混合式直流斷路器直流斷路器拓?fù)浼肮ぷ髟?/h1>

本拓?fù)淇梢源_保機(jī)械開(kāi)關(guān)無(wú)弧分開(kāi)。與以往的直流斷路器不同，一個(gè)二極管D1被引入到機(jī)械開(kāi)關(guān)支路以防止強(qiáng)迫換流后再出現(xiàn)反向電流。通過(guò)設(shè)計(jì)，只要確保T1觸發(fā)后一段時(shí)間后電感電流反向，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械開(kāi)關(guān)電流在強(qiáng)迫換流后依然維持為零。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，由于本斷路器的主支路中不包含可控型電力電子器件，即使斷路器半導(dǎo)體門(mén)極突然失電，例如斷路器送能系統(tǒng)臨時(shí)故障，本斷路器可維持電流通路，不會(huì)立刻對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行造成影響，因此可采取措施，例如將斷路器整體旁路并隔離出系統(tǒng)，在不影響正常供電情況下，實(shí)現(xiàn)斷路器退出檢修。

混合式直流斷路器直流斷路器拓?fù)?/h3>

直流斷路器拓?fù)淙鐖D4所示，該拓?fù)浒?條電流支流，即強(qiáng)迫換流支路、半導(dǎo)體支路和避雷器支路。

該拓?fù)淇珊?jiǎn)單實(shí)現(xiàn)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)的快速無(wú)弧分?jǐn)?。本拓?fù)湓诳焖匍_(kāi)關(guān)支路中引入了一個(gè)可以防止電流反向的二極管D1.

斷路器的強(qiáng)迫換流支路可以在半導(dǎo)體失去門(mén)極供電的情況下維持通路，因此即使斷路器的半導(dǎo)體門(mén)極突然出現(xiàn)失電，直流電網(wǎng)也不會(huì)出現(xiàn)供電中斷。

混合式直流斷路器工作原理

在正常情況下，直流電網(wǎng)電流i_G流過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)支路，如圖5所示。換流電容Cc需預(yù)先充電。換流電容Cc電壓極性如圖5所示，晶閘管T1通常處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)電流流經(jīng)二極管D1、換流電感Lc和快速機(jī)械開(kāi)關(guān)S1,T2支路無(wú)電流通過(guò)。

當(dāng)直流短路故障發(fā)生，系統(tǒng)電流i_G迅速上升。當(dāng)系統(tǒng)電流超過(guò)了檢測(cè)閡值I_det，則同時(shí)觸發(fā)晶閘管T1和全控型半導(dǎo)體T2，系統(tǒng)電流由電感立刻轉(zhuǎn)移至電容C_C，此時(shí)流過(guò)L_C的電流逐步減小，流過(guò)電容C_C的電流逐步增大，電容C_C的電壓也隨之逐步減小。此時(shí)，由于T2支路承受反壓，因此沒(méi)有電流流過(guò)，過(guò)程如圖6所示。

預(yù)充電電容Cc的能量需足以使T1開(kāi)通后T/4時(shí)刻之前電感電流反向，即當(dāng)電感Lc的電流降至零時(shí)，電容Cc依然有正向電壓存在并繼續(xù)對(duì)電感放電，電感Lc的電流過(guò)零后開(kāi)始反向增長(zhǎng)，當(dāng)換流電容電壓Uc反向并大于半導(dǎo)體支路器件導(dǎo)通壓降時(shí)，系統(tǒng)電流被強(qiáng)迫轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體支路。與此同時(shí)，電容Cc由于電感電流充電從而電壓極性發(fā)生改變，如圖7所示。由于二極管D1的存在，反向電感電流不會(huì)流過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)，從而保持機(jī)械開(kāi)關(guān)電流為0。此時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)迅速無(wú)弧分?jǐn)唷?

