高壓直流斷路器技術(shù)發(fā)展與工程實(shí)踐

1、摘要：發(fā)展直流電網(wǎng)技術(shù)需要能夠快速分?jǐn)嚯娏?、?jīng)濟(jì)可靠的高壓直流斷路器解決直流故障隔離問題。通過對(duì)比直流系統(tǒng)故障隔離的幾種技術(shù)方案，表明應(yīng)用直流斷路器隔離直流故障可在保障換流設(shè)備安全的同時(shí)，有效維持系統(tǒng)中健全部分的供電持續(xù)性，是直流故障隔離較為有效的解決方案。在分析直流電網(wǎng)對(duì)高壓直流斷路器技術(shù)性能要求的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械式直流斷路器和分別基于晶閘管和絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的 2 種混合式直流斷路器的電流分?jǐn)嗵攸c(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。提出換流技術(shù)、雜散參數(shù)優(yōu)化技術(shù)、與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)是高壓直流斷路器技術(shù)發(fā)展面臨的主要

2、技術(shù)挑戰(zhàn)。最后，對(duì)高壓直流斷路器在舟山五端柔性直流輸電工程中的應(yīng)用情況和即將開展的張北直流電網(wǎng)工程進(jìn)行了介紹。0 引言柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，其獨(dú)立功率調(diào)節(jié)和靈活運(yùn)行能力，為間歇性可再生能源并網(wǎng)與消納提供了安全高效的解決方案。目前，世界范圍內(nèi)投入商業(yè)運(yùn)行的大部分柔性直流輸電工程均采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輸送方式;相較于多條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電能輸送方式，多個(gè)柔直換流站連接成網(wǎng)狀形成直流電網(wǎng)，在高壓大容量領(lǐng)域中具備更好的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和靈活性。隨著風(fēng)電、光電等可再生能源不斷開發(fā)，大規(guī)模清潔能源并網(wǎng)與跨區(qū)域電能傳輸對(duì)柔性直流電網(wǎng)的構(gòu)建與發(fā)展提出了迫切需求1-2。目前已投運(yùn)的柔性直流輸電工程大多采用模塊化多電平技術(shù)

3、(modular multi-level converter，MMC)和脈寬調(diào)制兩電平技術(shù)，這些工程均無(wú)法通過閉鎖換流閥清除直流故障，只能通過分?jǐn)嘟涣鱾?cè)斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)故障隔離。研究中采用全橋模塊或電容鉗位雙模塊3-6的換流閥帶有直流側(cè)故障清除能力，可以通過換流閥閉鎖清除直流故障。在沒有直流斷路器的情況下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)柔性直流輸電工程依靠分?jǐn)嘟涣鲾嗦菲骰蜷]鎖帶直流側(cè)故障清除能力的換流閥可實(shí)現(xiàn)直流故障清除;但以上 2 種方式在高壓大容量直流電網(wǎng)中的應(yīng)用將造成整個(gè)系統(tǒng)短時(shí)停電，難以滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。當(dāng)系統(tǒng)配置直流斷路器后，通過選擇性分?jǐn)嘀绷鲾嗦菲骺梢詫?shí)現(xiàn)故障線路的快速隔離并維持系統(tǒng)其他部分的持續(xù)運(yùn)行。直流故

4、障保護(hù)是柔性直流電網(wǎng)構(gòu)建所面臨的技術(shù)瓶頸，研制適用于柔性直流電網(wǎng)應(yīng)用的直流斷路器，保證直流電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，是直流電網(wǎng)建設(shè)必須突破的技術(shù)難題7。與交流系統(tǒng)相比，直流故障電流缺乏自然零點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)其可靠開斷，需要人工創(chuàng)造電流零點(diǎn)，同時(shí)還需要吸收儲(chǔ)存于直流系統(tǒng)感性元件中的巨大能量，因此直流斷路器的設(shè)計(jì)較交流斷路器難度大為增加。此外，柔性直流電網(wǎng)故障擴(kuò)展快、電流上升快，對(duì)換流站等設(shè)備沖擊大，為保障設(shè)備安全一般在數(shù)毫秒全網(wǎng)換流站將會(huì)閉鎖退出運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)健全區(qū)域持續(xù)運(yùn)行，直流斷路器需要在數(shù)毫秒內(nèi)完成分?jǐn)?。在直流斷路器的多種技術(shù)路線中，綜合采用機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)的混合式直流斷路器以其顯著的技術(shù)

5、優(yōu)勢(shì)成為高壓直流斷路器研制的主流9-10。ABB 公司于 2011 年研制了 80kV 3ms 分?jǐn)?8.5kA 基于絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)直接串聯(lián)的混合式直流斷路器樣機(jī)8。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院于 2014年完成了 200kV 3ms分?jǐn)?5kA 的級(jí)聯(lián)全橋型混合式直流斷路器樣機(jī)研制11，并于 2016 年實(shí)現(xiàn)高壓直流斷路器首個(gè)工程示范。本文首先分析直流電網(wǎng)特點(diǎn)和故障隔離的需求，并對(duì)各種直流故障隔離實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分析和比較?；谥绷麟娋W(wǎng)對(duì)直流斷路器的技術(shù)要求，對(duì)各種技術(shù)路線直流斷路器的特性和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，提出了高壓直

