CN114421420A - 适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器 - Google Patents

适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于柔直配电网故障隔离技术领域的适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器。第一限流回路和第二限流回路的一端均接入换流器；第一限流回路的另一端通过第一通流支路接入正极母线；第二限流回路的另一端通过第二通流支路接入负极母线；第三通流支路的另一端通过第二直流线路选择开关接入第二断流母线；k条负极线路上均设置第四通流支路；第四通流支路的另一端通过第四直流线路选择开关接入第二断流母线；母线短路选择开关的一端接入第一断流母线，另一端接地；第一断流母线与第二断流母线之间设置主断开关。本发明所提断路器正常运行时对电网动态响应能力影响弱；无需额外配置充电回路与耗能回路，降低了断路器成本。

Description

适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器
技术领域
本发明涉及柔直配电网故障隔离技术领域，尤其涉及一种适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器。
背景技术
随着大型数据中心、电动汽车充电站、城市轨道交通等直流负荷的日益增长，以及分布式电源和储能设备的高比例、大容量分散并网，配电网直流特征愈发明显。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)具有可控能力强、开关损耗低、拓扑易于拓展等优势，可以作为柔直配电网与交流主网的接口换流器。
然而，直流配电网低阻尼、低惯量特性导致线路短路电流可在几毫秒内达到换流器额定电流的十几倍乃至数十倍。由于电力电子器件耐过流能力差，故障可能造成其永久性破坏，柔直配网对识别与清除故障的快速性和有效性提出了很高要求，能否实现高效可靠的故障隔离是制约柔直配网发展的瓶颈之一。
目前含MMC换流器的柔直配电网故障隔离技术路线主要有三类：1、采用具有故障自清除能力的子模块(如钳位双子模块、全桥子模块等)构成换流器，通过闭锁换流器实现故障隔离；2、采用具有桥臂阻尼模块的换流器，线路短路时快速衰减故障电流；3、采用换流器与直流断路器(DC circuit breaker，DCCB)结合的方式实现故障隔离。其中，DCCB方案能有选择性地快速隔离故障区域，且不会造成非故障区域功率传输中断，与前两种技术路线相比，更适于柔性直流配电网，具有良好的应用前景。
DCCB分为机械式、固态式与混合式三种。混合式DCCB综合了机械DCCB通态损耗低和固态DCCB断流速度快的优势，可广泛应用于柔直电网。随着柔直配电网规模扩大，对DCCB的需求也快速提高，然而现阶段其成本依旧较高，难以广泛应用。为解决这一矛盾，相关研究提出了多端口DCCB，通过电流转移开关实现同一直流母线上所有线路共用主断路器，降低电网中的断路器数量与总投资成本。李斌，马久欣，温伟杰等在《适用于中压直流配电网的新型多端口机械式直流断路器》[J].高电压技术，2019，45(8)：2385-2392.中提出一种机械式多端口DCCB，通过辅助过零回路使故障电流过零点，使机械开关可靠关断，其依靠由电容和避雷器构成的耗能回路清除故障，无需IGBT，成本较低；但断路器动作时间较长，且对电容的可靠性要求较高，并且电容的充电时间会在一定程度上延长故障电流分断时间。
Liu G，Xu F，Xu Z，et al.的《Assembly HVDC breaker for HVDC grids withmodular multi level converters》[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32(2)：931-941.在线路与主断开关配置辅助放电开关，构成主动短路型多端口DCCB，无需具备双向电流关断能力，和常规混合型直流断路器相比，该文提出的主动短路型断路器具有经济性优势；但在正常运行时，该直流断路器主断开关及各直流线路上的辅助放电开关需长时间承受系统对地电压，不利于其内电力电子器件的可靠运行；在任一直流线路发生故障后，主断开关首先导通短路，此时换流器经过出口电抗器直接对地放电，使得直流线路上安装的直流电抗器无法起到限流作用。为了限制故障电流的发展速度，换流器出口电抗器的电感值必须很大，这可能会影响直流电网正常运行时的稳定性。
