適用于MMC直流電網的源網配合式電容型直流斷路器

　　摘要：為了充分發揮模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverters，MMC)的控制能力，解決直流斷路器(directcurrentcircuitbreaker，DCCB)開斷電流和開斷速度要求高、造價昂貴等問題，本文提出了一種適用于MMC直流電網的源網配合式電容型DCCB。預充電電容是該DCCB最主要的部分，安裝于每條直流出線上。所提DCCB利用MMC主動調壓控制策略，在故障期間自適應調節子模塊投入數量，使換流器直流出口電壓與預充電電容電壓相等，從而為快速機械開關提供低電壓、零電流分斷條件。本文詳細介紹了所提DCCB的拓撲結構、MMC主動調壓控制原理、所提DCCB工作原理及其控制時序，并給出了所提DCCB元件參數的設計方法，最后在PSCAD/EMTDC中搭建四端MMC柔性直流電網模型，通過仿真及對比驗證了該方案的有效性。

　　關鍵詞：源網配合;模塊化多電平換流器;直流斷路器;預充電電容

　　0引言

　　近年來，以柔性直流為代表的新一代輸電技術在遠距離大容量輸電場合呈現出較大的發展潛力[1-4]。模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverters，MMC)的出現使柔性直流輸電不斷向高電壓、大容量方向發展[5-6]，并且MMC已經成為遠距離大容量柔性直流輸電系統的首選換流器拓撲結構，在柔性直流輸電領域得到了廣泛應用[7-9]。作為世界上首個特高壓柔性直流工程，我國昆柳龍直流工程將柔性直流的最高電壓等級升到前所未有的±800kV，該工程于2020年12月27日正式啟動投產送電，標志著世界特高壓輸電技術從此邁進柔性直流時代。 在適合遠距離大容量場合的柔性直流輸電系統中，直流輸電線路通常采用架空線路[10-12]。架空線路要穿越眾多復雜的地理和氣候環境，遭遇外界環境沖擊突然短路的概率較高[13-14]。

　　電力工程論文范例： 基于接地電流高壓電纜交叉互聯故障分析

　　為了應對架空線路發生故障概率高的問題，目前工程上一般使用高速大容量直流斷路器(directcurrentcircuitbreaker，DCCB)被動隔離短路故障[15]。由于直流電網的低阻性、低慣量特性[16-17]，短路電流通常可在故障后幾個毫秒之內上升到額定值的數十倍[18-20]，造成高速大開斷容量DCCB的研制難度大、制造成本高。以我國張北±500kV柔性直流工程為例，該工程對DCCB開斷電流指標要求為25kA，所需DCCB總成本接近于換流閥總成本的三分之二[21]。由此可見，DCCB嚴苛的技術指標以及較高的經濟成本制約了直流電網的建設和發展。

　　近年來，如何提升DCCB故障電流的抑制效果和降低DCCB的制造成本是國內外研究的熱點之一[22-23]。文獻[24]提出一種基于晶閘管的電壓鉗位型混合DCCB，通過可變鉗位電壓迫使線路電流下降過零，實現故障快速清除，該DCCB不使用全控型器件，能有效控制成本。

　　文獻[25]提出一種共轉移支路式混合DCCB，直流母線的多條出線采用一條轉移支路，減少了絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)使用數量，有助于降低DCCB的成本。文獻[26]提出一種電容換流型DCCB，用電容和二極管閥組串聯的結構組成故障電流轉移支路，取代了常規DCCB大量IGBT串聯的方案，較大程度地降低了DCCB的成本。

　　然而，故障時該DCCB的電容電壓上升較快，導致快速隔離開關支路的承壓上升，不利于無弧關斷。文獻[27]提出一種組合式高壓DCCB，對于換流站多回直流出線的復雜直流電網，該方案與ABB公司所提混合式DCCB方案具有相同的故障清除速度，且投資成本大幅降低。但是，在切除故障過程中該DCCB在直流母線處引入接地故障，會引起站端電壓波動，嚴重時可能會導致換流站閉鎖。文獻[28]提出一種基于半橋子模塊級聯結構的T型雙向混合DCCB，該方案工程實現技術難度低，在開斷速度以及成本方面都具有一定的優勢。

