石 巍，陳 羽，孫 超，王文杰，謝曄源，方太勛

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

近年來(lái)，柔性直流輸配電網(wǎng)得到快速發(fā)展，直流電網(wǎng)技術(shù)已然是未來(lái)構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)［1-2］。直流斷路器作為直流電網(wǎng)有選擇性隔離直流側(cè)故障的關(guān)鍵設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景［3-4］。

目前，已經(jīng)提出的直流斷路器主要分為3 類(lèi)，分別是機(jī)械式直流斷路器［5-8］、固態(tài)直流斷路器［9-10］和混合式直流斷路器［11-14］。相較于壽命較短的機(jī)械式直流斷路器，以及通態(tài)損耗大的固態(tài)直流斷路器，基于強(qiáng)迫換流原理和機(jī)械開(kāi)關(guān)無(wú)弧開(kāi)斷的混合式直流斷路器擁有更好的性能，其具有快速性、低損耗和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［13］采用整流型混合式直流斷路器拓?fù)浞桨?，通過(guò)一半數(shù)量的絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）實(shí)現(xiàn)電流雙向開(kāi)斷，提高了經(jīng)濟(jì)性和可靠性。但是目前混合式直流斷路器價(jià)格仍然較為昂貴，已成為限制直流電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

為此，多端口直流斷路器得到了廣泛的研究［15-18］，各端口共用價(jià)格昂貴的主斷支路，通過(guò)選擇支路接入主斷支路來(lái)開(kāi)斷和耗散各端口的故障電流。文獻(xiàn)［19］提出一種多端口混合式直流斷路器，其主斷支路采用反并聯(lián)子模塊，選擇支路采用晶閘管與IGBT 模塊的串聯(lián)支路，因而制造成本仍然較高。文獻(xiàn)［20］提出一種多端口混合式直流斷路器，其主斷支路同樣采用雙向開(kāi)斷子模塊，選擇支路采用快速機(jī)械開(kāi)關(guān)與少量IGBT 子模塊的串聯(lián)支路，因此制造成本相對(duì)較低，但是每次故障開(kāi)斷需要多個(gè)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作，一定程度上降低了設(shè)備可靠性，而且不具備公共母線故障隔離能力。文獻(xiàn)［21］提出一種二極管橋式多端口混合式直流斷路器，其主斷支路均采用單向開(kāi)斷子模塊，上、下橋臂二極管作為選擇支路，因此制造成本相對(duì)更低，同時(shí)額外配置了一個(gè)二極管支路使其具備了直流母線故障隔離能力，文中通過(guò)多端柔性直流電網(wǎng)系統(tǒng)建模仿真驗(yàn)證了所提拓?fù)鋺?yīng)用的可行性和有效性，但是文中沒(méi)有考慮公共母線故障，仍需進(jìn)一步研究改進(jìn)。此外，當(dāng)前具有雙向開(kāi)斷能力的多端口混合式直流斷路器，進(jìn)出線電流流通路徑大多經(jīng)過(guò)兩個(gè)雙向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)，相比于張北多端柔性直流輸電示范工程中應(yīng)用的直流斷路器［22］，通流損耗翻倍。文獻(xiàn)［23］同樣提出一種二極管橋式多端口混合式直流斷路器，其負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)采用單向開(kāi)斷子模塊，降低了設(shè)備成本和通流損耗，但在其控制策略下不具備雙向電流開(kāi)斷的能力。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種多端口整流型混合式直流斷路器拓?fù)?，?fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)采用單向開(kāi)斷子模塊使得通流損耗減少一半，通過(guò)電流轉(zhuǎn)移控制策略的優(yōu)化使其具有雙向電流開(kāi)斷能力，同時(shí)增加了一條母線保護(hù)支路實(shí)現(xiàn)了直流母線故障隔離和公共母線故障保護(hù)。本文首先介紹了所提拓?fù)涞碾娐方Y(jié)構(gòu)并詳細(xì)分析了其工作原理，具體說(shuō)明其在不同工作模式處理過(guò)程中內(nèi)部各組件的動(dòng)作策略，然后對(duì)其經(jīng)濟(jì)性和電氣性能進(jìn)行了對(duì)比分析，最后搭建了一臺(tái)三端口整流型混合式直流斷路器試驗(yàn)樣機(jī)，分析其在不同工作模式下的動(dòng)作特性，驗(yàn)證了所提拓?fù)涞目尚行浴?/p>