6、流斷路器所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。最后，對(duì)高壓直流斷路器在舟山的工程應(yīng)用情況和即將開展的張北直流電網(wǎng)工程進(jìn)行了介紹。1 直流電網(wǎng)故障隔離技術(shù)當(dāng)直流輸電系統(tǒng)從端對(duì)端發(fā)展到多端，并將直流傳輸線路在直流側(cè)互連起來(lái)，形成獨(dú)立的直流網(wǎng)絡(luò)，便構(gòu)成了直流電網(wǎng)，而交流系統(tǒng)通過換流站與直流電網(wǎng)連接2。一種典型的四端直流電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D 1 所示。直流電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于同樣數(shù)量的線路，換流站數(shù)量大大減少，且直流系統(tǒng)擁有更多冗余，即使一條線路停運(yùn)，仍然可以利用其他線路保證供電。然而要發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì)，需首先解決直流系統(tǒng)故障隔離問題。即當(dāng)直流線路發(fā)生故障，在導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)前，能夠?qū)㈦娋W(wǎng)中的故障點(diǎn)快速隔離，是發(fā)展直流電網(wǎng)的重要前提和

7、關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)7。如果不能像交流電網(wǎng)那樣及時(shí)有效地清除故障點(diǎn)，將很難保證系統(tǒng)的可靠性和可用率。同時(shí)，由于直流系統(tǒng)為弱阻尼系統(tǒng)，慣量小，故障發(fā)展速度快，故障隔離的難度相對(duì)交流系統(tǒng)要高很多。目前主要的故障隔離方法有依靠交流斷路器隔離，依靠閉鎖帶故障清除能力的換流閥隔離和分?jǐn)嘀绷鲾嗦菲鞲綦x。1.1 交流斷路器隔離故障已經(jīng)投運(yùn)的柔性直流輸電工程主要采用基于全控器件 IGBT的兩電平或半橋 MMC換流閥技術(shù)。如圖 2 所示，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障換流閥閉鎖后，交流電流將通過換流閥中 IGBT 反并聯(lián)二極管續(xù)流，從而導(dǎo)致柔性直流系統(tǒng)無(wú)法依靠換流閥自身來(lái)清除直流側(cè)故障。目前柔性直流輸電工程普遍通過分?jǐn)嘟涣鲾嗦菲?/p>

8、來(lái)隔離直流故障。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障后，直接分?jǐn)嘞到y(tǒng)中所有的交流斷路器，待直流側(cè)電流衰減到零后，分?jǐn)喙收暇€路兩側(cè)隔離開關(guān)隔離故障線路，再重新合交流斷路器重啟系統(tǒng)12。該方法在沒有直流故障電流分?jǐn)嘣O(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)了換流設(shè)備的保護(hù)，舟山五端和南澳三端柔性直流工程初期均采用該故障隔離方法。然而采用該方法會(huì)使得直流系統(tǒng)局部故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停運(yùn)，造成區(qū)域供電的中斷，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)13提出在換流器橋臂中增加阻尼模塊，加速故障電流的衰減，以提高該方法的系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間，但仍無(wú)法徹底避免供電的中斷。1.2 帶故障清除能力的換流閥在柔性直流輸電系統(tǒng)中，采用帶故障清除能力的模塊來(lái)代替半橋模塊，可以實(shí)

9、現(xiàn)直流側(cè)故障的清除和隔離。如采用全橋模塊或圖 3 所示的電容鉗位雙子模塊等形式3-6。發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)，通過主動(dòng)閉鎖換流閥，利用二極管的單向?qū)щ娦?，使子模塊儲(chǔ)能電容對(duì)故障回路提供反向電動(dòng)勢(shì)并吸收故障回路的能量，無(wú)論故障電流是哪個(gè)方向都將對(duì)子模塊電容充電并迅速衰減，從而實(shí)現(xiàn)故障回路的阻斷。當(dāng)直流側(cè)電流下降到零后，再將故障線路兩側(cè)的隔離開關(guān)分?jǐn)?，將故障線路隔離，最后將換流站重新解鎖，恢復(fù)運(yùn)行。采用該方式雖然實(shí)現(xiàn)了故障線路的隔離，但需要閉鎖直流網(wǎng)絡(luò)中的所有換流閥，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)功率短暫缺失。閉鎖的時(shí)間主要取決于直流側(cè)隔離開關(guān)的分?jǐn)鄷r(shí)間。對(duì)于圖 1 所示的直流電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，換流站是整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的功率來(lái)源和

10、負(fù)載接口，當(dāng)任意一條直流線路故障時(shí)，圖中所有換流閥都需要閉鎖，相當(dāng)于切除了所有電源和負(fù)荷。這樣將不能發(fā)揮直流電網(wǎng)線路冗余帶來(lái)的可靠性優(yōu)勢(shì)。1.3 直流斷路器隔離故障實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)故障隔離的另一種方式是借鑒交流電網(wǎng)的思路，先由繼電保護(hù)系統(tǒng)判斷出故障地點(diǎn)，然后由高壓直流斷路器隔離故障線路。通過在換流站出口以及直流線路兩側(cè)配置直流斷路器，如圖 4 所示，可在數(shù)毫秒內(nèi)完成直流故障的隔離，保障直流系統(tǒng)中換流閥的持續(xù)運(yùn)行。當(dāng)直流電網(wǎng)中單條線路被隔離時(shí)，該線路輸送的功率可由其他直流線路代傳，避免了電能輸送的中斷。該技術(shù)方式能夠從根本上解決柔性直流系統(tǒng)直流故障清除和隔離的問題。綜上分析可以得到，依靠交流斷路器分