　　文獻[29]提出一種組合電容型混合DCCB，該DCCB能實現故障線路的有效切除，但沒有考慮非故障線路預充電電容放電對故障清除的影響。文獻[30-31]通過閥控制器自適應調節故障期間MMC子模塊的投入數量，從而抑制故障電流，降低對DCCB開斷容量及吸收能量的需求，但是子模塊投入數量的大幅減少將導致MMC交流側電壓大幅度降低，影響交流系統的正常運行。文獻[32]提出一種故障后旁路所有子模塊的限流策略，通過抑制故障電流降低對DCCB開斷容量和開斷速度的要求，但在高阻故障時，故障點直流電壓仍然保持在較高水平，無需旁路所有子模塊，可以使換流器仍然具備傳輸部分功率的能力。

　　除了通過對DCCB拓撲進行改進來提升故障電流抑制效果和降低DCCB成本，由文獻[30-32]可知，還可以通過MMC與DCCB的協調控制，實現DCCB的成本控制以及柔性直流電網故障的快速隔離與清除。為了充分發揮MMC的控制能力，進一步降低DCCB制造成本和開斷指標要求，本文提出一種適用于MMC直流電網的源網配合式電容型DCCB。

　　該DCCB利用MMC主動調壓控制策略，使MMC直流出口電壓與預充電電容電壓相等，為快速機械開關提供低電壓、零電流分斷條件。所提DCCB不僅能實現故障的有效清除，其預充電電容的存在還降低了故障電流對換流站的影響。各線路預充電電容電壓的相互支撐有利于直流母線電壓的穩定，避免了直流母線電壓的大幅波動，保證了非故障線路的正常運行。文中對所提DCCB拓撲結構、工作原理、控制時序、參數設計進行了詳細分析，并在PSCAD/EMTDC中搭建四端MMC柔性直流電網模型進行仿真驗證。

　　1源網配合式電容型DCCB1.1DCCB拓撲結構

　　本文提出的源網配合式電容型DCCB拓撲結構，安裝在換流站的每回直流出線上。以線路1為例，該DCCB包括一個快速機械開關S1、一個反向串聯的IGBT開關管組Q1、一個預充電電容器組1、一個二極管閥組D1、一個晶閘管閥組T1、一個耗能電阻器1和一個限流電感1。

　　其中，開關組Q1中并聯了避雷器，以保護IGBT器件。根據不同的應用場景，每個閥組中的元器件可進行適當的串并聯連接以匹配系統需求。正常運行時，系統通過快速機械開關S1和開關管組Q1所組成的通流支路傳輸功率，同時給預充電電容進行預充電;系統正常運行時各線路預充電電容電壓均為系統電壓等級。一旦直流電網發生短路故障，可以通過MMC主動調壓控制自適應減小子模塊的投入數量，使換流器直流出口電壓與故障線路預充電電容電壓相等，瞬間鉗住通流支路兩端電壓，為其提供有利的關斷條件。

　　1.2MMC主動調壓控制原理

　　直流故障期間，在最近電平逼近調制(nearestlevelmodulation，NLM)過程中將各相子模塊投入總數降為kNref(為調壓系數，表示子模塊投入比例，≤1)，以實現MMC主動調壓。當系統檢測到故障時，切換至主動調壓控制，即將子模塊投入個數參考值由ref變為kNref，從而減少同一時刻處于放電狀態的電容個數，實現換流器直流側出口電壓的調節。