1 多端口整流型混合式直流斷路器

1.1 電路拓?fù)?/h3>

多端口整流型混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，某一直流母線上共有n條進(jìn)出線，即有n個(gè)端口（P1，P2，…，Pn），每個(gè)端口與母線的一條進(jìn)線或出線相連，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括:

圖1 多端口整流型混合式直流斷路器拓?fù)銯ig.1 Topology of multi-port commutation-based hybrid DC circuit breaker

1）n條主通流支路:每條主通流支路由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFDx和單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCSx串聯(lián)構(gòu)成，x=1，2，…，n。

2）n條選擇支路:每條選擇支路由同向串聯(lián)連接的二極管上橋臂TSx1和二極管下橋臂TSx2構(gòu)成，x=1，2，…，n。

3）1 條主斷支路:由單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 和避雷器MOV 并聯(lián)構(gòu)成。

4）1 條母線保護(hù)支路:由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS 和單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)BPD/BPT 串聯(lián)構(gòu)成。

所有主通流支路的一端相互連接于直流母線，每條主通流支路的另一端連接于選擇支路的橋臂中點(diǎn)并構(gòu)成一個(gè)端口，該端口通過(guò)剩余電流開(kāi)關(guān)RCBx（x=1，2，…，n）連接進(jìn)線或出線。主斷支路、所有選擇支路和母線保護(hù)支路相互并聯(lián)連接于公共母線1 和公共母線2。母線保護(hù)支路的橋臂中點(diǎn)連接于直流母線。當(dāng)多端口整流型混合式直流斷路器安裝于直流系統(tǒng)正極時(shí)母線保護(hù)支路的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS 為上橋臂、單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)BPD/BPT 為下橋臂，當(dāng)安裝于直流系統(tǒng)負(fù)極時(shí)母線保護(hù)支路的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS 為下橋臂、單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)BPD/BPT 為上橋臂。

值得注意的是，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFDx為快分型開(kāi)關(guān)，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS 為快合型開(kāi)關(guān)。單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCSx為少量單向串聯(lián)的IGBT 閥組，電流開(kāi)斷方向同時(shí)指向或背離直流母線。單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 為大量單向串聯(lián)的IGBT 閥組，電流開(kāi)斷方向?yàn)楣材妇€1 指向公共母線2。單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)中的BPT 閥組為少量單向串聯(lián)的晶閘管或IGBT 閥組。

與現(xiàn)有拓?fù)湎啾?，本文提出的拓?fù)淅枚鄺l二極管橋臂構(gòu)成整流型橋式選擇支路實(shí)現(xiàn)多個(gè)端口共用一條主斷支路，并且具有雙向電流開(kāi)斷能力。同時(shí)，采用單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)降低了通流損耗，通過(guò)增加母線保護(hù)支路實(shí)現(xiàn)了直流母線和公共母線的故障保護(hù)。因此，本文所提拓?fù)渚哂懈鼉?yōu)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

1.2 工作原理

混合式直流斷路器的典型工作模式包括:線路故障分閘模式和重合閘模式?？紤]到多端口整流型混合式直流斷路器的整機(jī)布置方式下直流母線和公共母線較長(zhǎng)，存在一定發(fā)生短路故障的概率，因此工作模式還包括:直流母線故障隔離模式、公共母線故障保護(hù)模式。本文以安裝于直流系統(tǒng)正極時(shí)的多端口整流型混合式直流斷路器拓?fù)溥M(jìn)行詳細(xì)分析，安裝于直流系統(tǒng)負(fù)極時(shí)的拓?fù)涔ぷ髂Ｊ郊霸砼c其類(lèi)似，不再贅述。