为解决机械式DCCB灭弧时间长的问题，Liu W，Liu F，Zhuang Y，et al.在《Amultiport circuit breaker-based multiterminal DC system fault protection》[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2019，7(1)：118-128.中提出半桥型混合DCCB，半桥型断路器中每条线路有一条由反并联晶闸管构成的转移支路实现转移双向故障电流至主断开关，全桥型断路器中每条线路有两条由单向晶闸管构成的转移支路将电流转移至主断开关。但断路器动作时，非故障线路电流依旧流经本线路的通流支路，通流支路承受电流应力较大。He J，Luo Y，Li M，et al.在《A high-performance and economical multi-port hybrid DC circuit breaker》[J].IEEETransactions on Industrial Electronics，2020，67(10)：8921-8930.中提出全桥型混合DCCB，全桥型断路器中每条线路有两条由单向晶闸管构成的转移支路将电流转移至主断开关，与半桥型断路器相比，全桥型断路器动作时线路电流均流经转移支路，通流支路被旁路，无需承受电流应力。但故障清除过程使用的转移支路较多，有可能影响断路器的可靠性。
柔直配电网与高压直流输电系统相比，其拓扑更加多样化，包含多类型电力电子装置，短路故障特性复杂，故障检测时间可能在毫秒级。为保证有充足的故障检测时间，同时避免快速上升的故障电流破坏换流器，柔直配电网故障隔离装置应具备故障限流能力，有文献提出包含线路限流电抗器的高压多端口DCCB，但大电感电抗器会降低系统动态响应能力、诱发电压振荡，较难应用在配电系统，有文献在主断开关配置限流回路，无需线路电抗器，然而限流回路需在完成故障检测后才能投入。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，其特征在于，所述断路器包括换流器限流区域、正极线路通流区域、负极线路通流区域和断流区域；
换流器限流区域包括第一限流回路、第二限流回路、第一通流支路、第二通流支路、第一换流器出线选择开关和第二换流器出线选择开关；正极线路通流区域包括正极母线、第三通流支路、第一直流线路选择开关、第二直流线路选择开关和正极线路；负极线路通流区域包括负极母线、第四通流支路、第三直流线路选择开关、第四直流线路选择开关、负极线路和极间短路选择开关；断流区域包括主断开关、第一断流母线、第二断流母线和母线短路选择开关；
第一限流回路和第二限流回路的一端均接入换流器；第一限流回路的另一端通过第一通流支路接入正极母线，并通过第一换流器出线选择开关接入第二断流母线；第二限流回路的另一端通过第二通流支路接入负极母线，并通过第二换流器出线选择开关接入第二断流母线；k条正极线路上均设置第三通流支路，且第三通流支路的一端接入正极母线，并通过第一直流线路选择开关接入第一断流母线；第三通流支路的另一端通过第二直流线路选择开关接入第二断流母线；k条负极线路上均设置第四通流支路，且第四通流支路的一端接入负极母线，并通过第三直流线路选择开关接入第一断流母线，还通过极间短路选择开关接入第二断流母线；第四通流支路的另一端通过第四直流线路选择开关接入第二断流母线；母线短路选择开关的一端接入第一断流母线，另一端接地；第一断流母线与第二断流母线之间设置主断开关。
第一限流回路和第二限流回路的元件连接方式均如下：
二极管D1～D4组成外环全桥，二极管D5～D8组成内环全桥；二极管D1的阴极通过限流电抗L1与二极管D5的阳极相连，并通过串并联选择开关SL1与二极管D8的阳极相连；二极管D2的阳极通过限流电抗L2与二极管D8的阳极相连，并通过串并联选择开关SL2与二极管D5的阳极相连；限流电抗L3设置于二极管D5的阴极与二极管D7的阳极之间。
串并联选择开关SL1和串并联选择开关SL2的元件连接方式均如下：
第一快速机械开关与晶闸管T0串联，再与晶闸管T1～T4组成的晶闸管组并联，电容C设置于晶闸管T1的阴极与晶闸管T3的阳极之间；其中第一快速机械开关与晶闸管T0串联构成低损耗支路，晶闸管组与电容C构成辅助断流支路。
