适用于MMC直流电网的源网配合式电容型直流断路器

　　摘要：为了充分发挥模块化多电平换流器(modularmultilevelconverters，MMC)的控制能力，解决直流断路器(directcurrentcircuitbreaker，DCCB)开断电流和开断速度要求高、造价昂贵等问题，本文提出了一种适用于MMC直流电网的源网配合式电容型DCCB。预充电电容是该DCCB最主要的部分，安装于每条直流出线上。所提DCCB利用MMC主动调压控制策略，在故障期间自适应调节子模块投入数量，使换流器直流出口电压与预充电电容电压相等，从而为快速机械开关提供低电压、零电流分断条件。本文详细介绍了所提DCCB的拓扑结构、MMC主动调压控制原理、所提DCCB工作原理及其控制时序，并给出了所提DCCB元件参数的设计方法，最后在PSCAD/EMTDC中搭建四端MMC柔性直流电网模型，通过仿真及对比验证了该方案的有效性。

　　关键词：源网配合;模块化多电平换流器;直流断路器;预充电电容

　　0引言

　　近年来，以柔性直流为代表的新一代输电技术在远距离大容量输电场合呈现出较大的发展潜力[1-4]。模块化多电平换流器(modularmultilevelconverters，MMC)的出现使柔性直流输电不断向高电压、大容量方向发展[5-6]，并且MMC已经成为远距离大容量柔性直流输电系统的首选换流器拓扑结构，在柔性直流输电领域得到了广泛应用[7-9]。作为世界上首个特高压柔性直流工程，我国昆柳龙直流工程将柔性直流的最高电压等级升到前所未有的±800kV，该工程于2020年12月27日正式启动投产送电，标志着世界特高压输电技术从此迈进柔性直流时代。 在适合远距离大容量场合的柔性直流输电系统中，直流输电线路通常采用架空线路[10-12]。架空线路要穿越众多复杂的地理和气候环境，遭遇外界环境冲击突然短路的概率较高[13-14]。

　　电力工程论文范例： 基于接地电流高压电缆交叉互联故障分析

　　为了应对架空线路发生故障概率高的问题，目前工程上一般使用高速大容量直流断路器(directcurrentcircuitbreaker，DCCB)被动隔离短路故障[15]。由于直流电网的低阻性、低惯量特性[16-17]，短路电流通常可在故障后几个毫秒之内上升到额定值的数十倍[18-20]，造成高速大开断容量DCCB的研制难度大、制造成本高。以我国张北±500kV柔性直流工程为例，该工程对DCCB开断电流指标要求为25kA，所需DCCB总成本接近于换流阀总成本的三分之二[21]。由此可见，DCCB严苛的技术指标以及较高的经济成本制约了直流电网的建设和发展。

　　近年来，如何提升DCCB故障电流的抑制效果和降低DCCB的制造成本是国内外研究的热点之一[22-23]。文献[24]提出一种基于晶闸管的电压钳位型混合DCCB，通过可变钳位电压迫使线路电流下降过零，实现故障快速清除，该DCCB不使用全控型器件，能有效控制成本。

　　文献[25]提出一种共转移支路式混合DCCB，直流母线的多条出线采用一条转移支路，减少了绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)使用数量，有助于降低DCCB的成本。文献[26]提出一种电容换流型DCCB，用电容和二极管阀组串联的结构组成故障电流转移支路，取代了常规DCCB大量IGBT串联的方案，较大程度地降低了DCCB的成本。

　　然而，故障时该DCCB的电容电压上升较快，导致快速隔离开关支路的承压上升，不利于无弧关断。文献[27]提出一种组合式高压DCCB，对于换流站多回直流出线的复杂直流电网，该方案与ABB公司所提混合式DCCB方案具有相同的故障清除速度，且投资成本大幅降低。但是，在切除故障过程中该DCCB在直流母线处引入接地故障，会引起站端电压波动，严重时可能会导致换流站闭锁。文献[28]提出一种基于半桥子模块级联结构的T型双向混合DCCB，该方案工程实现技术难度低，在开断速度以及成本方面都具有一定的优势。

　　文献[29]提出一种组合电容型混合DCCB，该DCCB能实现故障线路的有效切除，但没有考虑非故障线路预充电电容放电对故障清除的影响。文献[30-31]通过阀控制器自适应调节故障期间MMC子模块的投入数量，从而抑制故障电流，降低对DCCB开断容量及吸收能量的需求，但是子模块投入数量的大幅减少将导致MMC交流侧电压大幅度降低，影响交流系统的正常运行。文献[32]提出一种故障后旁路所有子模块的限流策略，通过抑制故障电流降低对DCCB开断容量和开断速度的要求，但在高阻故障时，故障点直流电压仍然保持在较高水平，无需旁路所有子模块，可以使换流器仍然具备传输部分功率的能力。