為 了 便 于 描 述，定 義iPx、iUFDx/LCSx、iTSx1、iTSx2、uTSx1、uTSx2、uUFDx、uLCSx分別為端口Px（x=1，2，…，n）所對(duì)應(yīng)的端口電流、主通流支路電流、選擇支路上橋臂電流、選擇支路下橋臂電流、選擇支路上橋臂電壓、選擇支路下橋臂電壓、主通流支路快速機(jī)械開(kāi)關(guān)電壓和主通流支路單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)電壓，iMBS、iMOV、iBPD/BPT、iBPS、uMOV、uBPS、uBPD/BPT分別為主斷支路單向主斷開(kāi)關(guān)電流、主斷支路避雷器電流、母線保護(hù)支路單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)電流、母線保護(hù)支路快速機(jī)械開(kāi)關(guān)電流、主斷支路避雷器電壓、母線保護(hù)支路快速機(jī)械開(kāi)關(guān)電壓和母線保護(hù)支路單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)電壓。

1.2.1 線路故障分閘模式

線路發(fā)生故障前，直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，多端口整流型混合式直流斷路器的端口剩余電流開(kāi)關(guān)RCBx處于閉合狀態(tài)，主通流支路的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFDx處于閉合狀態(tài)、單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCSx處于導(dǎo)通狀態(tài)，主斷支路的單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 處于關(guān)斷狀態(tài)，母線保護(hù)主路的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS 和單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)BPD/BPT 分別處于打開(kāi)和關(guān)斷狀態(tài)。多端口整流型混合式直流斷路器的內(nèi)部電流分布如圖2（a）所示。圖中:L1-n為換流站MMC1出口處直流母線與換流站MMCn相連接的直流線路；紅色虛線表示電流流通路徑，下同。線路電流在各主通流支路中流通，通流路徑上僅通過(guò)兩個(gè)單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)，通流損耗較低。

線路故障分閘過(guò)程:以端口P2外線路發(fā)生短路故障為例，說(shuō)明多端口整流型混合式直流斷路器在線路故障處理過(guò)程中的內(nèi)部各組部件動(dòng)作策略，操作時(shí)序及過(guò)程應(yīng)力如附錄A 圖A1 所示，電流正方向以初始狀態(tài)為正。

1）t0時(shí)刻，線路L1-2發(fā)生短路故障，如圖2（b）所示，換流站MMC1和其他線路開(kāi)始向故障點(diǎn)注入故障電流，短路故障電流急劇上升，線路保護(hù)裝置檢測(cè)到短路故障后給多端口整流型混合式直流斷路器發(fā)出故障分閘動(dòng)作信號(hào)。

2）t1時(shí)刻，將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 導(dǎo)通和所有單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCSx關(guān)斷。單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCS1起到電流阻斷作用，所有端口的主通流支路電流開(kāi)始經(jīng)過(guò)選擇支路向主斷支路轉(zhuǎn)移，如圖2（c）所示，LCS1、BPT 兩端的過(guò)電壓為各自并聯(lián)回路中選擇支路通流壓降、主斷支路通流壓降和回路電感壓降之和。

3）t2時(shí)刻，當(dāng)故障線路L1-2所在端口對(duì)應(yīng)的主通流支路電流完全轉(zhuǎn)移至零時(shí)，打開(kāi)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD2。此后，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD2的動(dòng)靜觸頭在無(wú)弧狀態(tài)下逐漸打開(kāi)，如圖2（d）所示；

4）固定延時(shí)后的t3時(shí)刻，此時(shí)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD2的動(dòng)靜觸頭已經(jīng)打開(kāi)至一定開(kāi)距、絕緣水平遠(yuǎn)大于選擇支路和主斷支路的導(dǎo)通壓降，將所有單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCSx導(dǎo)通。非故障線路的電流開(kāi)始從主斷支路恢復(fù)轉(zhuǎn)移至各自端口的主通流支路，故障線路L1-2的短路故障電流仍通過(guò)選擇支路和主斷支路流向故障接地點(diǎn)，如圖2（e）所示。

