500 kV耦合负压换流型混合式直流断路器原理与研制

张翔宇 ,余占清 1,2 ,黄瑜珑 1,2 ,陈政宇 ,屈鲁 1,2 ,曾嵘 1,2 ,杨悦民 ,肖风良 4  

(1.电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系),北京市 海淀区 100084;2.清华大学能源互联网研究院先进直流技术研究中心,北京市 海淀区 100084;3.北京电力设备总厂有限公司,北京市 房山区 102401;4.山东泰开高压开关有限公司,山东省 泰安市 271001)

摘要

多端柔性直流系统在分布式能源和直流负荷接入、网络柔性互联、电能质量等方面具有显著优势,成为未来电网的重要发展趋势。为了保证多端柔性直流系统安全稳定可靠运行,需要能够在数毫秒内开断故障电流的直流断路器。本文面向张北±500 kV柔性直流电网示范工程的应用需求,开展了500 kV直流断路器原理研究与样机研制。首先,提出500 kV耦合负压换流型混合式直流断路器系统方案,给出其拓扑结构、工作原理和控制逻辑;进而,设计基于电磁斥力操动机构和电磁缓冲机构的快速机械开关、基于二极管和复合被动保护支路的交叉桥式电力电子开关和基于耦合负压电路的换流装置等;最后,研制500 kV耦合负压换流型混合式直流断路器工程样机进行实验验证。研究结果表明,研制的100 kV混合式直流断路器能够在3 ms开断25 kA短路电流,具有低损耗、低成本、高可靠性等特点,相关成果已经过实验验证。

关键词 : 直流断路器;耦合负压换流;交叉桥式电力电子串联阀组;电磁斥力操动机构

基金项目: 国家重点研发计划(2017YFB0902402);国家自然科学基金项目(51477089);国家电网公司科技项目(SGZJ0000BGJS1600326)。

0 引言

相比于交流电网,以柔性直流系统为基础的直流电网,在较大容量电力传输、分布式能源接入、交流系统无功支撑等方面显示出明显的优势,是未来电网的重要发展方向 [1-4] 。在直流电网中,需要应用数毫秒内开断大电流的直流断路器来快速切除故障设备或线路,以保证直流系统非故障部分的稳定运行,提高系统可靠性。因此,直流断路器的研发技术是发展直流电网的关键技术之一 [5-7] 

直流断路器按拓扑方案主要分为机械式直流断路器、固态式直流断路器和混合式直流断路器三种。其中,混合式直流断路器具备无电流分断死区、可控性强、可快速重合闸等优势,可满足柔性直流电网对断路器提出的所有要求,是目前国际上的主流技术路线 [8-9] 

本文提出了一种基于快速开关—电力电子直串阀的低损耗混合式直流断路器拓扑结构(耦合负压式混合断路器),通态损耗近零,支持重合闸,可控性强,支持电流差异化配置;进行了直流系统和直流断路器仿真分析;设计了500 kV电压等级直流断路器,研制了100 kV断路器模块并多次实验验证了可行性和技术性能。

1 耦合负压型混合式直流断路器原理

1.1 混合式直流断路器原理

混合式直流断路器结构及操作过程如图1和图2所示,正常情况下,电流通过机械开关;故障时,机械开关断开,电流换至电力电子开关,再通过电力电子开关实现开断。该方案结合了传统的机械开关和全固态断路器的优点,通态损耗低,开断速度快,寿命长。其开断时间主要取决于机械开关的动作时间,可以满足快速切除故障电流的要求。其中,电流从机械开关到电力电子开关的转移有时需要相应的辅助换流措施,如与机械开关串联辅助电力电子开关,或增加其他辅助换流电路等。

图1 混合式断路器拓扑结构 
Fig.1 Topology of hybrid circuit breaker

图2 混合式断路器操作时序 
Fig.2 Operation timing of hybrid circuit breaker

1.2 换流方式分类

混合式直流断路器的换流方式分为自然换流与强制换流,其中强制换流又分为阻抗型与电源型两种,如图3所示。

自然换流是利用机械开关燃弧时的电弧压降,驱使电流从机械开关转移到电力电子开关。但该方案受限于机械开关弧压,随着电压等级的提高,电力电子器件串联数量增加,通态压降升高,仅利用触头间的弧压可能无法将电流完全转移至电力电子支路,造成关断失败,这时就需要使用强制换流方案。