11、斷后隔離線路的方案實(shí)際已經(jīng)造成整個(gè)系統(tǒng)的停運(yùn)，并未實(shí)現(xiàn)直流線路的故障隔離，通過配置帶故障隔離能力的換流閥來(lái)切除“電源”的方式實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)故障清除和隔離，會(huì)造成直流系統(tǒng)功率全部缺失，這對(duì)于高壓大容量直流輸電網(wǎng)絡(luò)而言將是難以接受的?？梢姡捎酶邏褐绷鲾嗦菲鲗?shí)現(xiàn)故障隔離將是未來(lái)直流電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。3 種故障隔離方式技術(shù)對(duì)比分析，如表 1 所示。2 高壓直流斷路器的技術(shù)發(fā)展2.1 直流電網(wǎng)對(duì)直流斷路器的技術(shù)要求高壓直流斷路器實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)故障隔離，應(yīng)能夠在出現(xiàn)故障的直流線路中產(chǎn)生電流過零點(diǎn)，并在直流電流分?jǐn)噙^程中，吸收直流系統(tǒng)感性元件儲(chǔ)存以及交流系統(tǒng)注入的能量，同時(shí)抑制暫態(tài)分?jǐn)噙^電壓，降低系統(tǒng)設(shè)備的絕緣

12、耐受水平。快速分?jǐn)嗍侵绷麟娋W(wǎng)對(duì)直流斷路器的最核心要求。直流電網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念中，當(dāng)單條直流線路出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)由線路兩端的直流斷路器快速分?jǐn)喔綦x故障線路，而故障線路兩側(cè)的換流站持續(xù)運(yùn)行。由于柔性直流系統(tǒng)阻尼低，所產(chǎn)生的直流側(cè)短路電流上升率和幅值很高，直流斷路器分?jǐn)嗨俣仍铰瑩Q流閥因過電流閉鎖的可能性越大，直流斷路器分?jǐn)嗨褪艿碾姛釕?yīng)力也將越苛刻，斷路器的設(shè)計(jì)難度和成本也越高。此外，換流閥還會(huì)因故障過程中直流電壓的快速跌落而閉鎖，該時(shí)間受直流斷路器分?jǐn)鄷簯B(tài)電壓的影響。在保障直流斷路器能夠快速可靠地實(shí)現(xiàn)直流故障清除的前提下，直流斷路器還應(yīng)從工程實(shí)際需求出發(fā)，考慮經(jīng)濟(jì)性、靈活性和擴(kuò)展性等問題。直流斷路器長(zhǎng)

13、時(shí)運(yùn)行于直流系統(tǒng)中，且其在大容量直流輸電網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)量將超出換流閥，其運(yùn)行損耗必須設(shè)計(jì)在較低的水平，保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性;直流斷路器應(yīng)還具備雙向?qū)ê头謹(jǐn)嚯娏髂芰?，以滿足系統(tǒng)靈活潮流調(diào)節(jié)需求;目前直流輸電網(wǎng)絡(luò)的電壓等級(jí)序列尚未明確，直流斷路器還應(yīng)具備模塊化設(shè)計(jì)，降低自身體積，保障良好的擴(kuò)展性和兼容性，以滿足不同電壓等級(jí)序列的直流系統(tǒng)應(yīng)用需求。2.2 機(jī)械式直流斷路器20 世紀(jì) 80 年代，歐洲 BBC 公司制造了用于太平洋聯(lián)絡(luò)線的 500kV/2kA 自激振蕩型機(jī)械式直流斷路器14。該技術(shù)利用傳統(tǒng)交流斷路器電弧弧壓與并聯(lián)電容、電感諧振的方式創(chuàng)造零點(diǎn)，拓?fù)浞桨溉鐖D 5 所示，CB 為交流斷路器，諧

14、振電感 L 和諧振電容 C 構(gòu)成諧振電路，MOV 為金屬氧化物避雷器。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行損耗低;但交流斷路器長(zhǎng)達(dá)數(shù)十毫秒的分?jǐn)嗨俣纫约皵嗦菲髯陨砘芈分C振特性，使得該方案存在分?jǐn)鄷r(shí)間長(zhǎng)、分?jǐn)嚯娏餍〉炔蛔?，由于其只能分?jǐn)嘭?fù)載電流而無(wú)法開斷短路電路，又將該類型直流斷路器稱為高壓直流轉(zhuǎn)換開關(guān)，現(xiàn)主要應(yīng)用于常規(guī)直流輸電系統(tǒng)正常負(fù)荷電流的轉(zhuǎn)移。隨著快速開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將傳統(tǒng)交流斷路器配置電磁斥力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)采用有源注入的方式創(chuàng)造人工零點(diǎn)，能夠大幅提升機(jī)械式斷路器分?jǐn)嗨俣群头謹(jǐn)嗄芰?，文獻(xiàn)15-16提出了有源注入的機(jī)械式直流斷路器，如圖 6 所示。該斷路器分?jǐn)嗲?，需要由直流電源通過充電控制開關(guān) K1向諧振電容