5）t4時(shí)刻，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD2達(dá)到絕緣分位位置，將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 關(guān)斷，開(kāi)斷電流和故障線路L1-2的短路故障電流大小相同，故障電流轉(zhuǎn)移至避雷器MOV 中并逐漸耗散至零，如圖2（f）所示。當(dāng)直流系統(tǒng)不需要重合閘操作時(shí)，打開(kāi)剩余電流開(kāi)關(guān)RCB2，線路故障分閘結(jié)束。

1.2.2 重合閘模式

當(dāng)線路為電纜時(shí)，線路故障通常為永久性故障，不需要重合閘操作；而當(dāng)線路為架空線路時(shí)，線路故障通常為瞬時(shí)性故障為主，需要進(jìn)行重合閘操作。

重合閘動(dòng)作過(guò)程:以端口P2外線路L1-2發(fā)生短路故障為例，說(shuō)明多端口整流型混合式直流斷路器在重合閘過(guò)程中的內(nèi)部各組部件動(dòng)作策略，操作時(shí)序及過(guò)程應(yīng)力如附錄A 圖A2 所示。1.2.1 節(jié)線路故障分閘過(guò)程中當(dāng)故障電流降至零后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的去游離，線路保護(hù)裝置將給多端口整流型混合式直流斷路器發(fā)出重合閘動(dòng)作信號(hào)，重合閘操作前的狀態(tài)如圖2（f）所示，故障電流為零。

1）t0時(shí)刻，多端口整流型混合式直流斷路器接收到端口P2重合閘動(dòng)作信號(hào)，將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 導(dǎo)通。線路L1-2通過(guò)選擇支路和主斷支路恢復(fù)帶電，如附錄A 圖A3（a）所示。

2）若未合于故障，則t1時(shí)刻將端口P2主通流支路的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD2閉合，如附錄A 圖A3（b）所示；若合于故障，則將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 關(guān)斷、故障電流轉(zhuǎn)移至避雷器MOV 中耗散至零，重合閘失敗。

3）t2時(shí)刻，端口P2主通流支路的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD2處于合位后，將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 關(guān)斷，見(jiàn)附錄A 圖A3（c），重合閘成功，線路L1-2恢復(fù)運(yùn)行。

1.2.3 直流母線故障動(dòng)作邏輯

直流母線短路故障是直流系統(tǒng)短路故障中的一種，多端口整流型混合式直流斷路器中的直流母線一旦短路故障，需要將所有端口全部分閘。直流母線故障發(fā)生前的初始狀態(tài)如圖2（a）所示，操作時(shí)序及過(guò)程應(yīng)力如附錄A 圖A4 所示，具體內(nèi)部各組部件動(dòng)作過(guò)程如下:

圖2 線路故障分閘模式下各階段的電流通路Fig.2 Current paths at each stage in line fault breaking mode

1）t0時(shí)刻，直流母線發(fā)生短路故障，如附錄A 圖A5（a）所示，換流站MMC1和其他線路開(kāi)始向故障點(diǎn)注入故障電流，短路故障電流急劇上升，母線保護(hù)裝置檢測(cè)到直流母線短路故障后給多端口整流型混合式直流斷路器發(fā)出分閘動(dòng)作信號(hào)。

2）t1時(shí)刻，將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 導(dǎo)通、所有單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCSx關(guān)斷和單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)BPD/BPT 觸發(fā)導(dǎo)通。單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCSx起到電流阻斷作用，所有端口的主通流支路電流開(kāi)始經(jīng)過(guò)選擇支路、母線保護(hù)支路向主斷支路轉(zhuǎn)移，如附錄A圖A5（b）所示。

3）t2時(shí)刻，當(dāng)所有主通流支路的電流降低至零時(shí)，打開(kāi)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFDx。此后，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFDx的動(dòng)靜觸頭在無(wú)弧狀態(tài)下逐漸打開(kāi)，如附錄A圖A5（c）所示。