阻抗型强制换流是在机械开关支路上串联阻抗可变的辅助设备(一般通过电力电子开关实现),通流时维持长期通态,需要换流时切换到高阻抗态,实现电流向电力电子开关的转移。电源型强制换流是在机械开关—电力电子开关环路中加入一个可控电压源实现电流转移。根据可控电源的位置又可以分为I型与II型。其中I型中可控电源放置在机械开关支路上,设备需要在通流时维持长期通态,并在换流时产生电压驱使电流转移。II型则是将电压源放置在电力电子开关支路上,设备仅需要在断路器动作过程中实现换流,不需要维持长期通流。

图3 混合断路器的换流方式 
Fig.3 Commutation method of hybrid circuit breaker

目前混合式直流断路器中,使用阻抗型强制换流较多,原因是其换流过程直接,设计简洁,并且容易实现双向换流。2011年,ABB利用4.5 kV/4 kA StakPak IGBT串联,设计出额定值为80 kV/2 kA的混合式直流断路器,最大开断电流达9 kA [10-11] ,用电力电子辅助开关实现阻抗型强制换流,其拓扑结构如图4所示。

图4 ABB 使用辅助开关的混合式断路器 [10] 
Fig.4 ABB hybrid circuit breaker with auxiliary switch

用辅助开关实现的阻抗型强制换流方式虽然设计上简单直接,但是目前在工程实现上仍存在一些不足:

1)引入通态损耗,并且电力电子器件需要额外的水冷设备,造成额外的设备成本与运行成本。

2)辅助开关除了长期耐受额定直流电流外,还需要耐受在系统中可能出现的短时过负荷电流与浪涌电流,对电力电子开关的通流能力要求较高。

3)在系统正常运行时,若发生断电,辅助开关将会在系统电流冲击下损坏,此外若辅助开关无法做到失效短路模式,则会进一步引起系统功率输送困难,需要配合旁路开关。

1.3 耦合负压换流方式原理

由前文可知,只有电源型强制换流方式可以将换流设备放置在电力电子开关支路上,但是相比阻抗型换流方式,电源型换流在设计上更加复杂:

1)产生的电压需要有足够的幅值与时间,保证电流可靠转移。

2)非转移过程中,不影响断路器正常工作。

3)设计转移双向电流困难。

2015年,清华大学提出了一种基于耦合负压电路的低损耗强制换流混合式直流断路器,如图5所示 [12-13] 。其工作原理是:正常运行时,耦合负压电路原边回路中开关处于关断状态,电容器C预充一定电压,线路电流由快速真空开关导通;线路短路故障时,同时导通主电力电子开关,并给快速真空开关发送分闸命令,待触头分开时,控制原边回路中开关导通,C与原边电感振荡,通过副边电感在电力电子支路耦合一个负压,使电力电子支路整体导通压降低于快速真空开关弧压,从而强制电流由快速真空开关支路转移至主电力电子开关支路,机械开关支路电流过零熄弧,完成电流转移。

图5 耦合负压式混合直流断路器 
Fig.5 DC circuit breaker based on coupled negative voltage commutation

耦合负压装置原边回路可以产生双向电压,从而实现双向电流的转移。在设计中,通过调整参数,可以使所能转移的正向电流大于正向最大短路电流,所能转移的反向电流大于反向最大短路电流。

基于耦合负压装置的换流方案与主通流支路串联电力电子开关换流方案的特性对比如表1。耦合负压装置不会增加直流断路器的通态损耗,无需水冷散热。相比于其它换流方式,该拓扑更加简单、可靠,且运行维护成本更低。此外,耦合负压装置的最大换流时间由内电路参数决定,在500 kV直流断路器中,设计的耦合负压装置可以保证-25 kA~0~+25 kA全电流范围0.6 ms内完成换流。

表1 两种换流方案特性对比 
Table 1 Characteristics comparison of two converter schemes

1.4 操作时序及应力分析

耦合负压型混合式直流断路器的操作时序及应力分析如图6所示。

图6 操作时序及单次开断过程应力 
Fig.6 Operation timing and stress during a single breaking process