　　1.3所提DCCB控制時序

　　1)0時刻之前直流電網正常運行，同時預充電電容1通過直流系統進行預充電。2)在0時刻，直流電網發生故障，故障線路電流快速上升。3)經過Δ0的延時，在1時刻，保護檢測到故障，換流器投入主動調壓控制，同時持續觸發非故障線路晶閘管T(=2，3，…，)導通，為切斷故障線路電流后的潮流轉移做準備。通常情況下，延時Δ0為2~3ms。4)經過Δ1的延時，在2時刻，關斷通流支路上開關管閥組Q1，切斷故障線路電流，為快速機械開關提供低電壓、零電流分斷條件。Δ1通常取100μs。

　　5)經過Δ2的延時，等待通流支路電流被完全切斷，在3時刻，開始分斷快速機械開關S1。由于IGBT開關管動作非常迅速，Δ2通常取100μs。6)經過Δ3的快速機械開關動作延時之后，在4時刻，快速機械開關S1完全分斷，此時MMC退出主動調壓控制，恢復子模塊數量正常投切狀態，故障線路剩余能量最終通過耗能電阻消耗。

　　同時，非故障線路的預充電電容將會被換流器重新充電至直流額定電壓，為保證其電壓恢復速度，待電壓穩定后再撤去晶閘管T1的觸發信號。據快速機械開關的發展水平，Δ3可取2ms。隨著直流電網保護方案的不斷優化、系統中通信設備的更新升級以及硬件(例如快速機械開關)研制水平的不斷提高，可以進一步減小DCCB各工作階段的動作延時，整體工作時長將相應縮短，性能也將得到相應提升。

　　2參數設計

　　2.1限流電感的設計

　　由式(5)可知，限流電感1可有效減小故障切除過程中故障電流的上升速度。在現有的直流工程中，為降低故障電流上升速率，都會在各個線路的首端安裝平波電抗器[33]。如廈門柔直工程直流輸電線路兩端配備了50mH的電感;張北柔直工程在各個直流線路兩端配置150mH的電感，并在金屬中線兩端配置300mH的電感。隨著柔性直流工程傳輸容量提升，平波電抗器電感值也會隨之增加，但大電感不易制造，而且在正常運行時，會大大降低系統的響應速度[34]。參考張北柔直工程，本文在仿真驗證中將限流電感設置為150mH。

　　2.2預充電電容的設計

　　預充電電容為高壓電容，在系統正常運行期間充電后具有直流額定電壓，其目的在于故障期間與MMC主動調壓控制策略配合，使換流器直流出口電壓自適應等于預充電電容電壓，為通流支路的切斷提供有利條件。 故障期間，MMC投入子模塊數量的減少將導致其交流出口電壓降低。

　　為實現MMC在直流側調壓的同時降低其對交流系統的影響，應根據換流站所連接交流系統的強弱對故障期間的調壓系數flt限定一個最小值，該最小值可通過預充電電容值的選取來滿足。由式(3)可知，換流器等效電感和等效電阻為既定值，所以只能調節預充電電容電壓滿足調壓系數最小值的要求，而預充電電容電壓的下降速度與電容值的大小相關，故可通過調節預充電電容值的大小來滿足調壓系數的最小值。

　　3仿真驗證

　　3.1所提DCCB仿真驗證

　　為驗證上述源網配合式電容型DCCB的可行性和有效性，在PSCAD/EMTDC搭建了MMC四端環形直流電網仿真模型。其中，換流站MMC1、MMC2和MMC4采用定功率控制，換流站MMC3采用定電壓控制，直流電壓等級為500kV。

　　直流電網中每條架空輸電線路長度為200km，單位長度等效直流電阻為0.0065Ω/km。對于所提DCCB，其參數為：限流電感為150mH，預充電電容為500μF，耗能電阻為100Ω，快速機械開關S1達到安全開距的時間為2ms，開關閥組Q1的額定電壓為20kV，晶閘管閥組T1額定電壓為750kV，二極管閥組D1的反向耐壓為750kV。各換流器采用如圖4所示的主動調壓控制策略，并設故障電流檢測時間為3ms。基于該MMC四端環形直流電網，以線路34首端發生永久性單極接地故障為例，主要從本文所提DCCB的故障切除過程進行仿真驗證。