　　除了通过对DCCB拓扑进行改进来提升故障电流抑制效果和降低DCCB成本，由文献[30-32]可知，还可以通过MMC与DCCB的协调控制，实现DCCB的成本控制以及柔性直流电网故障的快速隔离与清除。为了充分发挥MMC的控制能力，进一步降低DCCB制造成本和开断指标要求，本文提出一种适用于MMC直流电网的源网配合式电容型DCCB。

　　该DCCB利用MMC主动调压控制策略，使MMC直流出口电压与预充电电容电压相等，为快速机械开关提供低电压、零电流分断条件。所提DCCB不仅能实现故障的有效清除，其预充电电容的存在还降低了故障电流对换流站的影响。各线路预充电电容电压的相互支撑有利于直流母线电压的稳定，避免了直流母线电压的大幅波动，保证了非故障线路的正常运行。文中对所提DCCB拓扑结构、工作原理、控制时序、参数设计进行了详细分析，并在PSCAD/EMTDC中搭建四端MMC柔性直流电网模型进行仿真验证。

　　1源网配合式电容型DCCB1.1DCCB拓扑结构

　　本文提出的源网配合式电容型DCCB拓扑结构，安装在换流站的每回直流出线上。以线路1为例，该DCCB包括一个快速机械开关S1、一个反向串联的IGBT开关管组Q1、一个预充电电容器组1、一个二极管阀组D1、一个晶闸管阀组T1、一个耗能电阻器1和一个限流电感1。

　　其中，开关组Q1中并联了避雷器，以保护IGBT器件。根据不同的应用场景，每个阀组中的元器件可进行适当的串并联连接以匹配系统需求。正常运行时，系统通过快速机械开关S1和开关管组Q1所组成的通流支路传输功率，同时给预充电电容进行预充电;系统正常运行时各线路预充电电容电压均为系统电压等级。一旦直流电网发生短路故障，可以通过MMC主动调压控制自适应减小子模块的投入数量，使换流器直流出口电压与故障线路预充电电容电压相等，瞬间钳住通流支路两端电压，为其提供有利的关断条件。

　　1.2MMC主动调压控制原理

　　直流故障期间，在最近电平逼近调制(nearestlevelmodulation，NLM)过程中将各相子模块投入总数降为kNref(为调压系数，表示子模块投入比例，≤1)，以实现MMC主动调压。当系统检测到故障时，切换至主动调压控制，即将子模块投入个数参考值由ref变为kNref，从而减少同一时刻处于放电状态的电容个数，实现换流器直流侧出口电压的调节。

　　1.3所提DCCB控制时序

　　1)0时刻之前直流电网正常运行，同时预充电电容1通过直流系统进行预充电。2)在0时刻，直流电网发生故障，故障线路电流快速上升。3)经过Δ0的延时，在1时刻，保护检测到故障，换流器投入主动调压控制，同时持续触发非故障线路晶闸管T(=2，3，…，)导通，为切断故障线路电流后的潮流转移做准备。通常情况下，延时Δ0为2~3ms。4)经过Δ1的延时，在2时刻，关断通流支路上开关管阀组Q1，切断故障线路电流，为快速机械开关提供低电压、零电流分断条件。Δ1通常取100μs。

　　5)经过Δ2的延时，等待通流支路电流被完全切断，在3时刻，开始分断快速机械开关S1。由于IGBT开关管动作非常迅速，Δ2通常取100μs。6)经过Δ3的快速机械开关动作延时之后，在4时刻，快速机械开关S1完全分断，此时MMC退出主动调压控制，恢复子模块数量正常投切状态，故障线路剩余能量最终通过耗能电阻消耗。

　　同时，非故障线路的预充电电容将会被换流器重新充电至直流额定电压，为保证其电压恢复速度，待电压稳定后再撤去晶闸管T1的触发信号。据快速机械开关的发展水平，Δ3可取2ms。随着直流电网保护方案的不断优化、系统中通信设备的更新升级以及硬件(例如快速机械开关)研制水平的不断提高，可以进一步减小DCCB各工作阶段的动作延时，整体工作时长将相应缩短，性能也将得到相应提升。

　　2参数设计

　　2.1限流电感的设计

　　由式(5)可知，限流电感1可有效减小故障切除过程中故障电流的上升速度。在现有的直流工程中，为降低故障电流上升速率，都会在各个线路的首端安装平波电抗器[33]。如厦门柔直工程直流输电线路两端配备了50mH的电感;张北柔直工程在各个直流线路两端配置150mH的电感，并在金属中线两端配置300mH的电感。随着柔性直流工程传输容量提升，平波电抗器电感值也会随之增加，但大电感不易制造，而且在正常运行时，会大大降低系统的响应速度[34]。参考张北柔直工程，本文在仿真验证中将限流电感设置为150mH。

　　2.2预充电电容的设计

　　预充电电容为高压电容，在系统正常运行期间充电后具有直流额定电压，其目的在于故障期间与MMC主动调压控制策略配合，使换流器直流出口电压自适应等于预充电电容电压，为通流支路的切断提供有利条件。 故障期间，MMC投入子模块数量的减少将导致其交流出口电压降低。