第一通流支路、第二通流支路、第三通流支路和第四通流支路的元件连接方式均如下：
第二快速机械开关与负荷转移开关串联，所述负荷转移开关为二极管D9～D12组成全桥，且第一IGBT设置于二极管D9的阴极与二极管D11的阳极之间。
母线短路选择开关和极间短路选择开关的结构均为单向晶闸管；第一换流器出线选择开关、第二换流器出线选择开关、第一直流线路选择开关、第二直流线路选择开关、第三直流线路选择开关和第四直流线路选择开关的结构均为晶闸管与二极管反并联。
所述主断开关为多个主断子开关串联组成；所述主断子开关的元件连接方式如下：
MOA与二极管D13～D16组成的全桥并联，第二IGBT与第三快速机械开关并联后设置于二极管D13的阴极与二极管D15的阳极之间。
所述断路器的动作过程分为以下几个阶段：
阶段1：稳态运行阶段t0～t1，t0为配电网稳态运行开始时刻，t1为发生短路故障时刻；各线路电流流经相应的通流支路，第一限流回路和第二限流回路均处于稳态运行模式，串并联选择开关SL1和串并联选择开关SL2中的低损耗支路导通，辅助断流支路关断，限流电抗L1～L3并联运行，其他开关均处于关断状态；
阶段2：故障限流阶段t1～t2，t2为限流回路切换完成时刻；t1时刻串并联选择开关SL1和串并联选择开关SL2开始断开，t2时刻完成断开；t0时刻前晶闸管T1和晶闸管T3导通，电容C进行预充电，当电容C的电压等于系统电压后，充电电流降为0，晶闸管T1和晶闸管T3关断；选取阶段2中的四个时刻t1Ⅰ～t1Ⅳ，当检测到桥臂电流突变后，t1Ⅰ时刻触发晶闸管T2和晶闸管T4承受正压导通，此时晶闸管T0与电容C并联而承受反压，电流快速下降，同时第一快速机械开关开始分断，t1Ⅱ时刻晶闸管T0电流低于维持电流而关断，第一快速机械开关彻底关断，t1Ⅲ时刻电容C结束放电，开始反向充电，限流电抗L3的电流路径由D8-L3-D6逐渐向D5-L3-D7转移，t1Ⅳ时刻电流完全转移至D5-L3-D7回路；t2时刻晶闸管T2和晶闸管T4因电流小于维持电流而关断，下次故障时由晶闸管T1和晶闸管T3辅助关断串并联选择开关SL1和串并联选择开关SL2；
阶段3：电流转移阶段t2～t3，t3为电流转移完成时刻；在限流回路的作用下，电流上升速率被抑制，换流器的桥臂电流不会导致换流器闭锁；选取阶段3中的两个时刻t2Ⅰ和t2Ⅱ，在t2Ⅰ时刻完成故障检测，导通故障线路对应的开关，通流支路电流下降，t2Ⅱ时刻第二快速机械开关开始分断，闭锁负荷转移开关，t3时刻达到第二快速机械开关安全关断条件而彻底关断，电流转移至主断开关以隔离故障；
阶段4：故障清除阶段t3～t4，t4为故障清除完成时刻；在阶段3的t3时刻电流转移完成后，选取阶段4中的某个时刻t3Ⅰ，闭锁电力电子断流支路，残余能量通过MOA耗能支路耗散，电流逐渐减小，t4时刻电流降为零，完成故障清除；
阶段5：重合闸阶段t4～t5，t5为恢复正常运行时刻；在阶段4的t4时刻故障被清除后，经过150ms～300ms的去游离时间，此后再选取某个时刻t4Ⅰ闭合故障线路通流支路的第二快速机械开关，导通第一IGBT，若故障为瞬时性故障，在t5时刻闭合串并联选择开关第一快速机械开关，导通晶闸管T0，限流电抗并联，恢复正常运行；若故障为永久性故障，则限流电抗保持串联状态，再次执行阶段3至阶段4的故障清除过程。
所述阶段3中的故障包括单极接地短路、母线接地短路、极间短路和多线路同时短路。
本发明的有益效果在于：
1、本发明所提断路器正常运行时限流电感并联，总电抗较小，对电网动态响应能力影响弱；故障后快速投入串联电感，有效抑制了故障电流上升，为故障检测提供了充足的时间，降低了换流器因过流而损坏的风险；
2、采用全桥拓扑的限流回路与主断开关，减少了IGBT的数量；
3、正负极直流母线的所有线路共用同一主断开关隔离故障，降低了投资成本，主断开关由多个子模块串联构成，能够适用于清除不同类型的短路故障，且可靠性较高；
4、可以配置在柔直配电网的各类电力电子换流器的直流侧接口与直流线路，具有较好的适用性；
5、断路器限流回路中预充电电容依靠电网电压进行充电，无需额外配置充电回路与耗能回路，进一步降低了断路器成本。
附图说明
图1为本发明适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器的拓扑图；
图2(a)(b)分别为限流回路的稳态和故障运行模式图；
图3为限流前故障等效电路图；
图4(a)～(h)为串并联选择开关的动作流程图；