~t :t 之前直流断路器主通流支路流过系统正常电流。t 时刻发生短路故障,电流开始上升,t 至t 时间为控制保护系统故障检测时间。t 时刻直流断路器接收到分闸命令,开始执行分闸操作,快速机械开关开始分闸,电力电子开关开通。

~t :t 时刻快速机械开关执行分闸操作,由于机械惯性,触头在延时一定时间后开始运动和分离,触头间距离逐渐增加。

~t :快速机械开关触头分开到一定距离时,t 时刻触发耦合负压装置依次产生正反向电压。t 时刻电流完全换流至转移支路。该过程根据开断电流方向有所不同:开断正向电流时,耦合负压产生振荡电压使机械开关在1/4个振荡周期(振荡周期0.6 ms)前熄弧;开断反向电流时,耦合负压产生振荡电压使机械开关在3/4个振荡周期前熄弧。该过程的关键是耦合负压可产生较高电压促使电流可靠转移。

~t :电力电子开关导通电流,机械开关触头距离继续增加。t 时刻之前触头间隙建立起能够承受开断过电压的绝缘开距,t 时刻电力电子开关关断。该过程中电力电子开关需要承受并关断系统可能达到的短路电流。

~t :电力电子开关关断后,电流换流至能量吸收支路避雷器,直至电流衰减。此过程中机械开关与电力电子支路需要承受被避雷器限制的系统过电压。

2 500 kV耦合负压型混合式直流断路器设计

根据系统参数,对直流断路器提出的主要参数如表2所示。

表2 500 kV断路器主要参数需求 
Table 2 Main parameters of 500 kV circuit breaker

针对上述直流断路器的参数需求,本节将详细介绍500 kV耦合负压型混合式直流断路器的设计方案,具体包括快速分断及恢复的机械开关支路设计、大容量高冗余的电力电子开关支路设计、可靠换流的耦合负压装置设计和整体结构设计。

2.1 快速分断及恢复的机械开关支路设计

需要指出的是耦合负压式断路器中的机械开关与其他方案中的工况不同。使用主支路串联辅助开关可以使机械开关无弧分断,对机械开关的弧后恢复特性没有要求;而耦合负压换流方式中,机械开关仍然需要在t -t 时持续燃弧。在t 时刻熄弧后快速恢复,并在t 时达到系统过电压水平的绝缘距离。

首先,为满足快速分断的要求,选取电磁斥力型操动机构,其基本结构如图7(a)所示,等效电路如图7(b)所示。其原理是用晶闸管控制储能电容对分闸线圈放电,分闸线圈中流过脉冲电流,在一个与开关触头连接的金属盘中感应出与线圈电流方向相反的涡流,从而产生斥力,驱动金属盘带动拉杆以及动触头运动,实现分闸操作,具有动作速度快、分合闸特性好、消耗能量少、结构简单、可靠性高的特点。

图7 电磁斥力操动机构工作原理 
Fig.7 Working principle of electromagnetic repulsion operating mechanism

其次,为了使机械开关具有快速绝缘恢复的能力,需要选取合适的灭弧室。常用的灭弧室主要包括真空灭弧室和SF6灭弧室。真空灭弧室与其它类型灭弧室相比,触头质量轻、超程短、开距小、弧后绝缘恢复速度快,易于实现快速分合闸,同时具有安全可靠、寿命长、维修工作量小、对环境无污染等特点。因此,本设计中快速机械开关首选真空灭弧室,使用8台100 kV规格的真空灭弧室进行串联构成机械开关支路。

适用于500 kV耦合负压型混合式直流断路器的快速机械开关样机如图8所示。

图8 快速机械开关样机 
Fig.8 Fast mechanical switch prototype

2.2 大容量高冗余的电力电子开关支路设计

电力电子开关需要在t -t 期间承受系统的短路电流并关断,并且在t 之后耐受系统过电压。考虑最大关断电流25 kA,应选择瞬态关断能力较强的IGBT或IEGT,并且通过串并联构成高压大电流的电力电子开关。

