC振蕩回路的充電電壓，主斷口峰值電流達(dá)2.1 kA，換流電流1.2 kA，換流頻率5 kHz，由于換流幅值太小未能導(dǎo)致系統(tǒng)電流過零而開斷失敗，如圖7所示。在換流過程中，短路電流與換流電流相互疊加，未能實現(xiàn)短路電流過零。因此，采用自充電回路可以滿足換流源與系統(tǒng)電流保持同步，應(yīng)用中應(yīng)避免不必要裝置故障影響。

圖7 2.1 kA直流開斷曲線圖Fig.7 DC breaking curve of 2.1 kA

4 結(jié) 論

真空斷路器具有分?jǐn)嗄芰?、電壽命長、電弧密閉、沒有噪音等優(yōu)點，實現(xiàn)空氣開關(guān)無法達(dá)到的保護(hù)能力。采用強迫換流方法的自充電直流真空斷路器，換流支路的LCR持續(xù)自充電和快速TR觸發(fā)結(jié)構(gòu)，可以有效開斷1 kA短路電流。利用直流真空斷路器作為微電網(wǎng)的保護(hù)設(shè)備，可有效解決分布式電源發(fā)電側(cè)和智能照明用電測電力波動導(dǎo)致的欠壓涌流與短路故障難題。