隨后電感電流i_L下降到0，晶閘管承受反向電壓自然關(guān)斷。當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)完全分開(kāi)時(shí)，立刻關(guān)斷T2。系統(tǒng)電流隨之從半導(dǎo)體支路被強(qiáng)迫轉(zhuǎn)移至避雷器支路。當(dāng)直流斷路器電壓U_C超過(guò)系統(tǒng)電壓，故障電流開(kāi)始下降，最終故障電流的電磁能量被壓敏電阻或熱容更大的避雷器所消耗。

直流電網(wǎng)的電源側(cè)通常由內(nèi)阻很小的電壓源型變流器構(gòu)成，且直流線(xiàn)路及平波電抗形成的阻抗較小，故障時(shí)多個(gè)直流電壓源均會(huì)向故障點(diǎn)注入電流，因此通常情況下，尤其在電壓源近端處，直流短路電流增長(zhǎng)很快。直流電網(wǎng)短路故障等效電路如圖1所示，可得:

AC/DC換流器用于連接交直流電網(wǎng)，發(fā)生短路故障時(shí)，應(yīng)盡量防止直流電網(wǎng)電壓大幅跌落，以維持直流電網(wǎng)的穩(wěn)定。如果換流器在短路故障發(fā)生時(shí)無(wú)法快速隔離故障點(diǎn)，那么直流電網(wǎng)電壓會(huì)因?yàn)槎搪冯娏鬟^(guò)大被迅速拉低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懙浇涣飨到y(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。為了防止直流電網(wǎng)電壓被快速拉低，需要在幾毫秒內(nèi)清除直流短路故障，因此需要研制能夠可靠且快速隔離故障線(xiàn)路的直流斷路器。

一種強(qiáng)迫換流混合式直流斷路器拓?fù)淙鐖D2所示，該拓?fù)湟肓藦?qiáng)迫換流回路。強(qiáng)迫換流回路原理具體如下:強(qiáng)迫換流支路由預(yù)充電電容Cc和儲(chǔ)能電感Lc組成，假設(shè)忽略T1管壓降，在T1觸發(fā)瞬間，強(qiáng)迫換流回路等效為二階電路，如圖3所示，電容電壓和電感電流初始值已知，并將直流系統(tǒng)電流is看做不受斷路器換流回路影響的電流源，通過(guò)計(jì)算該二階電路的全狀態(tài)響應(yīng)，得到電感電流i_L(t)表達(dá)式。為確保換流成功，需保證電流i_L在一段時(shí)間后能夠反向，進(jìn)而使電容電壓反向，將系統(tǒng)電流強(qiáng)迫換流至T2支路。

但該斷路器存在如下問(wèn)題:如果電容儲(chǔ)能過(guò)大，會(huì)造成電容產(chǎn)生較大反向電壓，那么機(jī)械開(kāi)關(guān)的電流被強(qiáng)迫換流到零后還會(huì)繼續(xù)反向增長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)弧分?jǐn)?如果電容儲(chǔ)能過(guò)小，則電容電壓無(wú)法實(shí)現(xiàn)反向，系統(tǒng)電流LG則無(wú)法被轉(zhuǎn)移至T2支路。

因此，此拓?fù)涞碾娙葜怠㈦娙蓊A(yù)充電電壓、電感值以及切斷電流四者之間需要進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)，做到參數(shù)高度匹配，否則機(jī)械開(kāi)關(guān)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)弧分?jǐn)唷Ｒ坏﹨?shù)確定，斷路器能切斷的電流值也是固定的，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要分?jǐn)嗟墓收想娏鲿?huì)根據(jù)故障類(lèi)型等因素而變化，因此無(wú)法確保機(jī)械開(kāi)關(guān)每次都做到無(wú)弧分?jǐn)唷?/p>

直流輸配電技術(shù)與交流輸配電不同，具有損耗低，不產(chǎn)生無(wú)功功率，諧波小等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此直流輸電已經(jīng)用于(超、特)高壓遠(yuǎn)距離輸電等場(chǎng)合。此外，直流網(wǎng)絡(luò)也被應(yīng)用于多端直流網(wǎng)絡(luò)、分布式直流發(fā)電及直流微電網(wǎng)等場(chǎng)合。

隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，迫切需要解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)難題，直流輸電技術(shù)為風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)提供了有效的解決方案。隨著基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，使構(gòu)建連接多個(gè)換流站的多端直流系統(tǒng)成為可能。

此外，基于分布式清潔能源的直流微電網(wǎng)在城鄉(xiāng)供電、備用電源、商用供電等方面也在逐步推廣應(yīng)用，直流微電網(wǎng)為分布式能源(distributedenergy resources ， DER)提供了高效接入方案與能量輸出方式。

直流電網(wǎng)系統(tǒng)存在著故障電流難以切斷的難題。與交流系統(tǒng)不同，直流系統(tǒng)由于缺乏自然過(guò)零點(diǎn)，因此普通交流斷路器并不完全適用于直流系統(tǒng)。

