武董一， 李嘉龍， 許建中， 趙成勇

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

收稿日期：2020-04-16.

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFB0904600)；國家自然科學(xué)基金項目(51607065).

0 引 言

隨著世界范圍內(nèi)化石資源的日益枯竭，可再生能源的發(fā)展勢不可擋[1-3]，柔性直流電網(wǎng)也隨著快速發(fā)展。目前，正在建設(shè)的張北±500 kV四端柔性直流電網(wǎng)示范工程將在全世界范圍內(nèi)首次實現(xiàn)風(fēng)電經(jīng)直流電網(wǎng)向特大城市供電[4]。

而相比于傳統(tǒng)交流系統(tǒng)，由電力電子設(shè)備組成的直流電網(wǎng)是一個“低慣量、低阻抗”系統(tǒng)，響應(yīng)時間常數(shù)比交流電網(wǎng)至少小2個數(shù)量級[5-6]。當(dāng)直流線路發(fā)生嚴(yán)重故障時，換流器及直流側(cè)的各種儲能元件都會向故障點饋入能量，導(dǎo)致流過電力電子開關(guān)器件的電流迅速上升，如若不及時將故障進行隔離和清除，將危害器件甚至整個直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)系統(tǒng)的安全[7]。因此，及時清除故障線路、保證健全線路的功率傳輸是保證直流電網(wǎng)可靠運行的前提。

現(xiàn)階段清除直流故障的方案中最為普遍的是采用直流斷路器[8]，張北四端工程中也采用直流斷路器來切斷故障，斷路器方案一般通過增大故障回路電阻來抑制故障電流。

根據(jù)直流斷路器中主要開關(guān)元件的不同，可分為：機械式直流斷路器[9]、全固態(tài)直流斷路器[10]以及混合式直流斷路器[11-12]。機械式斷路器采用快速機械開關(guān)實現(xiàn)過零點來切斷故障電流。然而隨著電網(wǎng)容量的上升和電壓等級的提高，機械式斷路器愈發(fā)難以滿足需求。全固態(tài)斷路器使用電力電子設(shè)備來切斷故障電流，具有速度較快和使用壽命較長的優(yōu)勢，但其造價較高?；旌鲜綌嗦菲骶C合了機械式斷路器與全固態(tài)斷路器的優(yōu)勢?；陔娙莸幕旌鲜綌嗦菲饕话悴捎霉收蠒r插入預(yù)充電電容來抑制故障電流，因其快速性、開斷能力等優(yōu)勢近年來愈加受到國內(nèi)外的重視。

文獻[13]提出了一種適用于高壓直流輸電系統(tǒng)的預(yù)充電電容型斷路器，可在零電壓下斷開機械開關(guān)，但其沒有給出對應(yīng)的重合閘策略也無法處理雙側(cè)直流故障。文獻[14]中提出了一種由電容和二極管閥組串聯(lián)作為主支路的電容換相型斷路器，并提出了幾種擴展拓撲結(jié)構(gòu)來減小通態(tài)功率損耗。但其工作原理和控制策略較為復(fù)雜，且10 ms的故障隔離時間難以滿足大容量直流輸電需求。文獻[15]提出了一種主電路中電容初始電壓為零的混合斷路器，但其故障隔離時間約為10 ms，且不能切斷雙向故障電流。文獻[16]提出了一個主電路采用電容作為緩沖的斷路器，但其器件需大量的IGBT，經(jīng)濟性較差。文獻[17]提出了一種采用預(yù)充電電容型斷路器拓撲并對比了經(jīng)濟性方案，然而其只針對單極故障線路給出了解決辦法。

另一大直流故障清除策略為降低故障回路電壓，比如具備子模塊閉鎖能力的混合型模塊化多電平換流器，其內(nèi)部采用的全橋型子模塊使得換流站出口電壓降為零，直流母線電流降為零[18-19]。

因現(xiàn)有電容型斷路器中包含大量電力電子器件從而經(jīng)濟性較差，且傳統(tǒng)方案斷路器故障隔離速度難以滿足需求。本文提出了一種基于電壓鉗位的電容型直流斷路器。通過故障時電路中接入預(yù)充電電容產(chǎn)生鉗壓電壓使網(wǎng)側(cè)線路電壓降為零，進而隔離故障，并進行耗能過程。本文所提的故障隔離方案比其他方案更為快速，從而可以加快電網(wǎng)的恢復(fù)過程。在此基礎(chǔ)上，本文提出了相應(yīng)的雙向分段、電容分級投入、重合閘策略、單雙極方案等配套設(shè)計，最后使用PSCAD軟件，通過采用斷路器后的電壓、電流、暫態(tài)能量仿真驗證了本文方案的可行性。