15、充電。分?jǐn)噙^程中先分?jǐn)鄼C(jī)械斷路器 CB，在其產(chǎn)生足夠開距能夠耐受分?jǐn)噙^電壓后，再通過閉合諧振回路開關(guān) K2 使諧振電容 C經(jīng)諧振電感 L 向機(jī)械斷路器 CB 注入反向電流實(shí)現(xiàn)電流過零。機(jī)械斷路器電流過零后電弧熄滅，短路電流對(duì)電容 C 充電直至避雷器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電流分?jǐn)唷Ｔ摂嗦菲鲀?nèi)部換流過程如圖 7 所示。機(jī)械式直流斷路器具備明顯的成本優(yōu)勢(shì)，但其在系統(tǒng)應(yīng)用方面也存在系列技術(shù)問題需要解決，包含斷路器使用壽命，小電流下的可靠關(guān)斷、輔助電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。此外，實(shí)現(xiàn)機(jī)械式直流斷路器雙向分?jǐn)鄬⑦M(jìn)一步使得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。2.3 基于晶閘管的混合式斷路器20 世紀(jì) 80 年代未，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，為提高機(jī)械

16、式斷路器的分?jǐn)嗨俣?，開始有文獻(xiàn)提出將半導(dǎo)體器件與機(jī)械開關(guān)相結(jié)合的混合式直流斷路器拓?fù)?7-20。由于晶閘管器件通流能力強(qiáng)，耐壓高，在高壓大功率場(chǎng)合應(yīng)用廣泛，各種基于晶閘管的混合式直流斷路器相繼被提出。文獻(xiàn)21提出了一種采用晶閘管的混合式直流斷路器拓?fù)?，如圖 9 所示，共分為 4 條支路，支路1 為通流支路，支路 2 和支路 3 為轉(zhuǎn)移支路，支路4 為耗能支路。該方案采用 IGBT 閉鎖創(chuàng)造通流支路電流人工過零點(diǎn)，而轉(zhuǎn)移支路主要由晶閘管閥和電容構(gòu)成。支路 2 中采用低壓大電容 C1、C2，用于抑制快速開關(guān)分?jǐn)噙^程中的電壓上升速率，并在電容兩端并聯(lián)避雷器 MOV1 和 MOV2，將電壓可靠限制在較

17、低的幅值，由于快速開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)，支路2 采用 2 組并聯(lián)支路來(lái)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)分?jǐn)嗥陂g的電壓限制，且先導(dǎo)通的支路 2a 的避雷器 MOV1 的動(dòng)作電壓要低于后導(dǎo)通支路 2b 的避雷器 MOV2 的動(dòng)作電壓。當(dāng)快速開關(guān)完成分?jǐn)嗪螅瑒t觸發(fā)晶閘管閥 T4，支路 2 中的電容向支路 3 放電，利用反向注入電流的方式強(qiáng)迫晶閘管閥 T1關(guān)斷，短路電流對(duì)支路 3 中的高壓小電容 C3 充電，斷路器電壓迅速上升直至避雷器 MOV3 動(dòng)作，分?jǐn)喽搪冯娏?。該斷路器分?jǐn)噙^程中內(nèi)部換流過程如圖 10 所示。該方案采用 IGBT 閉鎖創(chuàng)造通流支路電流人工過零點(diǎn)，而轉(zhuǎn)移支路主要由晶閘管閥和電容構(gòu)成。支路 2 中采

18、用低壓大電容 C1、C2，用于抑制快速開關(guān)分?jǐn)噙^程中的電壓上升速率，并在電容兩端并聯(lián)避雷器 MOV1 和 MOV2，將電壓可靠限制在較低的幅值，由于快速開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)間達(dá)到毫秒級(jí)，支路2 采用 2 組并聯(lián)支路來(lái)共同實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)分?jǐn)嗥陂g的電壓限制，且先導(dǎo)通的支路 2a 的避雷器 MOV1 的動(dòng)作電壓要低于后導(dǎo)通支路 2b 的避雷器 MOV2 的動(dòng)作電壓。當(dāng)快速開關(guān)完成分?jǐn)嗪螅瑒t觸發(fā)晶閘管閥 T4，支路 2 中的電容向支路 3 放電，利用反向注入電流的方式強(qiáng)迫晶閘管閥 T1關(guān)斷，短路電流對(duì)支路 3 中的高壓小電容 C3 充電，斷路器電壓迅速上升直至避雷器 MOV3 動(dòng)作，分?jǐn)喽搪冯娏鳌Ｔ摂嗦菲鞣謹(jǐn)噙^程中

19、內(nèi)部換流過程如圖 10 所示。2.4 基于 IGBT 的混合式斷路器全控型半導(dǎo)體器件 IGBT 具備自關(guān)斷能力，利用其可關(guān)斷特性插入阻抗，能可靠地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流。基于所述原理文獻(xiàn)8提出了一種采用 IGBT 直接串聯(lián)技術(shù)的混合式直流斷路器拓?fù)?，如圖 12所示。用其可關(guān)斷特性插入阻抗，能可靠地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流?；谒鲈砦墨I(xiàn)8提出了一種采用 IGBT 直接串聯(lián)技術(shù)的混合式直流斷路器拓?fù)?，如圖 12所示。該拓?fù)溆?ABB 公司提出，并于 2011 年完成了額定電壓 80kV、額定電流 2kA、分?jǐn)鄷r(shí)間 5ms、分?jǐn)嚯娏?8.5kA 的樣機(jī)研制，如圖 14 所示。文獻(xiàn)11提出了一種采用全橋模塊級(jí)聯(lián)的混合式