直流斷路器的快速動(dòng)作要求，不僅僅是直流系統(tǒng)的要求，也是斷路器自身的要求。因?yàn)楦L(zhǎng)的分?jǐn)鄷r(shí)間意味著斷路器要具備更大的電流分?jǐn)嗄芰臀崭嗟哪芰?，同樣意味著更高的制造成本，因此要考慮盡量縮短斷路器的固有分?jǐn)鄷r(shí)間，此分?jǐn)鄷r(shí)間包括保護(hù)裝置的故障響應(yīng)時(shí)間以及斷路器自身動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間。目前機(jī)械式直流斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間通常需要幾十毫秒，無(wú)法滿(mǎn)足直流電網(wǎng)的需要。

近年來(lái)，若干新的直流斷路器拓?fù)浔惶岢鯝BB公司提出的混合式斷路器實(shí)現(xiàn)了低損耗的同時(shí)可以在5毫秒內(nèi)清除故障電流。但是由于其通流支路依賴(lài)于全控型電力電子器件，一旦門(mén)極失電，會(huì)直接影響到正常的負(fù)荷電流。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院提出的級(jí)聯(lián)式H橋斷路器拓?fù)?，研制的樣機(jī)已實(shí)現(xiàn)3 毫秒內(nèi)切斷15 kA故障電流。

亞深工業(yè)大學(xué)提出一種強(qiáng)迫換流混合式直流斷路器拓?fù)洌送負(fù)湟肓藦?qiáng)迫換流電路，在機(jī)械開(kāi)關(guān)分開(kāi)之前將電流換流到轉(zhuǎn)移支路，此時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)可無(wú)弧分?jǐn)?，之后立刻關(guān)斷轉(zhuǎn)移支路器件，故障電流轉(zhuǎn)移至避雷器支路并下降到零，從而完成了電流分?jǐn)噙^(guò)程，但該斷路器無(wú)法確保機(jī)械開(kāi)關(guān)每次都做到無(wú)弧分?jǐn)唷?

在此基礎(chǔ)上，提出了一種新型混合式強(qiáng)迫換流直流斷路器拓?fù)?，闡述了本拓?fù)涞倪\(yùn)行方式和設(shè)計(jì)原則，進(jìn)而提出了其衍生拓?fù)?，最后通過(guò)仿真將該拓?fù)涞姆謹(jǐn)嘈阅堋?/p>

混合式直流斷路器強(qiáng)迫換流電路

換流回路可按照以下方法設(shè)計(jì):先設(shè)計(jì)電感，為了減少換流過(guò)程所需能量，電感Lc電感值應(yīng)盡量小，如微亨級(jí);然后設(shè)定換流時(shí)間以及電流動(dòng)作閾值，進(jìn)而得到回路電流下降到零的變化率，估算電容電壓初始值。

基于設(shè)定的換流時(shí)間和電感值，利用LC振蕩回路計(jì)算電容容值Cc，為確保機(jī)械開(kāi)關(guān)無(wú)弧分?jǐn)?，LC回路需在T1觸發(fā)后設(shè)定換流時(shí)間內(nèi)，電感電流發(fā)生反向，假設(shè)設(shè)定換流時(shí)間為t1，需滿(mǎn)足上式進(jìn)而得到電容取值。

通過(guò)以上方法初步得到設(shè)計(jì)參數(shù)如下:電感L_c、電容初始電壓U_co、電容值C_c，再將以上參數(shù)代入仿真模型加以驗(yàn)證。

混合式直流斷路器半導(dǎo)體選擇

在中壓或高壓應(yīng)用場(chǎng)合，半導(dǎo)體支路由若干個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體組成。IGBT一般可關(guān)斷自身4倍的額定電流，因此非常適用于大故障電流分?jǐn)鄨?chǎng)合。由于IGBT自身存在反向二極管，因此半導(dǎo)體支路需要二極管與IGBT串聯(lián)，如圖8所示。

混合式直流斷路器預(yù)充電方法

本拓?fù)渲绷鲾嗦菲餍枰粋€(gè)預(yù)充電電容，可選擇如下若干電容預(yù)充電方法:

1) DC/DC變換器:采用DC/DC變換器從直流電網(wǎng)獲取能量。如圖9所示，隔離型DC/DC變換器輸入端連接直流母線(xiàn)，輸出端為直流斷路器電容供電。此種方法適用于低壓直流系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。