1 電容型斷路器拓撲及其工作原理

1.1 電容型斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為本文所提的電容型斷路器拓撲，包括通流支路、充電支路、鉗壓支路、能量耗散支路和電容放電支路。

圖1 電容型斷路器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of capacitor-based circuit breaker

通流支路包括負載轉(zhuǎn)化開關(guān)(Load Commutation Switch，LCS)和超快速機械開關(guān)(Ultra Fast Disconnector, UFD)UFD1、UFD2。

鉗壓支路為拓撲核心支路，包括鉗壓電容C、IGBT開關(guān)T3、二極管Dc。

充電支路包括剩余電流開關(guān)(Residual Current Breaker，RCB)RCB1、充電電阻Rc和分壓電容Cc。

能量耗散支路包括IGBT開關(guān)T4、耗能電容Cd和耗能電阻Rd。

電容放電支路包括剩余電流開關(guān)RCB2、放電電阻Rr和放電電容Cr。

1.2 電容型斷路器的工作原理

本節(jié)將分三個階段介紹本文拓撲的工作原理。

(1)充電階段

如圖2所示，在正常電流流過通流支路時，閉合RCB1，直流線路開始向鉗壓電容C充電。

圖2 充電階段Fig.2 Charging process

直流電流iMMC中包括正常的低損耗通流iLCS和給鉗壓電容充電的充電電流icharge。充電支路中二極管DC使得該支路不會發(fā)生震蕩，充電完成后RCB1打開，充電電流降為零。

(2)鉗壓階段

鉗壓階段將通過鉗壓電容使故障鉗位，隔離故障。

t0-t1：故障檢測。t0時刻發(fā)生直流故障后，保護裝置需要時間檢測故障，此階段斷路器不動作，故障電流經(jīng)過通流支路流向故障點。

t1-t2：電流轉(zhuǎn)移。如圖3(a)所示，t1時刻保護裝置檢測到故障，發(fā)出指令閉鎖通流支路，同時通流支路中電流轉(zhuǎn)移到T3支路中，待通流支路電流降為0，關(guān)斷UFD1，一般而言，機械開關(guān)的分?jǐn)嘈? ms延時[20]。

t2-t3：鉗壓過程。如圖3(b)所示，UFD1已關(guān)斷，t2時刻將T3閉鎖，并接入鉗壓電容C。鉗壓電容在充電階段的一定電壓值基礎(chǔ)上繼續(xù)充電，充至鉗壓電容C的兩端電壓為換流站直流電壓，此時uC=uMMC。此階段故障電流下降，同時T4開通續(xù)流回路。t3時刻，iclamp降為零，UFD2關(guān)斷，完成故障隔離。

(3)耗能階段

在鉗壓階段隔離故障后，耗能階段通過能量耗散支路消耗網(wǎng)側(cè)能量，并完成故障清除。

t3-t4：等待關(guān)斷。t3時刻，iclamp降為零后，等待機械開關(guān)UFD2約2 ms的分?jǐn)鄷r間。

t4-t5：耗散能量。如圖4所示，UFD2已關(guān)斷，將T4閉鎖，并接入耗能電容Cd和耗能電阻Rd。最終于t5時刻完成故障清除，后續(xù)將準(zhǔn)備重合閘操作。

圖3 鉗壓階段Fig.3 Voltage clamping process

圖4 剩余能量耗散階段Fig.4 Diagram of residual energy dissipating process

2 電容型斷路器配套設(shè)計

本節(jié)針對所提斷路器方案，提出了三種配套設(shè)計方案，即雙向分?jǐn)嘟Y(jié)構(gòu)、電容分級投入和兩種重合閘策略，對相應(yīng)的工作原理和工作過程進行了分析，并分析了每個結(jié)構(gòu)的意義和作用，以改善現(xiàn)有同類方案實用性較差，適用范圍較窄，穩(wěn)定性不足的缺點。

2.1 雙向分段

在直流電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于故障位置具有隨機性，且電流是可以反轉(zhuǎn)的[21]，僅具備單向故障分?jǐn)嗄芰Φ闹绷鲾嗦菲魇请y以滿足直流電網(wǎng)后備保護的需求的。