20、直流斷路器拓?fù)?，如圖 15 所示。正常運(yùn)行時(shí)，全橋模塊處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)荷電流經(jīng)上下橋臂流通;系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過 2 次換流實(shí)現(xiàn)電流分?jǐn)?。?1 次換流發(fā)生于主支路與轉(zhuǎn)移支路之間，主支路全橋模塊閉鎖，而轉(zhuǎn)移支路處于導(dǎo)通狀態(tài)，換流完成后快速機(jī)械開關(guān)分?jǐn)?第 2 次換流發(fā)生于轉(zhuǎn)移支路與避雷器支路之間，快速開關(guān)完全分?jǐn)嗪?，由大量全橋模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成的轉(zhuǎn)移支路閉鎖，短路電流對(duì)模塊電容充電直至避雷器保護(hù)動(dòng)作，完成換流，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所存儲(chǔ)感性能量耗散。基于 IGBT 直接串聯(lián)和全橋模塊級(jí)聯(lián)的混合式直流斷路器在原理上相似，但也存在技術(shù)差異。全橋模塊級(jí)聯(lián)方案能夠顯著降低 IGBT 關(guān)斷過程中電熱應(yīng)力以及關(guān)斷時(shí)所耐受

21、的電壓變化率，有利于提高單個(gè)器件的分?jǐn)嚯娏髂芰?，并易于?shí)現(xiàn)各級(jí)IGBT 之間動(dòng)態(tài)均壓，提高了應(yīng)用可靠性。雖然相同電壓等級(jí)下，全橋模塊級(jí)聯(lián)型混合式直流斷路器IGBT 器件是直接串聯(lián)拓?fù)涞?2 倍，但分?jǐn)嚯娏髂芰σ蔡岣吡?2 倍。采用圖 16 所示二極管橋式換流模塊代替轉(zhuǎn)移支路的全橋模塊，可將轉(zhuǎn)移支路的 IGBT 數(shù)量減少1/211。全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院采用該方案研制了額定電壓 535kV，分?jǐn)鄷r(shí)間 2.5ms，分?jǐn)嚯娏?25kA 的直流斷路器樣機(jī)。文獻(xiàn)22采用由 4 串二極管構(gòu)成的全橋和 1 串單向串聯(lián) IGBT 替換 IGBT 直接串聯(lián)拓?fù)渲械?1 串雙向串聯(lián) IGBT，同樣將轉(zhuǎn)移支路的 IG

22、BT 數(shù)量減少 1/2。南瑞集團(tuán)采用該拓?fù)溲兄屏祟~定電壓35kV、分?jǐn)鄷r(shí)間 3ms、分?jǐn)嚯娏?25kA 的直流斷路器樣機(jī)。針對(duì)多端直流和直流電網(wǎng)應(yīng)用，當(dāng)單個(gè)換流站連接多條直流線路時(shí)，需要裝配多套直流斷路器，文獻(xiàn)23將多套基于 IGBT 的混合式直流斷路器的主支路和轉(zhuǎn)移支路重新組合，減少了功率器件的數(shù)量，同時(shí)提高了斷路器的容錯(cuò)能力。文獻(xiàn)24通過在換流器旁邊并聯(lián)輔助放電開關(guān)，并在分?jǐn)喙收想娏鬟^程中導(dǎo)通并聯(lián)輔助開關(guān)，將故障電流轉(zhuǎn)移，再分?jǐn)喑咚贆C(jī)械開關(guān)。一個(gè)換流站只需要配置一套并聯(lián)輔助開關(guān)，減少了半導(dǎo)體器件的數(shù)量，但由于分?jǐn)噙^程中相當(dāng)于將整個(gè)換流站旁路，造成了直流電網(wǎng)供電的中斷。3 高壓直流斷路器關(guān)

23、鍵技術(shù)挑戰(zhàn)面對(duì)多端直流和直流電網(wǎng)對(duì)高壓直流斷路器的高通流能力、快速分?jǐn)唷⒏呖煽啃缘确矫娴囊?，需要針?duì)高壓直流斷路器的電氣拓?fù)浜驮囼?yàn)方法開展深入研究。1)換流方式。各種類型的高壓直流斷路器均需要將故障電流在不同特性的回路中進(jìn)行一次甚至多次換流，以實(shí)現(xiàn)電流的分?jǐn)?。換流方式的可靠性從根本上決定著斷路器分?jǐn)嗟目煽啃?，而換流時(shí)間也是影響分?jǐn)鄷r(shí)間的重要因素。利用全控型器件快速阻斷回路是目前比較理想的換流方式，但全控型器件成本較高，并且目前針對(duì) 500kV/3000kA 柔性直流輸電系統(tǒng)的直流斷路器應(yīng)用，已達(dá)到了全控型器件的承受極限。如果全控型器件參數(shù)沒有大的提升，更高分?jǐn)嗳萘康闹绷鲾嗦菲鲗⒉坏貌徊捎闷渌?/p>