　　4與其他方案的對比分析

　　本節將本文所提DCCB方案與其它現有DCCB方案進行比較，方案1為ABB所提基于IGBT的混合式DCCB，方案2為文獻[28]提出的基于子模塊級聯技術的混合DCCB，方案3為文獻[29]提出的組合電容型混合DCCB，方案4為本文所提源網配合式電容型DCCB方案。開斷時間方面，方案1的開斷時間達到3ms，方案2的開斷時間由電容值和預充電電壓決定，一般為3~4ms，方案3和方案4的開斷時間最快可達到2ms。

　　成本方面，方案1轉移支路需要大量的IGBT串聯，所以成本很高;方案2中預充電電容兩端并聯的IGBT承受著系統直流額定電壓，因此需要大量開關管串聯，成本也相對較高;而方案3由于主要使用半控器件晶閘管和一些高壓電容，只需要在通流支路串聯較少的IGBT，因此成本較低;方案4利用MMC主動調壓控制策略代替了方案3中DCCB站端部分的作用，總體成本最低。

　　設備體積方面，由于方案1主要使用IGBT器件作為轉移支路，所以體積很小;而方案2轉移支路由子模塊級聯組成，包含了大量IGBT和高壓電容，體積較大;方案3主要采用高壓電容，體積也相對較大;方案4采用MMC主動調壓控制策略代替了方案3中DCCB的站端部分，體積相比方案3有所減小。

　　另外，對于本文所提方案4，當直流母線出線較多時，可適當減小預充電電容值，從而進一步降低DCCB的設備成本和體積。技術難度方面，方案1需要解決大量IGBT串聯動態均壓、同步關斷等問題，在高壓場合中，其工程實現的技術難度較大。方案2采用了子模塊級聯方案，由于子模塊內電容的緩沖作用，避免了大數量級IGBT串聯動態均壓問題，因此與方案1的IGBT串聯型方案相比工程實現相對容易;方案3和方案4主要使用半控器件晶閘管和一些高壓電容，不必考慮全控器件的動態均壓、同步關斷等問題，工程實現的技術難度較低。

　　5結論

　　本文提出了一種源網配合式電容型DCCB，具體結論如下：

　　1)利用MMC主動調壓控制策略，為快速機械開關的分斷提供低電壓、零電流分斷條件，實現了故障線路的快速、可靠切除。

　　2)預充電電容可以有效限制故障電流對換流站的影響，避免直流母線電壓的劇烈波動，保證非故障線路的正常運行。同時，預充電電容可減小MMC子模塊電容能量釋放速度，防止MMC因深度放電而無法在故障清除后快速恢復直流電壓，增強了直流電網的故障穿越能力。

　　3)直流線路不同位置經不同過渡電阻故障時，預充電電容能量釋放速度不同，主動調壓控制使得MMC能夠根據預充電電容電壓自適應調節子模塊投入數量，可以同時應對金屬性短路故障和高阻短路故障。

　　4)所提DCCB方案工程實現難度低，并具有一定的成本優勢。預充電電容并聯于直流母線，在未來日益復雜的多端直流電網中，預充電電容的相互支撐可進一步降低直流電網的DCCB成本，具有較好的經濟性。

　　5)為了獲得更優的性能，可以在所提DCCB方案中增加全控半導體器件來實現預充電電容能量的保留，從而避免能量全部在耗能電阻消耗。同時，對電容的剩余能量進行控制，可以實現諸如故障類型識別或故障測距等功能。在不顯著增加成本的情況下，使DCCB集成更多的功能，有待進一步研究。

　　參考文獻

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　　作者：陳曉龍*，韓小文，李永麗，李斌，李博通

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