图5为限流后故障等效电路图；
图6(a)～(d)为各阶段限流回路电流路径图；
图7为正极接地短路电流转移路径图；
图8为正极高阻接地故障电流路径图；
图9为正极高阻接地故障故障级电流波形图；
图10为单极高阻故障电流转移路径图；
图11为母线接地短路电流转移路径图；
图12为极间短路电流转移路径图；
图13为多线路同时短路电流转移路径图；
图14(a)、(b)、(c)分别为主断开关子模块的通流状态、故障清除状态、旁路状态下的电流路径图；
图15(a)和图15(b)分别为正常状态和IGBT开路状态下主断开关的电流路径图；
图16为六端环状柔性直流配电网的拓扑图；
图17为故障隔离过程电流波形图；
图18为故障隔离过程电压波形图；
图19为MMC桥臂电流波形图。
具体实施方式
本发明提出一种适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器分为换流器限流区域、正极线路通流区域、负极线路通流区域和断流区域4个区域，包含限流回路(faultcurrent limiter，FCL)、通流支路、选择开关S、主断开关与断流母线5类模块。图中，p、n分别为正极母线和负极母线；lpi、lni(i＝1,2,…,k，k为直流线路回数)分别为正极线路与负极线路；pj、nj(j＝0,1,2,…,k)为通流支路；Spai、Snai、Spbi、Snbi为直流线路选择开关，Spa0、Sna0为换流器出线选择开关，Sppi为极间短路选择开关，SB为母线短路选择开关；B1、B2为断流母线，选择开关通过断流母线连接主断开关。
1、限流回路
限流回路与换流器出线相连，二极管D1-D4、D5-D8分别组成外环、内环全桥结构，外环使限流回路具备双向通流能力，内环保证限流前后电感电流方向一致；SL1、SL2为串/并联选择开关，包括由快速机械开关(ultra-fast disconnector，UFD)、晶闸管T0组成的低损耗支路以及晶闸管T1-T4、预充电电容C组成的辅助断流支路，具体充放电过程在下节分析。L1-L3为限流电抗，短路后串联投入来抑制电流上升率。以稳态电流从左到右流通为例，得到图2所示的故障前后回路，稳态运行时电感并联，L3电流通过二极管D6、D8；故障后电感串联，L3电流通过二极管D5、D7。故障前后电感电流方向不变，可有效降低限流过程中暂态过电压幅值。稳态回路阻抗Z1与故障回路阻抗Z2如式(1)所示。
Figure BDA0003499415360000071
2、通流支路
通流支路包含UFD与负荷转移开关(load commutation switch，LCS)，是稳态运行的电流通路。LCS为全桥结构，采用单个IGBT即可双向通流。其串联电力电子开关少于主断开关，通态损耗低。
3、主断开关
主断开关包含多个子模块(电子断流支路与耗能支路并联组成)。电力电子断流支路关断后残余能量由耗能支路耗散。
4、选择开关
选择开关包含反并联的晶闸管和二极管，短路后依据故障类型、故障位置与电流方向导通相应的开关，辅助通流支路的电流转移至主断开关。
5、断流母线
断流母线包含母线B1、B2。B1与直流线路一端选择开关Spai、Snai以及母线短路隔离开关SB相连；B2与线路另一端选择开关Spbi、Snbi、换流器出线选择开关Spa0、Sna0以及极间短路隔离开关Sppi相连。通过主断开关、选择开关、断流母线配合，断路器仅用一台主断开关清除多类型短路故障。
断路器的动作过程可划分为5个阶段，分别是：(1)稳态运行阶段；(2)故障限流阶段；(3)电流转移阶段；(4)故障清除阶段；(5)重合闸阶段。假设t0时刻配电网稳态运行，t1发生短路故障，t4完成故障清除，t5完成重合闸。
(1)稳态运行阶段(t0-t1)
稳态运行阶段各线路电流流经相应的通流支路，选择开关与主断开关处于关断状态，限流回路处于图2(a)所示的稳态运行模式，串/并联选择开关中低损耗支路导通，辅助断流支路关断，电感并联运行。
(2)故障限流阶段(t1-t2)
柔直配电网结构复杂，故障检测时间一般为毫秒级，为避免检测过程中MMC桥臂过电流导致子模块破坏，检测到桥臂电流突变后，t1时刻限流回路开始切换为图2(b)所示的故障限流模式，t2时刻完成切换。该阶段仅限流回路动作。忽略电力电子器件通态损耗，t1前故障等效回路如图3所示，Udc为换流器等效电源，Ceq为换流器等效电容，Req为故障线路等效阻抗。
该阶段故障回路等效方程如式(2)所示。
Figure BDA0003499415360000081