4）固定延時(shí)后的t3時(shí)刻，將所有單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCSx導(dǎo)通。此時(shí)，故障電流仍經(jīng)過(guò)選擇支路、主斷支路和母線保護(hù)支路流向短路接地點(diǎn)。

5）t4時(shí)刻，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFDx達(dá)到絕緣分位位置，將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 關(guān)斷，故障電流轉(zhuǎn)移至避雷器MOV 中并逐漸耗散至零，如附錄A 圖A5（d）所示。最后，t5時(shí)刻打開(kāi)所有端口剩余電流開(kāi)關(guān)RCBx，如附錄A 圖A5（e）所示，直流母線故障分閘結(jié)束。

1.2.4 公共母線故障動(dòng)作邏輯

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以將公共母線故障分為公共母線1 故障和公共母線2 故障。

當(dāng)公共母線1 發(fā)生短路故障時(shí)，多端口整流型混合式直流斷路器無(wú)法完成其故障隔離操作，且其選擇支路的上橋臂二極管將無(wú)法耐受高幅值、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)秒級(jí)的故障電流，如圖3（a）所示，故障電流流過(guò)TSx1。此時(shí)，母線保護(hù)裝置將啟動(dòng)后備失靈保護(hù)，同時(shí)多端口整流型混合式直流斷路器將其母線保護(hù)支路的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS 閉合，故障電流將流過(guò)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS，起到保護(hù)選擇支路的二極管橋臂的目的，如圖3（b）所示。

圖3 公共母線1 故障下各階段的電流通路Fig.3 Current paths at each stage with fault on common bus 1

當(dāng)公共母線2 發(fā)生短路故障時(shí)，多端口整流型混合式直流斷路器正常運(yùn)行時(shí)單向主斷開(kāi)關(guān)MBS處于關(guān)斷狀態(tài)，因此不會(huì)產(chǎn)生故障電流。若進(jìn)行分閘操作（即單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 導(dǎo)通）時(shí)，將產(chǎn)生故障電流，需要立即終止分閘操作，將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 關(guān)斷并啟動(dòng)失靈保護(hù)。

2 經(jīng)濟(jì)性和電氣性能對(duì)比分析

2.1 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

為了比較多端口整流型混合式直流斷路器的經(jīng)濟(jì)性，選取當(dāng)前文獻(xiàn)中性能較優(yōu)的文獻(xiàn)［20］和文獻(xiàn)［21］所提拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比。假設(shè)多端口混合式直流斷路器的端口數(shù)為n，主斷開(kāi)關(guān)開(kāi)斷電流能力為Icut、避雷器殘余電壓為UMOV，所采用的IGBT 的工作電壓和開(kāi)斷電流分別為Ui和Ii，所采用的二極管的工作電壓和耐受電流分別為Ud和Id。表1 為各拓?fù)渌桕P(guān)鍵器件數(shù)量的匯總，其中ceil(·)為向上取整函數(shù)。

表1 多端口混合式直流斷路器經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 1 Economical comparison of multi-port hybrid DC circuit breakers

以中國(guó)張北多端柔性直流輸電工程為應(yīng)用場(chǎng)景，直流斷路器的電壓等級(jí)為535 kV、運(yùn)行電流為3 kA、開(kāi)斷電流為25 kA。各多端口混合式直流斷路器所需電力電子器件成本與端口數(shù)之間的關(guān)系曲線如附錄A 圖A6 所示。其中，單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCS 采 用IGBT 8 串 聯(lián)6 并 聯(lián) 結(jié) 構(gòu)，一 個(gè)LCS 需 要48 個(gè)IGBT；單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 的IGBT 閥組采用10 組子單元串聯(lián)構(gòu)成，每組子單元為IGBT 32 串聯(lián)2 并聯(lián)結(jié)構(gòu)，一個(gè)MBS 需要640 個(gè)IGBT；二極管橋臂采用10 組子單元串聯(lián)構(gòu)成，每組子單元為二極管32 串聯(lián)結(jié)構(gòu)，一個(gè)二極管橋臂需要320 個(gè)二極管。所采用IGBT 額定電壓為4.5 kV、工作電壓為2.5 kV，單價(jià)以3.5 萬(wàn)元計(jì)算；所采用二極管的額定電壓、工作電壓與所采用IGBT 相同，單價(jià)為所采用IGBT 的10%。