2)激光送能:在高壓直流輸電應(yīng)用場(chǎng)合，由于直流電網(wǎng)電壓很高，幾乎沒(méi)有可能從直流電網(wǎng)直接獲取能量，此時(shí)可以采用激光送能的方法為電容預(yù)先充電。充電原理如圖10所示，光電池組為斷路器電容提供充電電源。

基于以上單向混合式斷路器，進(jìn)而提出一種雙向直流斷路器，如圖11所示。

與圖3所示斷路器拓?fù)洳煌O管D1被2個(gè)反并聯(lián)的晶閘管所代替，同時(shí)單向晶閘管T1替換為一對(duì)雙向反并聯(lián)的晶閘管，半導(dǎo)體支路則由反向串聯(lián)IGBT組成。如果系統(tǒng)電流方向反轉(zhuǎn)，電容電壓極性需隨之反轉(zhuǎn)，以便分?jǐn)鄷r(shí)產(chǎn)生需要的強(qiáng)迫換相電流。

直流斷路器是直流電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，直流電網(wǎng)需要依靠直流斷路器實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的迅速隔離?；旌鲜街绷鲾嗦菲鞑粌H能夠迅速切斷故障電流，還可保證斷路器機(jī)械開(kāi)關(guān)無(wú)弧分?jǐn)?。一旦斷路器半?dǎo)體器件門(mén)極突然失電，相比于某些其他直流斷路器，本斷路器可以維持電流通路，不會(huì)立刻對(duì)系統(tǒng)供電運(yùn)行造成影響，有利于降低檢修難度。

直流斷路器拓?fù)湓韽?fù)雜多樣，根據(jù)直流斷路器中關(guān)鍵開(kāi)斷器件的不同，可以將直流斷路器分為三類(lèi): 機(jī)械式直流斷路器、全固態(tài)式直流斷路器、機(jī)械開(kāi)關(guān)與固態(tài)開(kāi)關(guān)相結(jié)合的混合式直流斷路器。

高壓直流斷路器結(jié)論

直流斷路器作為迅速有效處理直流故障的關(guān)鍵設(shè)備，將在未來(lái)多端直流輸電和直流電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。直流斷路器理論和拓?fù)涞难芯考航?jīng)開(kāi)展很長(zhǎng)時(shí)間，但直流滅弧、電力電子器件串聯(lián)均壓和能量吸收等一系列問(wèn)題仍有待解決。高壓直流輸電電網(wǎng)的迅速發(fā)展對(duì)高壓直流斷路器也提出了越來(lái)越迫切的需求。從各種直流斷路器的技術(shù)特征和目前的研究水平來(lái)看，混合式直流開(kāi)斷技術(shù)和基于人工過(guò)零的直流開(kāi)斷技術(shù)是最具工程應(yīng)用潛力的方案。

高壓直流斷路器展望

高壓直流斷路器理論研究和樣機(jī)研制尚未成熟，在實(shí)際工程中還未得到廣泛應(yīng)用，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究仍存在諸多不足之處：

（1）對(duì)直流網(wǎng)絡(luò)的建模是基于簡(jiǎn)化的單向潮流模型，實(shí)際的直流輸、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，潮流方向也具有不確定性。如何建立更為詳細(xì)的系統(tǒng)模型并在此基礎(chǔ)上對(duì)故障電流特性進(jìn)行更準(zhǔn)確的描述，為直流斷路器設(shè)計(jì)提供更為可靠的依據(jù)是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

（2）在電力電子器件串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}的研究中，重點(diǎn)考察關(guān)斷過(guò)程動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}和負(fù)載側(cè)吸收電路，其他狀態(tài)下的均壓?jiǎn)栴}和柵極主動(dòng)均壓策略仍有待研究。

（3）未對(duì)直流斷路器能量吸收支路避雷器進(jìn)行詳細(xì)研究，仿真中采用通用模型，而實(shí)際中避雷器參數(shù)設(shè)置對(duì)直流斷路器可靠運(yùn)行起著關(guān)鍵作用；此外本文的研究仍處于理論分析和仿真模擬階段，下一步將開(kāi)展樣機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

混合式凝汽器，也稱(chēng)為噴射式冷凝器，用于間接空（干）冷（系統(tǒng)）。

混合式凝汽器主要靠噴嘴將循環(huán)冷卻水噴出，形成水膜與汽輪機(jī)排汽直接接觸進(jìn)行熱交換。