故障等效回路短路电流如式(3)所示，式中，Idc为稳态运行时线路电流。
Figure BDA0003499415360000082
t1时刻开关SL1、SL2开始断开，t2时刻完成断开，动作过程如图4所示。t0前导通晶闸管T1、T3，电容C预充电，当电容电压等于系统电压后，充电电流降为0，晶闸管关断。检测到桥臂电流突变后，t1Ⅰ时刻触发T2、T4，晶闸管承受正压导通，此时T0与电容并联而承受反压，电流快速下降，同时UFD开始分断。t1Ⅱ时刻T0电流低于维持电流而关断，UFD彻底关断。t1Ⅲ时刻电容结束放电，开始反向充电，电感L3电流包含D6-D8路径和D5-D7路径，且逐渐向D5-D7路径转移。t1Ⅳ时刻电流完全转移至D5-D7回路。t2时刻T2、T4因电流小于维持电流关断，下次故障时由T1、T3辅助关断选择开关。通过T1、T3和T2、T4两组晶闸管交替导通，电容依靠电网充电，无需额外充电回路与耗能回路，降低了断路器成本，具有一定经济优势。
t2时刻后限流回路运行模式如图2(b)所示，故障等效回路如图5所示，开关SL1、SL2断开，限流电感串联。
各阶段限流回路电流路径如图6所示，C1、C2分别为开关SL1、SL2的电容，且C1＝C2，ULia、ULib(i＝1,2,3)为限流电抗两侧电压。t1Ⅰ-t1Ⅲ阶段，C1、C2和L3串联构成放电回路，L3电流iL3如式(4)所示，包含换流器电容放电电流iL3a与开关电容放电电流iL3b。式中，UC为电容预充电电压，C为开关电容，if含义如式(3)所示。电感L1、L2电流如式(5)所示，均为换流器电容放电电流。
Figure BDA0003499415360000091
iL1＝iL2＝if/3 (5)
t1Ⅲ-t1Ⅳ阶段，二极管D5-D8均导通，L3两端电压UL3a、UL3b等电位，因此该阶段iL3不变，C2、L1和C1、L2分别构成充电回路，设t1Ⅲ时刻L1、L2电流为iL(t1Ⅲ)，iL1、iL2如式(6)所示。
Figure BDA0003499415360000092
t1Ⅳ-t2阶段，L3电流仅流过D5-D7路径，L1两端电压UL1a、UL1b为开关电容正极电压，L2两端电压UL2a、UL2b为开关电容负极电压，L1、L2两端电压等电位，电感电流恒定，L3电流iL3上升至等于L1、L2电流。
t2时刻电感串联限制故障电流上升速率，由于电感电流不能突变，在t2时刻电感串联后线路故障电流降为限流前电流峰值的1/3。该电流下降可由式(7)、式(8)所示的限流前后磁链关系解释。
Figure BDA0003499415360000093
Figure BDA0003499415360000094
根据磁链守恒定理，联立式(7)、式(8)可得t2时刻电流，
Figure BDA0003499415360000095
所提限流回路稳态运行时低电抗，对配网动态特性影响小，故障后高电抗有效抑制电流上升速率，特别注意的是，开关动作前后电感电流一致，避免了由电感电流换向产生的暂态过电压问题，因此电感无需并联避雷器进行保护。
(3)电流转移阶段(t2-t3)
在限流回路的作用下，电流上升速率得到有效抑制，换流器桥臂电流不会迅速上升到额定电流的两倍而导致换流器闭锁，因此配电网有充足的时间检测故障。t2Ⅰ完成故障检测，导通故障线路对应的选择开关和主断开关，通流支路电流下降。t2Ⅱ时刻通流支路UFD开始分断，闭锁LCS，t3时刻达到UFD安全关断条件而彻底关断，电流由选择开关转移至主断开关，完成电流转移。通过控制相应开关动作，转移单极接地短路、母线接地短路、极间短路和多线路同时短路电流，最终隔离上述故障。以下将分析不同故障的转移方式。
单极接地短路：
为减小单极接地故障的过流危害，接地方式常采用连接变阀侧经大电阻接地，该方式单极短路故障电流流经大电阻，故障电流被有效限制，MMC无需闭锁。但在控制策略的作用下，非故障级电压将上升至稳态时的两倍，对线路绝缘产生不利影响；此外，在含多换流器的柔直配网中，相邻VSC换流器会向故障点馈入大故障电流，因此仍需及时断开故障线路，清除故障。
以图1中正极线路lp1发生接地短路为例，分析故障电流转移过程。电流路径如图7所示，图中点划线为转移前电流回路，实线为转移后回路。导通故障线路通流支路两侧选择开关，将电流转移至主断开关，断开相应通流支路，非故障线路电流仍流经其通流支路，不参与电流转移。