從附錄A 圖A6 可以看出，3 種多端口混合式直流斷路器和傳統(tǒng)混合式直流斷路器拓?fù)湎啾冉?jīng)濟(jì)性更好，并且隨著端口數(shù)的增加成本優(yōu)勢(shì)更明顯。3 種多端口混合式直流斷路器所需電力電子器件的成本受端口數(shù)量變化影響較小，本文所提的多端口整流型混合式直流斷路器經(jīng)濟(jì)性相比略優(yōu)。

2.2 電氣性能對(duì)比分析

用多端口直流斷路器方案替代多條傳統(tǒng)混合式直流斷路器時(shí)，電氣性能是首要考慮因素。傳統(tǒng)混合式直流斷路器應(yīng)用場(chǎng)合中，每個(gè)斷路器都是單獨(dú)安裝和運(yùn)行的，一旦跳閘信號(hào)被正確接收，無(wú)論故障類(lèi)型如何都可以立即切斷故障電流。

因此，多端口直流斷路器應(yīng)該具有與傳統(tǒng)混合式直流斷路器相同的電氣性能。對(duì)現(xiàn)有的幾個(gè)多端口直流斷路器在不同故障類(lèi)型（雙向電流開(kāi)斷、單線路故障、多線路故障、重合閘、直流母線故障和公共母線故障）下的電氣性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2 所示。通過(guò)表2 可以看出，本文所提拓?fù)渚哂型晟频碾姎庑阅?，有利于?yīng)對(duì)直流電網(wǎng)中各類(lèi)突發(fā)故障，保證系統(tǒng)持續(xù)安全可靠運(yùn)行。

表2 多端口混合式直流斷路器電氣性能對(duì)比Table 2 Electrical performance comparism of multiport hybrid DC circuit breakers

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了驗(yàn)證多端口整流型混合式直流斷路器的工作原理，搭建了一臺(tái)三端口整流型混合式直流斷路器樣機(jī)及其試驗(yàn)系統(tǒng)，如附錄A 圖A7 所示。三端口整流型混合式直流斷路器樣機(jī)主要部件參數(shù)如表3 所示，樣機(jī)整體分閘時(shí)間小于等于3 ms。

表3 三端口整流型混合式直流斷路器樣機(jī)主要部件參數(shù)Table 3 Main component parameters of prototype for three-port commutation-based hybrid DC circuit breaker

下面將通過(guò)線路故障分閘及重合閘試驗(yàn)、直流母線故障試驗(yàn)和公共母線1 故障保護(hù)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)前三端口整流型混合式直流斷路器的初始狀 態(tài) 均 為:UFD1、UFD2、UFD3處 于 閉 合 狀 態(tài)，LCS1、LCS2、LCS3處于導(dǎo)通狀態(tài)，MBS 處于分?jǐn)酄顟B(tài)，BPS 處于打開(kāi)狀態(tài)，BPT 處于關(guān)斷狀態(tài)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 線路故障分閘及重合閘試驗(yàn)

線路故障分閘及重合閘試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如附錄A 圖A8（a）所示，通過(guò)LC 諧振原理產(chǎn)生小幅值電流模擬正常負(fù)荷電流、大幅值電流模擬短路故障電流。試驗(yàn)系統(tǒng)中電容、電感配置為:電容C 取值為60 mF、預(yù)充電1.85 kV，電抗器L1取值為5 mH，電抗器L2取值為1 mH。

