一种新型限流式高压直流断路器拓扑
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员李帅、赵成勇等，在2017年第17期《电工技术学报》上撰文，首先简要回顾了直流断路器的国内外研究现状及优缺点,在此基础上提出了一种带有限流功能的高压直流断路器拓扑。
该拓扑采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为主开关器件,具有断路、限流等功能,并具有通态损耗小、关断电流大、电压等级高的优点;可灵活配置支路数量以调节每个支路的工作电流及故障下的限流效果,进而避免或减少大容量场合下IGBT的直接并联。
PSCAD/EMTDC环境下的仿真结果表明该断路器具有良好的限流、断路性能,故障电流上升率及峰值相比于现有方案得以明显降低,验证了理论分析的正确性和方案的可行性。
高压直流（High VoltageDirect Current，HVDC）输电由于具有诸多优点，已成为近年来的研究热点。目前国内外对柔性多端高压直流输电系统、直流电网的研究日益深入。由多端直流输电系统发展而来的直流电网是一种新型的电力传输网络，每个交流系统通过换流站与直流系统相连，各直流线路可以自由连接，互相作为冗余使用。
相对于双端或多端直流输电系统，直流电网有以下优点：减少了换流站的数量进而降低了成本与损耗，一个线路退出运行不会造成任何一个换流站的中断运行；每个换流站以不同的功率并网运行；每个交流接入点的能量交换能够被灵活控制。
然而，直流电网的实现必须同时满足高效能、高可靠性、高可控性，由于直流线路的自由连接特性，一旦发生故障，如不把故障线路隔离，将影响全网的安全运行，这时具备故障穿越能力的换流站已不能满足要求，所以高压直流断路器必不可少。
直流断路器与交流断路器的工作过程有很大不同，主要原因是直流电流没有过零点，给关断工作造成很大的困难，而且直流系统若发生故障，故障电流的上升速率远比交流系统的大。故障过电流会对系统设备造成破坏，所以需要有更快的故障切除速度，同时需要迅速吸收储存在系统电感中的能量。
目前有很多文献和专利提出了不同的高压直流断路器方案。出现最早的是机械式高压直流断路器，主要由机械开关、反向电流发生电路、能量吸收回路组成。
该型断路器主要分为自激振荡过零点型、预充电振荡过零点型。自激振荡型具有结构简单、易于控制、成本低的特点，但需要几十毫秒后才能形成人工过零点；预充电振荡型可在数毫秒之内分断，但需要增加电容器充电回路，设备繁多、控制实现复杂。
20世纪70年代出现了采用晶闸管的全固态高压直流断路器，80年代随着门极可关断晶闸管（Gate-Turn-offThyristor，GTO）、绝缘栅双极晶体管（Insulation Gate Bipolar Transistor, IGBT）等全控型器件的出现，给全固态直流断路器提供了新的器件选择。
1987年，美国研制的200V/15A全固态直流断路器使用GTO作为主开关器件； 1999年，Houston大学研发出电压等级为500V的固态直流断路器；2005年，美国电力电子系统研究中心（CPES）将固态直流断路器样机的电压/电流等级提高到4.5kV/4kA。文献 [10-13]对固态高压直流断路器进行了研究，但由于这几种结构通态损耗较大，成本较高，所以实用性较差，限制了其在高压领域的应用。
为了兼顾机械式断路器的低损耗与固态断路器的高分断速度的优势，文献[14]提出了混合型直流断路器，该型断路器的特点是，在正常工作时导通低损耗通路，需要切断电路时先将电流由低损耗通路转移到电力电子断流回路，然后再关断电力电子器件，将电流再次转移到能量吸收回路。
ABB 公司在2012年研制出了电压等级320kV，额定电流为2kA的混合式高压直流断路器，其结构如图1所示，主要由两个支路组成：第一支路、第二支路（包含能量吸收回路）。
其中第一支路具有低通态损耗的特性，在正常运行时导通，以降低断路器的运行损耗，故障发生时通过开关控制将电流由第一支路转移到第二支路，随后关断该支路中的电力电子器件，系统能量由能量吸收回路耗散掉。
图1 ABB研发的混合式高压直流断路器结构
ABB混合式高压直流断路器没有采用限流开断技术，且在检测到故障发生后需先进行电流转移操作，电流顺利转移且隔离开关完全打开后才能执行断路操作。考虑到故障点有可能距离较远、信号传输延迟以及检测算法耗时等因素，准确的故障检测时间通常大于2ms，且快速隔离开关动作时间需2ms。
由于直流系统故障电流上升率远大于交流系统，且IGBT的过电流能力有限，故障电流将超过该型断路器的关断上限，限制了该型断路器的额定电压电流等级，且能量吸收仍需要一定的时间。因此该拓扑无法满足当前直流输电高电压、大电流的发展需求。适用于高电压、大电流场合的直流断路器的研发已经得到了高度的重视。
本文提出了一种限流式高压直流断路器拓扑，采用IGBT作为主开关器件，具有模块化的特点，可灵活选择支路数量以增大断路能力并减小每个电力电子器件的工作电流。
相比于现有高压直流断路器拓扑，该拓扑可以在疑似故障发生（如直流电流上升率突变，直流侧平波电抗器两端电压突变，但此时也有可能只是小的扰动）时启动限流操作，抑制故障电流上升率，待故障准确判定时进行断路操作或恢复正常运行状态，所以更适用于高电压、大电流的场合。
同时由于多个支路的存在，每个支路流过的电流较小，从而可避免或减少IGBT直接并联使用，具有关断速度快的特点；随后建立了该拓扑的等效电路图，并对其进行了分析和研究；最后将其与现有主流断路器结构进行了对比分析，并通过仿真验证了该拓扑能够快速地进行限流和断路操作，且断路和限流瞬间各个器件所承受的电压电流应力都在所设计的范围内。
结论
本文对高压直流断路器的拓扑进行了研究，在分析了ABB混合式高压直流断路器的基础上提出了一种限流式固态高压直流断路器，建立了所提断路器在每个工作状态的数学模型，并对其进行详细分析，得出所提拓扑具有以下特点：
1）能够快速降低直流系统中的故障电流值以及故障电流上升率，若不限流，根据仿真系统的故障电流上升率，在目前技术条件下关断时故障电流可达27kA，而限流操作下故障电流最大值为12kA。所以限流操作能够容许更长的故障检测时间，防止误判并确保系统设备特别是换流阀不出现过电流。
2）各电感支路功率器件的电流应力小，通态损耗随支路数量增大而降低。
3）可对电感支路数进行优化以在断路器性能与造价之间进行折中。
4）在高电压大容量场合，由于限流的作用，该断路器的总IGBT使用量相对于ABB与全球能源互联网研究院的方案得以降低。