若发生图8所示的单极高阻接地短路，受过渡电阻影响，故障前后电流方向可能相同，图中，IMp、INp为故障级线路两侧电流，IMn、INn为非故障级线路两侧电流，此时，正极电流如图9所示，图中N侧故障电流未过0。
选择开关由反并联的晶闸管和二极管组成，因此断路器具有双向断流能力，单极高阻故障电流转移路径如图10所示，图中SpaM、SpbM为M侧选择开关，SpaN、SpbN为N侧选择开关，Rf为过渡电阻。故障前后电流方向相同，电流经支持双向通流的选择开关进行转移。
母线接地短路：
以母线p短路为例，分析故障电流转移过程。电流路径如图11所示，短路后导通故障母线相连线路选择开关Spa0、Spai(i＝1,2,…,k)和母线短路选择开关SB，断开线路通流支路，故障电流经SB接地，不再流经故障母线p。
极间短路：
以图1中线路1p1、ln1发生极间短路为例，分析故障电流转移过程。电流路径如图12所示，故障后导通正极选择开关Spa1，极间短路选择开关Spp1，断开通流支路p1、n1，故障电流转移至主断开关。
多线路同时短路：
多线路同时短路故障电流转移过程如图13所示(图中忽略非故障线路通流支路和选择开关)，线路lp1、ln1与lp2、ln2同时发生极间短路故障，故障后导通正极选择开关Spa1、Spa2，极间短路选择开关Spp1、Spp2，断开通流支路p1、n1和p2、n2，故障电流转移至主断开关。
(4)故障清除阶段(t3-t4)
t3时刻完成电流转移，t3Ⅰ闭锁电力电子断流支路，残余能量通过MOA耗能支路耗散，电流逐渐减小，t4时刻电流降为零，完成故障清除。
主断开关由n个子模块串联组成，子模块存在三种工作状态：通流状态、故障清除状态和旁路状态。三种状态的电流路径如图14所示。通流状态下IGBT闭合，电流流经电力电子断流支路，MOA不参与故障清除；故障清除状态下IGBT断开，电流经MOA耗能支路耗散；同一换流器所有出线共用同一主断开关，因此对其可靠性要求较高，为避免因IGBT故障开路导致电流无法可靠转移，IGBT并联一常断机械开关，IGBT开路时闭合，电流流经机械开关，IGBT和MOA被旁路，即旁路状态。
若没有IGBT开路故障，主断开关电流路径如图15(a)所示，其中i个子模块为故障清除状态，n-i个子模块为通流状态，不同状态的子模块数量由故障类型和过渡电阻大小决定；若存在IGBT开路，开关电流路径如图15(b)所示，子模块SMn-1处于旁路状态退出运行，其他模块为通流状态或故障清除状态，为提高断路器可靠性，主断开关需配置一定数量的冗余模块。
(5)重合闸阶段(t4-t5)
故障被清除后，经过约150ms-300ms的去游离时间，t4Ⅰ时刻闭合故障线路通流支路的UFD，导通IGBT，若故障为瞬时性故障，在t5时刻闭合串/并联选择开关UFD，导通晶闸管T0，限流电感并联，恢复正常运行。若故障为永久性故障，则限流电感保持串联状态，再次执行t2-t4的故障清除过程。
为验证所提断路器的性能，在PSCAD/EMTDC搭建六端环状柔性直流配电网，如图16所示，主要包括交流系统、模块化多电平换流器、两电平电压源换流器、直流变压器、光伏电源、交流与直流负荷、交流与直流配电线路。环网电压等级为±10kV，与环网相连的交流主网电压等级为110kV。断路器参数、线路参数和换流器参数分别如表1、表2和表3所示。
表1 断路器参数
Figure BDA0003499415360000111
Figure BDA0003499415360000121
表2 线路参数
Figure BDA0003499415360000122
表3 换流器参数
Figure BDA0003499415360000123
MMC出口发生极间短路故障对换流器的耐过流能力以及电网安全运行影响严重最严重，针对极间短路进行故障隔离仿真，验证断路器性能。
以0.5s线路L1与母线B1距离为0km处发生极间短路为例，分析断路器性能。故障隔离过程中限流回路、通流支路和主断开关电流波形如图17所示，限流回路和主断开关电压波形如图18所示。
MMC换流器T2初始电流为0.2kA，0.5003s检测到电流突变，限流回路开始切换为故障限流模式，0.5005s串/并联选择开关中电流完全由低损耗支路转移至辅助断流支路，晶闸管支路电容反向充电，在承受一段时间反压后，0.5008s串/并联选择开关彻底断开，限流电感串联，限流回路切换至故障限流模式。此时故障电流下降至0.15kA，约为0.5055s电流峰值0.46kA的1/3，且后续阶段故障电流上升率得到很好的抑制。