24、器件(或設(shè)備)及相應(yīng)的換流方式。比較典型的換流方式還有弧壓自然換流、反向注入電流強(qiáng)迫換流等。此外，在分?jǐn)噙^程中通過逐級(jí)換流串入避雷器來(lái)限制電流上升率，可在分?jǐn)鄷r(shí)間不變的情況下，降低電流峰值25-26。開展直流電流分?jǐn)嗪蛽Q流機(jī)理研究，提出更為快速、可靠、易于實(shí)現(xiàn)的換流方式，發(fā)現(xiàn)具備更優(yōu)綜合性能的拓?fù)湫问?，?duì)直流斷路器技術(shù)發(fā)展具有重要意義。2)雜散參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。直流斷路器依靠避雷器限制設(shè)備的過電壓水平，當(dāng)設(shè)備電壓達(dá)到避雷器保護(hù)水平時(shí)，避雷器阻抗迅速下降，電流從其他支路快速向避雷器支路中轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生了極高的電流變化率，并在回路雜散電感上產(chǎn)生了較高的暫態(tài)電壓，該電壓與避雷器電壓相疊加，增大了斷路器設(shè)備的

25、暫態(tài)過電壓水平。隨著電壓等級(jí)的提高，混合式直流斷路器中器件串聯(lián)級(jí)數(shù)在增加，斷路器的體積也在增大，雜散電感的作用更加明顯。此外，雜散電感還延長(zhǎng)了斷路器各支路間的換流時(shí)間，對(duì)斷路器的整體分?jǐn)鄷r(shí)間造成影響。因此，在對(duì)斷路器電壓等級(jí)進(jìn)行提升時(shí)，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，減少換流回路的雜散電感。3)斷路器與系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合。目前直流斷路器研究主要集中于斷路器設(shè)備自身技術(shù)研究上，直流斷路器的功能需求也來(lái)自于假定的直流系統(tǒng)。實(shí)際上，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，綜合考慮系統(tǒng)與直流斷路器協(xié)調(diào)配合設(shè)計(jì)，不僅有利于直流斷路器的研制，同時(shí)也有利于提高系統(tǒng)整體運(yùn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。直流系統(tǒng)中短路電流發(fā)展快，一方面對(duì)斷路器分?jǐn)嗨俣群头謹(jǐn)嗄芰μ岢隽艘?/p>

26、求，另一方面對(duì)換流閥也造成了極大沖擊，發(fā)生離換流站出口距離較近的短路故障，換流閥將幾乎瞬時(shí)閉鎖退出運(yùn)行。因此，可以考慮在不顯著影響系統(tǒng)暫態(tài)調(diào)節(jié)性能的前提下，在直流線路中配置限流電抗器或者限流裝置，既能提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，也能降低斷路器的設(shè)計(jì)難度。參照交流系統(tǒng)，斷路器動(dòng)作應(yīng)以選擇性分?jǐn)嗝顬榛A(chǔ)，因此直流系統(tǒng)中快速故障選線技術(shù)的突破對(duì)于直流斷路器在系統(tǒng)中的應(yīng)用性能至關(guān)重要。直流斷路器是作為一個(gè)開關(guān)裝置，等待系統(tǒng)分?jǐn)嗝疃鴦?dòng)作，還是能夠依靠自身信號(hào)檢測(cè)而選擇性動(dòng)作，需要結(jié)合系統(tǒng)方案、故障定位技術(shù)以及系統(tǒng)與斷路器協(xié)同控制策略等因素綜合設(shè)計(jì)。4)直流斷路器試驗(yàn)技術(shù)。直流斷路器作為新型電力裝備，目前國(guó)

27、際上尚無(wú)相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其等效分?jǐn)嘣囼?yàn)、絕緣試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)分?jǐn)嘣囼?yàn)方法都有待深入研究，以建立直流斷路器試驗(yàn)等效評(píng)價(jià)體系與試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)直流斷路器是否滿足實(shí)際應(yīng)用的能力。等效分?jǐn)嘣囼?yàn)。交流斷路器分?jǐn)噙^程中電流過零后再產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，分?jǐn)噙^程中斷路器能量損耗較小，分?jǐn)嘣囼?yàn)中可通過大電流源和高電壓源進(jìn)行合成試驗(yàn)來(lái)等效實(shí)際的分?jǐn)鄳?yīng)力。而直流斷路器分?jǐn)噙^程中先建立起暫態(tài)分?jǐn)噙^電壓并維持?jǐn)?shù)毫秒直到電流過零，存在高電壓與大電流疊加過程，并在斷路器的避雷器中消耗大量熱量27-28。等效試驗(yàn)中，如果對(duì)斷路器消耗的熱量進(jìn)行直接等效，需要采用非常龐大的高壓電容器組或者發(fā)電機(jī)才能提供。對(duì)于轉(zhuǎn)移支路由多個(gè)閥段串聯(lián)

28、構(gòu)成的混合式直流斷路器，由于每個(gè)閥段由避雷器限制電壓，彼此間相互獨(dú)立，可對(duì)單個(gè)閥段開展等效分?jǐn)嘣囼?yàn)，降低試驗(yàn)容量要求。然而未采用模塊化設(shè)計(jì)的機(jī)械式斷路器無(wú)法通過該方法來(lái)降低分?jǐn)嗳萘俊？梢姡绷鲾嗦菲鞯刃Х謹(jǐn)嘣囼?yàn)對(duì)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)容量提出了苛刻的要求。如何設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)有效的試驗(yàn)方案需要繼續(xù)研究。操作沖擊試驗(yàn)。在進(jìn)行等效分?jǐn)嘣囼?yàn)前，斷路器需要進(jìn)行操作沖擊試驗(yàn)，單獨(dú)考核斷路器的絕緣性能。然而，基于 IGBT 的混合式直流斷路器為便于器件或模塊均壓，并降低分?jǐn)噙^程中的過沖，在器件或模塊中都并聯(lián)著容值較大的電容。由于常規(guī)的操作沖擊裝置容量有限，很難將沖擊波形施加到斷路器上。針對(duì)不同的斷路器設(shè)備，如何測(cè)試設(shè)備的