圖4 給出了三端口整流型混合式直流斷路器在線路故障分閘及重合閘工況下的試驗(yàn)結(jié)果，其中圖4（a）為整體試驗(yàn)波形、圖4（b）為線路故障分閘放大波形、圖4（c）為重合閘放大波形。0 ms 時(shí)刻試驗(yàn)開(kāi)關(guān)K 收到合閘指令并金屬短接后，電容C 通過(guò)電抗器L1放電來(lái)模擬端口P2所在線路的負(fù)荷電流、通過(guò)電抗器L2放電來(lái)模擬端口P3所在線路的短路故障電流；10 ms 時(shí)刻三端口整流型混合式直流斷路器收到端口P3分閘指令，10.1 ms 時(shí)刻導(dǎo)通單向主斷支路MBS 和關(guān)斷單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCS1、LCS2、LCS3，端口P2的負(fù)荷電流和端口P3的短路故障電流均從主通流支路經(jīng)過(guò)選擇支路向主斷支路轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移電流大小為12.1 kA；10.4 ms 時(shí)刻端口P3主通流支路電流完全轉(zhuǎn)移至主斷支路后，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD3在無(wú)弧狀態(tài)下打開(kāi)；12.4 ms 時(shí)刻導(dǎo)通單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCS1、LCS2、LCS3，端口P2的負(fù)荷電流恢復(fù)至其主通流支路；13 ms 時(shí)刻單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 關(guān)斷、關(guān)斷電流大小10 kA，短路故障電流轉(zhuǎn)移至避雷器MOV 中后逐漸耗散至零，電流耗散期間避雷器電壓峰值約9.6 kV；線路故障分閘試驗(yàn)中，直流斷路器從接收到分閘指令至故障電流開(kāi)始下降總用時(shí)約3 ms。112 ms 時(shí)刻三端口整流型混合式直流斷路器收到端口P3重合閘指令，將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 導(dǎo)通，端口P3通過(guò)選擇支路和主斷支路帶電并產(chǎn)生負(fù)荷電流；122 ms 時(shí)刻將快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD3閉合，143 ms 時(shí)刻快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD3完全閉合，主斷支路的電流開(kāi)始向端口P3主通流支路轉(zhuǎn)移；152 ms 時(shí)刻，將單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 關(guān)斷，至此重合閘成功。

圖4 線路故障分閘及重合閘工況下的試驗(yàn)波形Fig.4 Test waveforms under conditions of line fault opening and reclosing

3.2.2 直流母線故障分閘試驗(yàn)

直流母線故障分閘試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如附錄A圖A8（b）所示，通過(guò)LC 諧振原理產(chǎn)生短路故障電流模擬直流母線故障時(shí)3 個(gè)端口向故障點(diǎn)注入短路電流。試驗(yàn)系統(tǒng)中電容、電感配置為:電容C 取值為60 mF、預(yù)充電1.85 kV，電抗器L1取值為2 mH。

圖5（a）給出了三端口整流型混合式直流斷路器在直流母線故障分閘工況下的試驗(yàn)結(jié)果。0 ms時(shí)刻試驗(yàn)開(kāi)關(guān)K 收到合閘指令并金屬短接后，電容C 通過(guò)電抗器L1放電來(lái)模擬直流母線短路故障電流，故障電流通過(guò)3 條主通流支路向故障點(diǎn)注入；10 ms 時(shí)刻三端口整流型混合式直流斷路器收到直流母線故障分閘指令，10.1 ms 時(shí)刻導(dǎo)通單向主斷開(kāi)關(guān)MBS、導(dǎo)通單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)BPD/BPT 和關(guān)斷單向負(fù) 載 轉(zhuǎn) 移 開(kāi) 關(guān)LCS1、LCS2、LCS3，3 個(gè) 端 口 的 短 路故障電流均從主通流支路經(jīng)過(guò)選擇支路、母線保護(hù)支路向主斷支路轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移電流大小約7 kA；10.4 ms 時(shí)刻，3 個(gè)端口的主通流支路電流均完全轉(zhuǎn)移至主斷支路后，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)UFD1、UFD2、UFD3在無(wú)弧狀態(tài)下打開(kāi)；12.4 ms 時(shí)刻，導(dǎo)通單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)LCS1、LCS2、LCS3；13 ms 時(shí)刻，單向主斷開(kāi)關(guān)MBS 關(guān)斷、關(guān)斷電流大小約7.9 kA，短路故障電流轉(zhuǎn)移至避雷器MOV 中后逐漸耗散至零，電流耗散期間避雷器電壓峰值約9.5 kV；直流母線故障分閘試驗(yàn)中，直流斷路器從接收到分閘指令至故障電流開(kāi)始下降總用時(shí)約3 ms。