本文所提拓撲在鉗壓支路和能量耗散支路的兩端均配置一組二極管整流橋，在這種電路結(jié)構(gòu)下，無論電流是從左側(cè)流向右側(cè)，還是從右側(cè)流向左側(cè)，鉗壓支路和能量耗散支路中流過的電流的方向都是不變的，因此無論故障電流流向如何，斷路器都能正常的分?jǐn)喙收想娏鳌?/p>

圖5(a)為故障點在斷路器右側(cè)時，故障清除階段的電流方向為由左向右；圖5(b)為故障點在斷路器左側(cè)時，電流方向為由右向左。

圖5 直流故障點在不同位置時的故障電流流向Fig.5 Fault current paths for different locations of DC fault

可以看到，對于鉗壓支路來說，無論電流方向如何，鉗壓支路上流過的電流都是由上至下，因此鉗壓支路能夠正常的進行鉗壓過程；對于耗能支路來說也是類似的，無論電流方向如何，支路上流過的電流都是由左至右，可以正常完成故障隔離與清除工作。

2.2 分級投入結(jié)構(gòu)

鉗壓支路中的電容實際上可以采用若干電容模塊串并聯(lián)組成。在故障清除過程中，如果將全部電容模塊在同一時刻投入故障回路，由于其總體的容值很小，等效阻抗較大，由此引發(fā)的電壓沖激會很高，容易對斷路器的其他部分造成影響。如圖6所示，本小節(jié)提出的電容分級投入結(jié)構(gòu)，將串聯(lián)電容按順序以一定的延時依次投入故障回路。

圖6 電容分級投入結(jié)構(gòu)Fig.6 Step-insert structure of the clamping capacitor

初始狀態(tài)下，5個IGBT開關(guān)TⅠ、TⅡ、TⅢ、TⅣ、TⅤ均處于導(dǎo)通狀態(tài)，其兩端并聯(lián)的電容均被旁路。此處的5個串聯(lián)模塊數(shù)僅為分析方便，在實際的工程配置中，串聯(lián)數(shù)可以根據(jù)實際情況來進行配置[22]。

狀態(tài)1中，TⅠ關(guān)斷，將其對應(yīng)的電容CⅠ投入電路。在接下來的四個狀態(tài)中，IGBT按照固定延時依次關(guān)斷，將電容依次投入電路中，直至狀態(tài)5中全部電容完全投入。

分級投入結(jié)構(gòu)有兩個優(yōu)勢，其一，由于單個模塊的阻抗遠遠小于整體阻抗，因此逐個投入會使得支路的阻抗逐漸升高，而不是瞬間升高，這樣可以降低由此引發(fā)的沖激；其二，可以通過調(diào)整設(shè)置的延時來調(diào)整鉗壓支路投入所用的時長，以此來進一步對沖激進行調(diào)節(jié)，或者是調(diào)整故障清除過程的時序。

為進一步分析鉗壓電容的分級投入過程，本節(jié)通過將該拓撲放置在一單端等效系統(tǒng)中進行模擬分析。斷路器串聯(lián)電容模塊個數(shù)設(shè)為5個，每個為50 μF，投入延時分別設(shè)為0.1 ms、0.2 ms和0.3 ms，重點考察鉗壓電容在鉗壓階段的電壓波形，得到的結(jié)果如圖7示。

圖7 分級投入結(jié)構(gòu)仿真波形圖Fig.7 Wave diagram of step-insert structure

從圖7中可以看到，三個波形都是隨著不同時間的推移呈現(xiàn)階梯式上升的趨勢，其中的每一個階梯對應(yīng)的是一個模塊的投入，而模塊的依次投入也可以相應(yīng)的降低電路中所產(chǎn)生的沖激。另外，設(shè)置的單次投入的延時越長，整個閥段完全投入所用的時間也相應(yīng)越長，這可以用來進行故障處理時序的調(diào)整。

2.3 電容放電和重合閘策略設(shè)計

在充電階段和鉗壓階段結(jié)束后，需對鉗壓電容電壓進行放電。電容放電回路如圖8所示，可通過調(diào)節(jié)放電電容Cr來調(diào)節(jié)鉗壓電容C放電后的電壓值。

圖8 電容放電回路設(shè)計方案Fig.8 Design of capacitor discharging branch

常見的電網(wǎng)實際運行經(jīng)驗表明，架空線大多時候發(fā)生的故障都是瞬時性故障，只有不到10%的故障是永久性的[20]。高壓直流斷路器的重合閘設(shè)計不僅能夠提高系統(tǒng)的輸電可靠性，提高暫態(tài)性能，還能降低因為短時功率缺額引發(fā)的各種危害的可能性及額外損失。本文針對瞬時性故障與永久性故障給出了兩種重合閘操作：