29、絕緣性能需要進(jìn)行研究?，F(xiàn)場(chǎng)分?jǐn)嘣囼?yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的直流線路故障電流分?jǐn)嘣囼?yàn)是對(duì)直流斷路器分?jǐn)嗄芰Φ淖罱K考核。由于采用半橋 MMC 拓?fù)涞娜嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)在發(fā)生直流線路短路故障時(shí)，電流上升快、峰值高，且不能通過閉鎖換流閥阻斷電流，如果直流斷路器分?jǐn)嗍?，將?duì)換流閥及直流斷路器本身都將造成很大沖擊。此外，由于國(guó)內(nèi)外尚未針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)開展過人工短路試驗(yàn)，目前的保護(hù)策略主要基于理論計(jì)算和仿真分析，并未得到實(shí)踐驗(yàn)證。直流斷路器的現(xiàn)場(chǎng)分?jǐn)嘣囼?yàn)方法及后備保護(hù)措施仍需要開展研究和實(shí)踐。4 高壓直流斷路器的工程應(yīng)用2016 年 12 月 29 日，采用全橋模塊級(jí)聯(lián)的混合式直流斷路器在舟山五端柔性直流輸電工程中

30、完成 168h 試運(yùn)行后，正式投入商業(yè)運(yùn)行，標(biāo)志著高壓直流斷路器首次實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。舟山±200kV 5 端柔性直流輸電工程自 2014 年投入運(yùn)行以來(lái)，增強(qiáng)了舟山電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的接納能力，提高了各島嶼的供電可靠性。但也存在著直流故障無(wú)法快速清除，換流站無(wú)法單站投退等技術(shù)問題，單個(gè)換流站的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè) 5端柔直系統(tǒng)的停運(yùn)。2016 年在舟定站正負(fù)極平波電抗器出口處各加裝了一臺(tái)直流斷路器，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖 17 所示，設(shè)備額定電壓 200kV，分?jǐn)鄷r(shí)間 3ms，分?jǐn)嚯娏?5kA。現(xiàn)場(chǎng)開展了帶電合閘、單站投入、電流分?jǐn)嗟日{(diào)試試驗(yàn)項(xiàng)目，并完成了 168h 帶電運(yùn)行試驗(yàn)。加裝直流斷路器后，實(shí)現(xiàn)了舟

31、定站的帶電單站投退和直流側(cè)故障快速隔離功能，提高柔直系統(tǒng)的供電可靠性和靈活性。5 結(jié)論當(dāng)直流傳輸線路在直流側(cè)互連起來(lái)形成直流電網(wǎng)，將為新能源接入提供更靈活、更可靠的解決方案，但首先需要解決直流故障隔離問題。本文對(duì)直流電網(wǎng)的故障隔離技術(shù)進(jìn)行分析和對(duì)比，其中應(yīng)用直流斷路器的直流故障隔離技術(shù)在保障換流設(shè)備安全的同時(shí)，有效減少了供電系統(tǒng)的中斷，保障了系統(tǒng)供電的持續(xù)性，能夠滿足直流電網(wǎng)的故障隔離需求。本文分析了機(jī)械式以及分別基于晶閘管和IGBT 的混合式直流斷路器的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，機(jī)械式直流斷路器在成本上有很大優(yōu)勢(shì)，并且通過電流強(qiáng)迫注入的方式提高了分?jǐn)嘈阅?，縮小了與實(shí)際工程需求的差距?；诰чl管的混

32、合式直流斷路器成本也較低，分?jǐn)嗳萘刻嵘臻g較大，研究重點(diǎn)是換流原理的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)集成度的提高?；贗GBT 的混合式直流斷路器換流原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，并首先實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，但成本仍較高。高壓直流斷路器技術(shù)的發(fā)展和推廣，需要進(jìn)一步對(duì)斷路器支路間換流方式，雜散參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，斷路器與系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合以及斷路器試驗(yàn)技術(shù)等方面開展研究。參考文獻(xiàn)1 何俊佳，袁召，趙文婷，等.直流斷路器技術(shù)發(fā)展綜述J.南方電網(wǎng)技術(shù)，2015，9(2)：9-15.He Junjia，Yuan Zhao，Zhao Wenting，et al.Review of DC circuit breaker technology develo

33、pmentJ . Southern Power System Technology，2015，9(2)：9-15(in Chinese).2 溫家良，吳銳，彭暢，等.直流電網(wǎng)在中國(guó)的應(yīng)用前景分析J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(13)：7-12.Wen Jialiang，Wu Rui，Peng Chang，et al.Analysis of DC grid prospects in ChinaJ.Proceedings of the CSEE，2012，32(13)：7-12(in Chinese).3 許烽，徐政，張哲任，等.基于降損調(diào)制技術(shù)的全橋 MMC 電容電壓無(wú)需排序均衡控制J.電

34、網(wǎng)技術(shù)，2013，37(12)：3347-3355.Xu Feng, Xu Zheng, Zhang Zheren.et al.Reduced loss modulation based capacitor voltage non-sorting balancing control for full-bridge MMCJ.Power System Technology，2013，37(12)：3347-3355(in Chinese).4 Marquardt R.Modular multilevel converter topologies with DC-short circuit cur

