西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 谷鵬旭

1 直流斷路器

直流斷路器由它們的分?jǐn)嚯娏髟砜煞譃槿?lèi)：機(jī)械直流斷路器、固態(tài)直流斷路器和混合直流斷路器。

1.1 機(jī)械直流斷路器

有兩種消除直流電弧的方法。第一種是在增加電弧電壓的同時(shí)擴(kuò)大電弧，直到不能維持電弧電流為止。第二種方法是引入一個(gè)振蕩電路，然后使其通過(guò)以創(chuàng)建一個(gè)零交叉點(diǎn)而達(dá)到對(duì)斷路器的滅弧。前者顯然不適合具有較高電壓的直流配電網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)如今，市場(chǎng)上大多數(shù)機(jī)械式直流斷路器其中的吸收電路和放電電路是其重要的電路組成部分，它們與機(jī)械開(kāi)關(guān)和振蕩電路共同構(gòu)成主要部件。

當(dāng)斷開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)時(shí)，由于LC振蕩電路的振蕩，高頻電流會(huì)疊加在DC電弧電流上。如果振蕩電流與直流電弧電流相比具有更大的反向振幅，則將產(chǎn)生一個(gè)零交叉點(diǎn)，這將導(dǎo)致電弧關(guān)斷并且將輸送直流電流。在振蕩電路中，電流通過(guò)吸收迅速減小到零，并且放電電路和避雷針實(shí)現(xiàn)了直流電流的斷開(kāi)。在高頻振蕩過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流和大電流，并且通過(guò)使用在振蕩電路兩端并聯(lián)連接的電路來(lái)吸收能量，以防止在此過(guò)程中損壞設(shè)備。負(fù)載能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、由于導(dǎo)通損耗低可長(zhǎng)時(shí)間工作。但這種斷路器由于電流分?jǐn)嗄芰π?、容易出現(xiàn)廣泛的誤差，這就是其無(wú)法滿(mǎn)足的原因。

1.2 固態(tài)直流斷路器

固態(tài)直流斷路器主要可以控制電力電子設(shè)備的開(kāi)與關(guān)，用于直流電流的切換狀態(tài)，使其基于IGBT、IGCT、SCR、GTO等電力電子設(shè)備這些功能可以更好的被實(shí)現(xiàn)。固態(tài)直流斷路器具有感應(yīng)電路、驅(qū)動(dòng)和控制電路及其他類(lèi)型的電路，相關(guān)的固態(tài)功率電子電路、緩沖器吸收和放電電路。其相比于機(jī)械式直流斷路器，用于電力電子設(shè)備的斷路器都具有響應(yīng)速度快、可靠性高、無(wú)電弧、無(wú)聲音、無(wú)接觸的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足直流配電網(wǎng)保護(hù)的要求且堅(jiān)固耐用。其缺點(diǎn)是在導(dǎo)通的狀態(tài)下的高損耗。

1.3 混合直流斷路器

直流斷路器由機(jī)械開(kāi)關(guān)和固態(tài)開(kāi)關(guān)組合而成?；旌鲜街绷鲾嗦菲骶唧w的閉合與斷開(kāi)的過(guò)程如下：當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，固態(tài)開(kāi)關(guān)上就會(huì)產(chǎn)生電弧電壓，同時(shí)正向電壓也隨即被建立。添加了功率電子固態(tài)開(kāi)關(guān)，并且觸發(fā)脈沖被打開(kāi)。電力電子設(shè)備通常具有非常小的導(dǎo)通狀態(tài)電阻，該電阻比機(jī)械開(kāi)關(guān)電路小得多。因此，在低壓條件下，機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電路，固態(tài)開(kāi)關(guān)也迅速斷開(kāi)，直流電流也斷開(kāi)?；旌现绷鲾嗦菲骺梢越Y(jié)合其中的前兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因此，混合式直流斷路器是當(dāng)前的主要的發(fā)展方向?；旌鲜街绷鲾嗦菲骺梢栽趲孜⒚雰?nèi)實(shí)現(xiàn)直流電流截止，并且其電壓水平和分流能力仍在不斷提高?？梢缘贸鼋Y(jié)論，混合式直流斷路器具有直流配電網(wǎng)的運(yùn)行條件。

2 直流故障限流器研究

2.1 直流故障限流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

直流故障限流器的相關(guān)拓?fù)洌ù颂幰詥螛O直流系統(tǒng)為例），主要包括可控開(kāi)關(guān)管、二極管、控制器、電感器、電容器、采樣和測(cè)量設(shè)備等。直流故障限流器主要具有三種工作模式。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可控開(kāi)關(guān)保持完全斷開(kāi)，可以認(rèn)為是導(dǎo)體，并不影響系統(tǒng)運(yùn)行，因此故障極限如下。此時(shí)，轉(zhuǎn)換器處于LC濾波狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載側(cè)發(fā)生支路故障時(shí)，測(cè)量裝置將檢測(cè)到過(guò)電流并將其反饋給控制器，然后控制器迅速作出響應(yīng)，從而使開(kāi)關(guān)管可以進(jìn)行直流斬波。限制并延遲波形狀態(tài)，電流為固定值。當(dāng)故障消失時(shí)，故障電流限制器將運(yùn)行模式切換為運(yùn)行模式。如果錯(cuò)誤仍然存在，請(qǐng)關(guān)閉開(kāi)關(guān)并消除錯(cuò)誤。同樣，如果相鄰分支發(fā)生故障，則分支的電流和電壓也會(huì)振動(dòng)。在這種情況下，故障電流限制器可以穩(wěn)定電壓和電流并改善電能質(zhì)量。