综合比较市场上不同厂家的器件特性、价格以及工程应用可靠性,选取东芝的4.5 kV/3 kA IEGT构成电力电子开关。针对断路器工况,对IEGT进行断路器工况实验,可得出单个IEGT可成功通流并关断22 kA电流(电流波形在0 ms~3.5 ms上升至23.5 kA,随后在3.5 ms~5 ms时缓慢下降至22 kA,并在5 ms时关断,关断后电压应力最大值为3.8 kV),如图9所示。

图9 单个IEGT断路器工况通断22 kA试验 
Fig.9 22 kA test of single IEGT

使用两个IEGT并联构成一个电力电子模块,保证25 kA关断能力有足够的裕度。对于IEGT并联,需要筛选通态压降相近的器件,同时设计对称的结构,并注意驱动控制信号的一致性,其拓扑结构如图10所示。

图10 由两个IEGT并联构成的电力电子模块拓扑 
Fig.10 Topology of power electronics module consisting of two IEGTs connected in parallel

单个子模块关断28 kA的试验结果如图11所示,两个器件均流效果良好。

图11 模块测试波形 
Fig.11 Module test waveform

对于模块串联,选取采用独立避雷器保护各级子模块器件的方式,保证在关断耐压过程中,每一级子模块的端间电压不超过3.6 kV,500 kV断路器中电力电子开关支路共使用320个模块串联从而达到足够的电压耐受水平。需要说明的是,子模块上的独立避雷器仅起到过压保护作用,系统能量由另外的耗能支路吸收。能量吸收支路上避雷器残压为800 kV,这样平均到每个子模块上的电压是2.5 kV,远低于子模块避雷器电压,可保证吸收系统能量过程中子模块上避雷器几乎不动作。

适用于500 kV耦合负压型混合式直流断路器的大容量高冗余的电力电子开关支路样机如图12所示。

图12 转移支路电力电子开关实物图 
Fig.12 Diagram of the power electronic switch of transfer branch

500 kV耦合负压型混合式直流断路器中含多种设备、支路连接复杂,同时需要综合考虑各种相关的复杂因素,如爬电距离、绝缘间隙、内部电磁干扰、杂散电感、重量分布、防火、抗震、安装简便性、维护和试验简易性等,因此对断路器整体结构进行了设计,如图16所示,主要由快速机械开关模块、阀模块、耦合负压模块、屏蔽罩、支撑结构、避雷器、隔离供电系统、行线槽等元部件组装而成,通过管母、光纤等实现与直流输电系统其他一次设备及二次控制系统的连接。

2.3 可靠换流的耦合负压装置设计

耦合负压装置需要产生高速的振荡电压促使断路器在双向情况下可靠换流,是保证断路器正常开断的关键技术。根据耦合负压装置的原理,其换流时间随电流幅值的增大而增加,且大电流下换流更加困难。因此应考虑额定开断电流的工况,即最大换流的工况。

耦合负压装置副边负载为主通流支路快速机械开关、转移支路电力电子开关以及换流回路的杂散阻抗,将副边负载进行等效后的换流回路电路如图13所示。

图13 耦合负压装置原理 
Fig.13 Principle of the coupled negative voltage device

根据数学模型,结合实际互感器结构匝数与放电回路成本,同时兼顾换流时间与机械开关的熄弧过程,对耦合参数进行综合优化计算得出设计参数,正向、反向电流从主通流支路换流至转移支路的仿真结果如图14所示。

可见,正向、反向电流均可在0.6 ms内快速完成换流。事实上,系统中出现的最大电流约21.6 kA,在设计上将换流能力提高到25 kA,从而确保换流可靠。

适用于500 kV耦合负压型混合式直流断路器的大容量高冗余的耦合负压装置样机如图15所示。

2.4 整体结构设计

图14 正反向换流波形 
Fig.14 Forward and reverse commutation waveform

图15 耦合负压装置样机 
Fig.15 Prototype of coupled negative voltage device

图16 直流断路器整机结构 
Fig.16 Structure of the DC circuit breaker

3 100 kV样机实验

3.1 试验平台

试验平台如图17所示,试验前,K 0、K 1、K 2、K3为分闸状态,晶闸管K未触发,机械开关

支路CB合闸。试验时:①首先K 0合闸,按照表1参数充电电源U给电容器组C充电至指定电压,充电完成后将K 0分闸;②触发晶闸管阀K和机械开关K2导通,电容器组向试品放电,当电流上升到峰值时由试品开断电流;③电流开断后,K 1合闸,将电容器组中的残余能量释放掉,然后K3合闸将试品中电力电子支路缓冲电容中的残余能量释放;④最后将K1、K2、K3分闸,准备下次开断试验。