0.501s完成故障检测，确定故障位置与故障类型，0.5013s导通主断开关的IGBT和故障线路L1的选择开关，通流支路电流下降，电流开始转移至选择开关和主断开关构成的断流支路，0.5015s通流支路UFD开始断开，0.502s通流支路彻底关断，电流完全转移至主断开关。0.5025s给主断开关的电力电子断流支路施加关断信号，迅速增长的暂态电压应力导致避雷器动作，耗散残余能量，电压逐渐趋于稳态运行极间电圧20kV，主断开关电流逐渐降为0，0.5035s时完成故障隔离。
隔离过程中，限流回路存在两次电压突变，分别发生在故障限流阶段(t1-t2)与故障清除阶段(t3Ⅰ-t4)。第一次突变因关断串/并联选择开关，电感L3电流出现奇异点而产生；第二次突变为主断开关的电力电子断流支路断开产生的暂态过电压。极间短路时换流器两极限流回路串联，限流回路暂态电压如式(10)所示，ULimit为限流回路电压，Up为换流器正极电压，Ures为故障清除阶段主断开关残余电压，单一回路仅需承担一半电压，降低了对回路绝缘能力的要求。
Figure BDA0003499415360000131
故障隔离过程中MMC桥臂电流如图19所示，0.5s发生极间短路，桥臂电流上升，t2时刻限流电感与电流电阻完全投入，桥臂电流上升率得到有效抑制，避免了桥臂过流导致换流器损坏的风险，该阶段电流幅值上升较小，未超过换流器耐过流能力。
综上所述，本发明所提断路器正常运行时限流电感并联，总电抗较小，对电网动态响应能力影响弱；故障后快速投入串联电感，有效抑制了故障电流上升，为故障检测提供了充足的时间，降低了换流器因过流损坏的风险；正负极直流母线的所有线路共用同一主断开关隔离故障，有利于降低投资成本，主断开关由多个子模块串联构成，能够适用于清除不同类型的短路故障，且可靠性较高；断路器限流回路中预充电电容依靠电网电压进行充电，无需额外配置充电回路与耗能回路，进一步降低了断路器成本；断路器可以配置在柔直配电网的各类电力电子换流器的直流侧接口与直流线路，具有较好的适用性。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，其特征在于，所述断路器包括换流器限流区域、正极线路通流区域、负极线路通流区域和断流区域；
换流器限流区域包括第一限流回路、第二限流回路、第一通流支路、第二通流支路、第一换流器出线选择开关和第二换流器出线选择开关；正极线路通流区域包括正极母线、第三通流支路、第一直流线路选择开关、第二直流线路选择开关和正极线路；负极线路通流区域包括负极母线、第四通流支路、第三直流线路选择开关、第四直流线路选择开关、负极线路和极间短路选择开关；断流区域包括主断开关、第一断流母线、第二断流母线和母线短路选择开关；
第一限流回路和第二限流回路的一端均接入换流器；第一限流回路的另一端通过第一通流支路接入正极母线，并通过第一换流器出线选择开关接入第二断流母线；第二限流回路的另一端通过第二通流支路接入负极母线，并通过第二换流器出线选择开关接入第二断流母线；k条正极线路上均设置第三通流支路，且第三通流支路的一端接入正极母线，并通过第一直流线路选择开关接入第一断流母线；第三通流支路的另一端通过第二直流线路选择开关接入第二断流母线；k条负极线路上均设置第四通流支路，且第四通流支路的一端接入负极母线，并通过第三直流线路选择开关接入第一断流母线，还通过极间短路选择开关接入第二断流母线；第四通流支路的另一端通过第四直流线路选择开关接入第二断流母线；母线短路选择开关的一端接入第一断流母线，另一端接地；第一断流母线与第二断流母线之间设置主断开关。
2.根据权利要求1所述适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，其特征在于，第一限流回路和第二限流回路的元件连接方式均如下：
二极管D1～D4组成外环全桥，二极管D5～D8组成内环全桥；二极管D1的阴极通过限流电抗L1与二极管D5的阳极相连，并通过串并联选择开关SL1与二极管D8的阳极相连；二极管D2的阳极通过限流电抗L2与二极管D8的阳极相连，并通过串并联选择开关SL2与二极管D5的阳极相连；限流电抗L3设置于二极管D5的阴极与二极管D7的阳极之间。
3.根据权利要求2所述适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，其特征在于，串并联选择开关SL1和串并联选择开关SL2的元件连接方式均如下：