　　为实现MMC在直流侧调压的同时降低其对交流系统的影响，应根据换流站所连接交流系统的强弱对故障期间的调压系数flt限定一个最小值，该最小值可通过预充电电容值的选取来满足。由式(3)可知，换流器等效电感和等效电阻为既定值，所以只能调节预充电电容电压满足调压系数最小值的要求，而预充电电容电压的下降速度与电容值的大小相关，故可通过调节预充电电容值的大小来满足调压系数的最小值。

　　3仿真验证

　　3.1所提DCCB仿真验证

　　为验证上述源网配合式电容型DCCB的可行性和有效性，在PSCAD/EMTDC搭建了MMC四端环形直流电网仿真模型。其中，换流站MMC1、MMC2和MMC4采用定功率控制，换流站MMC3采用定电压控制，直流电压等级为500kV。

　　直流电网中每条架空输电线路长度为200km，单位长度等效直流电阻为0.0065Ω/km。对于所提DCCB，其参数为：限流电感为150mH，预充电电容为500μF，耗能电阻为100Ω，快速机械开关S1达到安全开距的时间为2ms，开关阀组Q1的额定电压为20kV，晶闸管阀组T1额定电压为750kV，二极管阀组D1的反向耐压为750kV。各换流器采用如图4所示的主动调压控制策略，并设故障电流检测时间为3ms。基于该MMC四端环形直流电网，以线路34首端发生永久性单极接地故障为例，主要从本文所提DCCB的故障切除过程进行仿真验证。

　　4与其他方案的对比分析

　　本节将本文所提DCCB方案与其它现有DCCB方案进行比较，方案1为ABB所提基于IGBT的混合式DCCB，方案2为文献[28]提出的基于子模块级联技术的混合DCCB，方案3为文献[29]提出的组合电容型混合DCCB，方案4为本文所提源网配合式电容型DCCB方案。开断时间方面，方案1的开断时间达到3ms，方案2的开断时间由电容值和预充电电压决定，一般为3~4ms，方案3和方案4的开断时间最快可达到2ms。

　　成本方面，方案1转移支路需要大量的IGBT串联，所以成本很高;方案2中预充电电容两端并联的IGBT承受着系统直流额定电压，因此需要大量开关管串联，成本也相对较高;而方案3由于主要使用半控器件晶闸管和一些高压电容，只需要在通流支路串联较少的IGBT，因此成本较低;方案4利用MMC主动调压控制策略代替了方案3中DCCB站端部分的作用，总体成本最低。

　　设备体积方面，由于方案1主要使用IGBT器件作为转移支路，所以体积很小;而方案2转移支路由子模块级联组成，包含了大量IGBT和高压电容，体积较大;方案3主要采用高压电容，体积也相对较大;方案4采用MMC主动调压控制策略代替了方案3中DCCB的站端部分，体积相比方案3有所减小。

　　另外，对于本文所提方案4，当直流母线出线较多时，可适当减小预充电电容值，从而进一步降低DCCB的设备成本和体积。技术难度方面，方案1需要解决大量IGBT串联动态均压、同步关断等问题，在高压场合中，其工程实现的技术难度较大。方案2采用了子模块级联方案，由于子模块内电容的缓冲作用，避免了大数量级IGBT串联动态均压问题，因此与方案1的IGBT串联型方案相比工程实现相对容易;方案3和方案4主要使用半控器件晶闸管和一些高压电容，不必考虑全控器件的动态均压、同步关断等问题，工程实现的技术难度较低。

　　5结论

　　本文提出了一种源网配合式电容型DCCB，具体结论如下：

　　1)利用MMC主动调压控制策略，为快速机械开关的分断提供低电压、零电流分断条件，实现了故障线路的快速、可靠切除。

　　2)预充电电容可以有效限制故障电流对换流站的影响，避免直流母线电压的剧烈波动，保证非故障线路的正常运行。同时，预充电电容可减小MMC子模块电容能量释放速度，防止MMC因深度放电而无法在故障清除后快速恢复直流电压，增强了直流电网的故障穿越能力。

　　3)直流线路不同位置经不同过渡电阻故障时，预充电电容能量释放速度不同，主动调压控制使得MMC能够根据预充电电容电压自适应调节子模块投入数量，可以同时应对金属性短路故障和高阻短路故障。

　　4)所提DCCB方案工程实现难度低，并具有一定的成本优势。预充电电容并联于直流母线，在未来日益复杂的多端直流电网中，预充电电容的相互支撑可进一步降低直流电网的DCCB成本，具有较好的经济性。

　　5)为了获得更优的性能，可以在所提DCCB方案中增加全控半导体器件来实现预充电电容能量的保留，从而避免能量全部在耗能电阻消耗。同时，对电容的剩余能量进行控制，可以实现诸如故障类型识别或故障测距等功能。在不显著增加成本的情况下，使DCCB集成更多的功能，有待进一步研究。

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　　作者：陈晓龙*，韩小文，李永丽，李斌，李博通

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