操作A：如圖9(a)所示，直接重合通流支路的器件UFD1、T1和UFD2。重合閘操作后系統(tǒng)恢復(fù)至正常運行狀態(tài)，系統(tǒng)的恢復(fù)速度較快，鉗壓電容放電在重合閘后進行。

操作B：如圖9(b)所示，先重合UFD2，此時若線路電流較小，可判斷系統(tǒng)發(fā)生的是暫時性故障，故可以將通流支路重合使系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)；若發(fā)生永久性故障，由于此時鉗壓電容接在故障回路內(nèi)，因此斷路器會直接進入鉗壓階段，以再次處理故障，直至再次清除故障。此操作為試探性部分重合閘操作，鉗壓電容先放電、后重合。

圖9 兩種重合閘操作過程Fig.9 Two kinds of reclosing process

操作A和操作B均能處理兩種不同故障。操作A先重合后放電，更適合暫時性故障多發(fā)的線路，處理暫時性故障時系統(tǒng)的恢復(fù)速度很快，在處理永久性故障時會存在延時較長或沖激較大等問題；操作B先放電后重合，更適合永久性故障多發(fā)的線路，處理永久性故障時能夠迅速進入并完成第二次故障清除階段，處理暫時性故障時其延時相對會比較長。

本小節(jié)選取典型工況進行分析，即出現(xiàn)暫時性故障時采用重合閘操作A、發(fā)生永久性故障時采用重合閘操作B。其中，鉗壓電容C=10 μF，分壓電容CC=5 μF，耗能電容Cd=100 μF，放電電容Cr=7 μF，充電電阻、耗能電阻和放電電容Rc、Rd、Cr=100 Ω，兩種故障工況下得到的波形分別如圖10所示。

圖10 兩種故障下的重合閘波形圖Fig.10 Wave diagram of reclosing process under different fault conditions

圖10中標(biāo)記有圓圈的波形圖展示的是采用重合閘操作A處理的暫時性故障的線路電流、電容電流和電容電壓的波形。t=1.96 s時為最初的鉗壓電容預(yù)充電階段。t=2 s時發(fā)生第一次故障，斷路器動作將故障清除之后，線路電壓和電流均降為0，鉗壓電容的電壓不變。經(jīng)過200 ms的去游離時間之后，首先進行重合閘，將穩(wěn)態(tài)通流支路全部恢復(fù)?？梢钥吹剑€路電流和電壓恢復(fù)至最初的水平，由于此時故障不再存在，因此電流和電壓能夠維持在這個水平。達到穩(wěn)態(tài)后，再對鉗壓電容進行放電處理。

圖10中標(biāo)記有星形的波形圖展示的是采用重合閘操作B處理的永久性故障。同樣的，t=2 s時發(fā)生第一次故障，斷路器動作將故障清除之后，線路電流和電容電流均降為0，隔離故障后首先通過放電支路將鉗壓電容進行放電。在t=2.2 s時進行重合閘，將鉗壓電容接至回路中，此時，由于故障仍然存在，因此鉗壓電容會被迅速充電，此時相當(dāng)于直接進入了第二次故障的鉗壓階段。由于此次故障清除操作省去了電流轉(zhuǎn)移階段，因此故障電流發(fā)展時間短，體現(xiàn)在各個波形上，線路故障電流和線路電壓相比第一次故障更小，鉗壓電容的末態(tài)電壓也比第一次故障要更小?？梢钥吹?，第二次故障清除的清除速度和效果都要優(yōu)于第一次。

3 仿真分析驗證

3.1 仿真系統(tǒng)

為進一步驗證和分析本文所提出的電容型斷路器拓撲的故障處理能力，在PSCAD/EMTDC下建立基于半橋MMC的雙極四端直流電網(wǎng)系統(tǒng)，利用PSCAD/EMTDC軟件對故障清除過程進行仿真[23]。該系統(tǒng)的具體參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

表1 四端直流電網(wǎng)參數(shù)

圖11 四端直流電網(wǎng)示意圖Fig.11 Diagram of four-terminal DC grid

3.2 參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化

充電過程中，主要分析分壓電容、充電電阻的作用。即確定一組基準(zhǔn)值，之后通過改變?nèi)≈祦碛^察對應(yīng)參數(shù)變化對其他參數(shù)的影響[24]。