第一快速机械开关与晶闸管T0串联，再与晶闸管T1～T4组成的晶闸管组并联，电容C设置于晶闸管T1的阴极与晶闸管T3的阳极之间；其中第一快速机械开关与晶闸管T0串联构成低损耗支路，晶闸管组与电容C构成辅助断流支路。
4.根据权利要求1所述适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，其特征在于，第一通流支路、第二通流支路、第三通流支路和第四通流支路的元件连接方式均如下：
第二快速机械开关与负荷转移开关串联，所述负荷转移开关为二极管D9～D12组成全桥，且第一IGBT设置于二极管D9的阴极与二极管D11的阳极之间。
5.根据权利要求1所述适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，其特征在于，母线短路选择开关和极间短路选择开关的结构均为单向晶闸管；第一换流器出线选择开关、第二换流器出线选择开关、第一直流线路选择开关、第二直流线路选择开关、第三直流线路选择开关和第四直流线路选择开关的结构均为晶闸管与二极管反并联。
6.根据权利要求1所述适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，其特征在于，所述主断开关为多个主断子开关串联组成；所述主断子开关的元件连接方式如下：
MOA与二极管D13～D16组成的全桥并联，第二IGBT与第三快速机械开关并联后设置于二极管D13的阴极与二极管D15的阳极之间。
7.根据权利要求1所述适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，其特征在于，所述断路器的动作过程分为以下几个阶段：
阶段1：稳态运行阶段t0～t1，t0为配电网稳态运行开始时刻，t1为发生短路故障时刻；各线路电流流经相应的通流支路，第一限流回路和第二限流回路均处于稳态运行模式，串并联选择开关SL1和串并联选择开关SL2中的低损耗支路导通，辅助断流支路关断，限流电抗L1～L3并联运行，其他开关均处于关断状态；
阶段2：故障限流阶段t1～t2，t2为限流回路切换完成时刻；t1时刻串并联选择开关SL1和串并联选择开关SL2开始断开，t2时刻完成断开；t0时刻前晶闸管T1和晶闸管T3导通，电容C进行预充电，当电容C的电压等于系统电压后，充电电流降为0，晶闸管T1和晶闸管T3关断；选取阶段2中的四个时刻t1Ⅰ～t1Ⅳ，当检测到桥臂电流突变后，t1Ⅰ时刻触发晶闸管T2和晶闸管T4承受正压导通，此时晶闸管T0与电容C并联而承受反压，电流快速下降，同时第一快速机械开关开始分断，t1Ⅱ时刻晶闸管T0电流低于维持电流而关断，第一快速机械开关彻底关断，t1Ⅲ时刻电容C结束放电，开始反向充电，限流电抗L3的电流路径由D8-L3-D6逐渐向D5-L3-D7转移，t1Ⅳ时刻电流完全转移至D5-L3-D7回路；t2时刻晶闸管T2和晶闸管T4因电流小于维持电流而关断，下次故障时由晶闸管T1和晶闸管T3辅助关断串并联选择开关SL1和串并联选择开关SL2；
阶段3：电流转移阶段t2～t3，t3为电流转移完成时刻；在限流回路的作用下，电流上升速率被抑制，换流器的桥臂电流不会导致换流器闭锁；选取阶段3中的两个时刻t2Ⅰ和t2Ⅱ，在t2Ⅰ时刻完成故障检测，导通故障线路对应的开关，通流支路电流下降，t2Ⅱ时刻第二快速机械开关开始分断，闭锁负荷转移开关，t3时刻达到第二快速机械开关安全关断条件而彻底关断，电流转移至主断开关以隔离故障；
阶段4：故障清除阶段t3～t4，t4为故障清除完成时刻；在阶段3的t3时刻电流转移完成后，选取阶段4中的某个时刻t3Ⅰ，闭锁电力电子断流支路，残余能量通过MOA耗能支路耗散，电流逐渐减小，t4时刻电流降为零，完成故障清除；
阶段5：重合闸阶段t4～t5，t5为恢复正常运行时刻；在阶段4的t4时刻故障被清除后，经过150ms～300ms的去游离时间，此后再选取某个时刻t4Ⅰ闭合故障线路通流支路的第二快速机械开关，导通第一IGBT，若故障为瞬时性故障，在t5时刻闭合串并联选择开关第一快速机械开关，导通晶闸管T0，限流电抗并联，恢复正常运行；若故障为永久性故障，则限流电抗保持串联状态，再次执行阶段3至阶段4的故障清除过程。
8.根据权利要求7所述适用于柔直配电网的阻感型限流式多端口直流断路器，其特征在于，所述阶段3中的故障包括单极接地短路、母线接地短路、极间短路和多线路同时短路。
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