2.2 直流故障限流器動(dòng)態(tài)模型與控制策略

斬波電路動(dòng)態(tài)模型如下：

在上面的公式中Vin和Vout分別為輸入電壓和輸出電壓，iL是電感電流，P是負(fù)載功率，D是占空比，，如果開(kāi)關(guān)頻率為f，那么。

假設(shè)故障限流時(shí)長(zhǎng)為T(mén)lim，則故障限流控制目標(biāo)可表示如下：

在正常操作期間，將控制信號(hào)1發(fā)送至開(kāi)關(guān)管以使其保持接通狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，通過(guò)直流電控制故障限流器，以將輸出電流與給定電流值進(jìn)行比較，然后由控制器PI形成調(diào)制信號(hào)。開(kāi)關(guān)管控制由PWM調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的信號(hào)。添加了電壓比例鏈接以改善系統(tǒng)的響應(yīng)能力，并通過(guò)改變占空比來(lái)限制輸出電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后，在電流限制模式下，如果延遲后仍然存在錯(cuò)誤，則開(kāi)關(guān)控制信號(hào)將輸出為零。換句話(huà)說(shuō)，錯(cuò)誤被阻止。

3 直流故障限流器仿真

3.1 仿真模型

在PSCAD/EMTDC中建立相應(yīng)模型，電源電壓為5kV，內(nèi)阻為0.1Ω。這一模型主要包含兩條負(fù)載饋線(xiàn)支路，由此做如下仿真：（1）在支路L1處設(shè)置短路故障，在有無(wú)故障限流器兩種情況下，通過(guò)對(duì)電流和電壓的波形圖進(jìn)行比較，來(lái)分析故障限流器的性能；（2）當(dāng)故障發(fā)生于分支L1處時(shí)，在分支L2上存在無(wú)限電流設(shè)備的情況下，通過(guò)對(duì)電壓和電流波形進(jìn)行比較，來(lái)分析限流器的性能。仿真系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的其他參數(shù)可見(jiàn)表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果分析

如果L1的負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障，則可以看到如圖1所示的相關(guān)情況，圖中顯示了兩種情況下無(wú)限電流設(shè)備中饋線(xiàn)L1的電流和電壓波形。其中，如果有冷潮時(shí)段，則以紅色表示；沒(méi)有冷潮時(shí)段時(shí)，則以藍(lán)色表示。如圖1所示，通過(guò)饋線(xiàn)支路限制器的最大故障電流可以達(dá)到600A。如果包含故障電流限制器，則故障電流可以限制為120A，如果包含電流限制器，則電壓應(yīng)為120V。它會(huì)迅速下降，即使經(jīng)過(guò)0.2s的延遲，濾波電容器的能量也不會(huì)迅速下降。故障電流限制器將電流限制為零，并隔離故障組件。

圖1 饋線(xiàn)L1上的電流波形

當(dāng)線(xiàn)L1發(fā)生短路故障時(shí)，圖2中所示的相關(guān)情況，很好的顯示了在反饋線(xiàn)中沒(méi)有故障限流器的兩種情況下的電壓波形。其中，如果有故障限流器時(shí)段，則以紅色顯示，沒(méi)有故障限流器時(shí)段時(shí)，則以藍(lán)色表示?？梢詮膱D中可以看與分析出，如果限流器在沒(méi)有的故障的情況下，在相鄰分支L1中發(fā)生短路故障，則L2處的電壓將降至100V，L2的電流也隨即有了上升趨勢(shì)。故障限流器的L2基本上可以保持穩(wěn)定的電流和電壓，因此當(dāng)系統(tǒng)另一部分發(fā)生故障時(shí)，限流器可以基本保持電壓和電流穩(wěn)定，從而提高了電源的可靠性并改善了電能質(zhì)量。

圖2 饋線(xiàn)L2上電壓波形

結(jié)論：對(duì)于DC配電網(wǎng)的保護(hù)，DC開(kāi)關(guān)設(shè)備意義重大。DC配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵在于DC開(kāi)關(guān)設(shè)備的快速可靠運(yùn)行。首先，本文分析了三種不同類(lèi)型的直流斷路器。然后，分析了斷路器的工作原理和性能，得出混合式直流斷路器和固體式直流斷路器可應(yīng)用于DC配電網(wǎng)保護(hù)的結(jié)論。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了DC故障限流器的性能。