圖12所示為分壓電容Cc分別為5 μF、10 μF和15 μF時，充電電流和充電電壓的波形。在充電過程中分壓電容Cc和鉗壓電容C彼此分壓，調(diào)節(jié)分壓電容Cc的值就可以調(diào)節(jié)鉗壓電容C的初始電壓。分壓電容Cc的容值越小，鉗壓電容C上所分配的電壓值就越低，相應(yīng)的，由于充電回路的感抗相應(yīng)變大，因此充電電流也就越小。

圖12 分壓電容波形圖Fig.12 Wave diagram of divider capacitor Cc

圖13所示為充電電阻Rc分別取50 Ω、100 Ω和150 Ω時的充電電流和充電電壓的波形。充電電阻的取值越大，充電電流的值越小，充電電壓相應(yīng)也越小，但是充電時間反而會有一定的延長。

圖13 充電電阻波形圖Fig.13 Wave diagram of charging resistor Rc

分壓電容對充電過程各個參數(shù)起主要調(diào)節(jié)作用，充電電阻起次要調(diào)節(jié)作用。具體到充電過程中的電氣參數(shù)，主要有充電電流、充電電壓和充電時間三個，減小充電電流可以通過增大分壓電容、增大充電電阻來實現(xiàn)，降低充電電壓可以通過減小分壓電容、增大充電電阻，縮短充電時間可以通過減小分壓電容、減小充電電阻來實現(xiàn)。

鉗壓支路的核心器件是鉗壓電容，改變鉗壓電容的取值，得到鉗壓過程中電容電壓和支路電流的波形，如圖14所示。

圖14 鉗壓電容波形圖Fig.14 Wave diagram of capacitor C

從圖14中可以看到，鉗壓電容越小，在鉗壓過程后達到的電壓也越高，但鉗壓過程的時間會越短。鉗壓過程的時間決定了故障隔離的時間。動作的快速性是本文關(guān)注的重點，因此應(yīng)優(yōu)先考慮降低鉗壓過程的時間。鉗壓容值較小變可以加快故障隔離，但過小則會造成鉗壓電壓值的過大，不同情況下綜合考慮二者關(guān)系，選取合適的取值。

耗能支路中通過改變耗能電容的容值，得到耗能過程中耗能支路的電流波形，如圖15所示。

圖15 耗能電容波形圖 Fig.15 Wave diagram of dissipating capacitor Cd

從圖15中可以看到，當(dāng)耗能電容減小時，支路中的電流也會降低得更快，耗能過程會進行的更加迅速。但下降速度過快則容易對器件造成較大沖擊。不同情況下可以根據(jù)耗能時間和耗能電流來進行選取耗能電容。

通過合理的調(diào)整器件參數(shù)的取值，可以基本實現(xiàn)充電過程各個電氣量的精確控制，以便和整個故障清除時序、或是各個保護整定值相配合，提升整體鉗壓器的性能以及和直流系統(tǒng)的匹配程度。

3.3 斷路器性能分析

本小節(jié)以MMC1和MMC2兩端之間的單極短路故障為例，驗證所提斷路器的故障處理效果，故障檢測時間為1 ms，UFD延時為2 ms，圖16為仿真得到的電流、電壓和能量波形。

圖16 仿真波形圖Fig.16 Wave diagram of software simulation

t0-t1：t=2 s(t0時刻)發(fā)生單極短路故障，換流站出口側(cè)電流iMMC迅速增長，且與通流支路電流iLCS增長保持一致；換流站出口側(cè)電壓uMMC與網(wǎng)側(cè)電壓uGRID迅速下降。此階段等待系統(tǒng)檢測故障。

t1-t2：在電流轉(zhuǎn)移階段，t1時刻保護裝置檢測到故障，通流支路閉鎖iLCS降為0，開始關(guān)斷UFD1，電流轉(zhuǎn)移至鉗壓支路中，鉗壓支路電流iC迅速增長，且與換流站側(cè)電流iMMC增長保持一致。在t0-t2階段時：iMMC=iLCS+iC。

t2-t3：在鉗壓階段，鉗壓電容C接入回路，繼續(xù)充電至鉗壓電容C的兩端電壓為換流站直流電壓，此階段iC減小，uC=uMMC。系統(tǒng)開始恢復(fù)，故障電流下降，同時開通能量耗散支路，iDIS開始增長。t3時刻iMMC=0，故障隔離完成，故障隔離時間約為5.6 ms，與其他電容型斷路器約10 ms的故障隔離時間[15]相比，本文所提斷路器可以有效加快故障隔離時間。

t3-t4：等待UFD2約2 ms的關(guān)斷。

t4-t5：在耗能階段，耗能電容Cd和耗能電阻Rd接入，網(wǎng)側(cè)電流iGRID和耗能電流iDIS逐漸降低保持一致；耗能電容電壓uDIS因其充放電過程先逐漸升高后逐漸降低，網(wǎng)側(cè)電壓uGRID因耗能電容在線路和接地點間反接，故先減后增。最終iGRID、uGRID和uDIS降為0，故障清除完成。