圖5 母線故障試驗(yàn)波形Fig.5 Test waveforms with bus fault

3.2.3 公共母線1 故障保護(hù)試驗(yàn)

公共母線1 故障保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如附錄A圖A8（c）所示，通過(guò)LC 諧振原理產(chǎn)生短路故障電流模擬公共母線1 故障時(shí)3 個(gè)端口向故障點(diǎn)注入短路電流。試驗(yàn)系統(tǒng)中電容、電感配置為:電容C 取值為60 mF、預(yù)充電2.55 kV，電抗器L1取值為2 mH。

圖5（b）給出了三端口整流型混合式直流斷路器在公共母線1 故障保護(hù)下的試驗(yàn)結(jié)果。0 ms 時(shí)刻試驗(yàn)開(kāi)關(guān)K 收到合閘指令并金屬短接后，電容C 通過(guò)電抗器L1放電來(lái)模擬公共母線1 短路故障電流，故障電流通過(guò)3 條選擇支路向故障點(diǎn)注入；3 ms 時(shí)刻三端口整流型混合式直流斷路器收到公共母線故障保護(hù)指令并將母線保護(hù)支路快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS閉合；10 ms 時(shí)刻快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS 金屬短接后，短路故障電流開(kāi)始通過(guò)主通流支路向母線保護(hù)支路轉(zhuǎn)移，故障電流大部分流經(jīng)耐流能力更強(qiáng)的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS，起到了保護(hù)選擇支路二極管閥組的作用。三端口整流型混合式直流斷路器樣機(jī)中，由于選擇支路二極管橋臂為4 個(gè)二極管串聯(lián)、主通流支路中單向負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)為1 只IGBT 以及回路中連接銅排/電纜的差異性，使得選擇支路二極管中仍存在較小的電流。

在張北多端柔性直流輸電示范工程中，在直流線路發(fā)生短路故障且近端直流斷路器失靈情況下，由于直流系統(tǒng)中感性元件續(xù)流的原因，高幅值的故障電流持續(xù)時(shí)間達(dá)到秒級(jí)以上。因此，多端口整流型混合式直流斷路器在其公共母線1 短路故障下，通過(guò)母線保護(hù)支路的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)BPS 旁路保護(hù)措施可以有效保證選擇支路二極管閥組在故障期間不發(fā)生損壞。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種多端口整流型混合式直流斷路器。通過(guò)研究分析，可以得到如下結(jié)論:

1）選擇支路采用二極管整流型橋式結(jié)構(gòu)、主斷開(kāi)關(guān)采用單向開(kāi)斷子模塊，具有良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性；

2）負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)采用單向開(kāi)斷子模塊進(jìn)一步降低了通流損耗和設(shè)備成本，并通過(guò)電流轉(zhuǎn)移控制策略的優(yōu)化，具備雙向電流開(kāi)斷的同時(shí)不增加單向主斷開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷電流應(yīng)力；

3）通過(guò)配置母線保護(hù)支路實(shí)現(xiàn)了直流母線故障隔離和公共母線故障保護(hù)功能，保證極端母線故障工況下故障隔離和設(shè)備安全；

4）設(shè)計(jì)并搭建了一臺(tái)三端口整流型混合式直流斷路器樣機(jī)及其試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了線路故障分閘及重合閘、直流母線故障分閘和公共母線故障保護(hù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明了所提拓?fù)涞目尚行耘c故障保護(hù)的可靠性。

多端口整流型混合式直流斷路器理論上具備一定的應(yīng)用價(jià)值和前景，實(shí)際工程應(yīng)用仍需從整機(jī)設(shè)備布局、電磁屏蔽和系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合等方面作進(jìn)一步深入研究。

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