35、rent limitationC/8th International Conference on Power Electronics-ECCE Asia.Jeju，Korea：IEEE，2011：1425-1431.5 薛英林，徐政.C-MMC 直流故障穿越機(jī)理及改進(jìn)拓?fù)浞桨窲.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(21)：63-70.Xue Yinglin，Xu Zheng.DC fault ride-through mechanism and improved topology scheme of C-MMCJ.Proceedings of the CSEE，2013，33(21)：63-70

36、(in Chinese).6 向往，林衛(wèi)星，文勁宇，等.一種能夠阻斷直流故障電流的新型 子模塊拓?fù)浼盎旌闲湍K化多電平換流器J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(29)：5171-5179.Xiang Wang，Lin Weixing，Wen Jinyu，et al.A new topology of sub-modules with DC fault current blocking capability and a new type of hybrid MMC converterJ.Proceedings of the CSEE，2014，34(29)：5171-5179(in Chine

37、se).7 湯廣福，羅湘，魏曉光.多端直流輸電與直流電網(wǎng)技術(shù)J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(10)：8-17.Tang Guangfu，Luo Xiang，Wei Xiaoguang.Multi-terminal HVDC and DC-grid technologyJ.Proceedings of the CSEE，2013，33(10)：8-17(in Chinese).8 Häfner J，Jacobson B.Proactive hybrid HVDC breakers-a keyinnovation for reliable HVDC gridsC/CIGRE Sym

38、posium，Bologna，Italy，2011：264.9 Meyer C，Kowal M，De Doncker R W.Circuit breaker concepts for future high-power dc-applicationsC/Fourtieth IAS Annual Meeting Industry Applications Conference.USA：IEEE，2005：860-866.10 溫家良，葛俊，潘艷，等.直流電網(wǎng)用電力電子器件發(fā)展與展望J.電網(wǎng)技術(shù)，2016，40(3)：663-669. Wen Jiangliang，Ge Jun，Pan Yan，e

39、t al.Development and expectation of power electronic devices for DC gridJ.Power System Technology，2016，40(3)：663-669(in Chinese).11 魏曉光，高沖，羅湘，等.柔性直流輸電網(wǎng)用新型高壓直流斷路器設(shè)計(jì)方案J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(15)：95-102.Wei Xiaoguang，Gao Chong，Luo Xiang，et al.A novel design of high-voltage DC circuit breaker in HVDC flexible

40、 transmission grid J.Automation of Electric Power Systems，2013，37(15)：95-102(in Chinese).12 Tang L X，Ooi B T.Locating and isolating DC faults in multi-terminal DC systemJ.IEEE Transaction on Power Delivery，2007，22(3)：1877-1884.13 闕波，李繼紅，汪楠楠，等.基于橋臂阻尼的柔性直流故障快速恢復(fù)方案J.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40(24)：85-91.Qu Bo，Li J

41、ihong，Wang Nannan，et al.Arm damping based quickrecovery scheme for flexible HVDC faultJ.Automation of Electric Power Systems，2016，40(24)：85-91(in Chinese).14 Bachmann B，Mauthe G，Ruoss E，et al.Development of A 500kVairblast HVDC circuit breakerJ. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1985，

42、104(9)：2460-2466.15 Eriksson T，Backman M，Halén S.A low loss mechanical HVDC breaker for HVDC grid applicationsC/CIGRE Session.Paris：2014：B4-303.16 Tahata K，Oukaili S E，Kamei K，et al.HVDC circuit breakers for HVDC grid applicationsC/IET International Conference on AC and DC Power Transmission.IE

43、T，2015：1-9.17 周萬(wàn)迪，魏曉光，高沖，等.基于晶閘管的混合型無(wú)弧高壓直流斷路器J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(18)：2990-2996.Zhou Wandi，Wei Xiaoguang，Gao Chong，et al.Thyristor base dhybrid arc-less high voltage direct current circuit breakerJ .Proceedings of the CSEE，2014，34(18)：2990-2996 (in Chinese).18 Van Gelder P, Ferreira J A.Zero volt swit

44、ching hybrid DC circuit breakersC/2000 IEEE Industry Applications Conference .Thirty-Fifth IAS Annual Meeting and World Conference on Industrial Applications of Electrical Energy，Rome，2000：2923-2927.19 彭振東，任志剛，姜楠，等.新型直流固態(tài)限流斷路器設(shè)計(jì)與分析J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，37(4)：1028-1037.Peng Zhendong，Ren Zhigang，Jiang Nan，e

45、t al.Design and analysis for a novel dc solid state current limiting circuit breakerJ.Proceedings of the CSEE，2017，37(4)：1028-1037 (in Chinese).20 李承昱，李帥，趙成勇，等.適用于直流電網(wǎng)的限流混合式直流斷路器EB/OL.2017-01-01.21 Grieshaber W，Violleau L.Development and test of a 120 kV directcurrent circuit breakerC/CIGRE Session.Paris：CIGRE，2014：B4-301.22 曹冬明，方太勛，謝曄源，等.一種直流電流關(guān)斷裝置及其控制方法：201610245174.3P.2016-04-19.23 Majumder R，Auddy S，Berggren B, et al.An alternative method to build DC switchyard with hybrid dc breaker for DC gridJ.IEEETransactions on Power Delivery，2017，32(2)：713-722.24 劉高任，許烽，徐政，等.適用于直流電網(wǎng)的組合式高壓直流斷路器J.電