隨著直流短路故障時，直流短路故障電流的快速上升，也伴隨換流站中暫態(tài)能量的動態(tài)變化。圖16(c)為換流站1中斷路器動作與否的能量分析，以2 s時能量初始值為零為參考，2.02 s故障清除時，本文所提斷路器可以減緩換流站1中能量增長，間接地反映對故障電流的影響，有利于直流電網(wǎng)故障后恢復(fù)重啟。

3.4 雙極短路故障線路設(shè)計

本小節(jié)以MMC1和MMC2兩端之間的雙極短路故障為例驗證斷路器的故障處理效果，根據(jù)換流器出口位置以及正負極線的方向?qū)嗦菲鞯陌惭b方法、接線和器件極性進行了設(shè)計。兩端換流站間雙極四臺斷路器的設(shè)計安裝如圖17所示。

圖17 雙極線路設(shè)計Fig.17 Design of bipolar transmission line

由于故障時，正極線上的高電勢點在換流側(cè)，負極線上的高電勢點在短路點，所以鉗壓支路的電容必須置為相反方向；同時由于穩(wěn)態(tài)通路的電流轉(zhuǎn)移時需要由IGBT關(guān)斷電流，故線路上的IGBT開關(guān)組也需要設(shè)置為相反方向。

針對正極線路與負極線路的不同，鉗壓支路中鉗壓電容設(shè)置為相反方向，且線路的IGBT也設(shè)置為相反方向。充電支路可直接正負極相接，去掉接地點以節(jié)省器件。能量耗散支路也可以直接正負極相接，但接地點需保留以通過能量耗散回路清除故障。

采用本文所提出的雙極線路安裝方法進行仿真，故障點設(shè)在換流站A出口附近，得到四臺斷路器的出口電壓波形，分別如圖18所示。

圖18 換流站兩端仿真波形圖Fig.18 Wave diagram of converter station between two terminals

對比以上波形圖，可以看到，正極線的斷路器在動作時，其出口電壓由+500 kV經(jīng)一定震蕩過程降至0，負極線的斷路器在動作時，其出口電壓由-500 kV經(jīng)一定震蕩過程升至0。另外，故障點近端的斷路器，其電壓波形在暫態(tài)過程中震蕩較弱，而且震蕩消除較快；故障點遠端的斷路器，其電壓波形在暫態(tài)過程中震蕩較強，而且震蕩消除較慢。這可能是由于故障遠端的斷路器與故障點之間的線路較長，在暫態(tài)過程中，線路的等效電感很大，因此引起的震蕩也比較大。

4 結(jié) 論

本文針對所提出適用于HVDC的可快速隔離故障的電容型直流斷路器，首先分析了斷路器的拓撲結(jié)構(gòu)，按照工作過程的順序分析了其工作原理；之后，針對斷路器在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用，提出了三種配套設(shè)計方案，對其原理進行了分析。最后，通過PSCAD軟件在單雙極故障下進行了仿真驗證，并進行了參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化，分析了有無斷路器下的暫態(tài)能量，結(jié)論總結(jié)如下：

(1)本文所提斷路器以電容為核心器件，采用小容值電容作為鉗壓電容，結(jié)合預(yù)充電過程，快速隔離故障，其后緩慢耗散能量。其工作過程可以分為充電、鉗壓和耗能過程，對各階段工作原理進行了分析。

(2)本文共提出三種配套設(shè)計方案，包括雙向分?jǐn)嘟Y(jié)構(gòu)、分級投入結(jié)構(gòu)、電容放電和重合閘策略設(shè)計，提升穩(wěn)定性，滿足可靠清除直流故障的需求。

(3)利用仿真對斷路器的工作過程進行了模擬，分析電流電壓與暫態(tài)能量的變化，并對不同參數(shù)下的電容、電阻值進行了設(shè)計與優(yōu)化，其結(jié)果驗證了本文方案的可行性，對于今后斷路器發(fā)展具有借鑒意義。