图17 短路电流开断试验接线图 
Fig.17 Test platform for short-circuit current breaking

3.2 整机全电流实验

截止目前,已经研制生产了500 kV断路器中的100 kV模块,如图18所示,包括1个100 kV快速机械开关、1个耦合负压装置和64个电力电子串联模块。

图18 耦合负压直流断路器100 kV模块 
Fig.18 100 kV coupled negative voltage DC breaker module

图19 100 kV模块实验测试波形 
Fig.19 Test results of 100 kV DC breaker module

对断路器中的快速机械开关、耦合负压装置以及串联电力电子开关模块进行整体联合测试,其在25 kA下的正反向电流开断波形如图19中所示。当断路器收到分断指令后,机械开关动作,1.5 ms后触发耦合负压电路,电流在600 μs内全部转移至电力电子开关,同时机械开关熄弧,电力电子开关持续导通直至机械开关的绝缘恢复,随后电力电子开关关断,关断产生的过电压被MOV钳位在160 kV。由于实验平台能量较低,电流在约0.2 ms时间内下降至0,关断过程结束。

经实验验证,100 kV直流断路器模块从机械开关动作至电力电子开关关断的时间为2.8 ms。

4 结论与总结

本文围绕500 kV混合式直流断路器原理与样机研制,提出了基于耦合负压的混合式高压直流断路器的拓扑方案,设计了500 kV耦合负压型混合式直流断路器样机。

1)研究了基于电力电子技术的直流断路器原理,分析了直流断路器的换流类型,提出了耦合负压换流方案。该方案可适应不同电压等级的电力电子器件串联导通压降,保证电流从机械开关支路快速可靠地转移至电力电子开关支路,同时不增加通态损耗,拓扑方案及时序控制简单可靠。

2)选取真空灭弧室与电磁斥力机构,研制出100 kV等级快速机械开关,串联数仅需要8个就可以构成500 kV断路器中的机械开关支路,达到目前行业内的最高水平。

3)提出了基于二极管和复合被动保护支路的交叉桥式电力电子串联阀组拓扑,可实现双向电流快速开断功能,大幅降低了电力电子支路成本,同时也是第一个成功应用IEGT的断路器电力电子开关。

4)搭建了电力电子串联阀组实验平台和混合式直流断路器实验平台,可实现直流断路器开断性能测试,成功进行了快速机械开关支路实验、电力电子开关支路实验和混合断路器整体联调等实验。

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Principle and Development of 500 kV Hybrid DC Circuit Breaker Based on Coupled Negative Voltage Commutation  

ZHANG Xiangyu , YU Zhanqing 1,2 , HUANG Yulong 1,2 , CHEN Zhengyu , QU Lu 1,2 , ZENG Rong 1,2 
YANG Yuemin , XIAO Fengliang 
(1.State Key Lab of Control and Simulation of Power System and Generation Equipment (Department of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China;2.Advanced DC Power Center, Energy Internet Research Institute, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China;3.Beijing Power Equipment Group Co., Ltd., Fangshan District, Beijing 102401, China;4.Shandong Taikai High Voltage Switchgear Co., Ltd., Taian 271001, Shandong Province, China)

Abstract: Due to its significant advantages in transmission capacity and efficiency, distributed energy and DC load access,and power quality, the multi-terminal flexible DC system has become the main development trend of DC grid in the future.In order to ensure the safe, stable and reliable operation of the multi-terminal flexible DC system, it is necessary to apply a DC circuit breaker capable of breaking the fault current within a few milliseconds.For the application requirements of Zhangbei ±500 kV flexible DC power grid demonstration project, the principle research and prototype development of 500 kV DC circuit breaker are carried out.Firstly, the scheme of 500 kV hybrid DC breaker based on coupled negative voltage commutation is proposed, and its topology, working principle and control logic are given.Furthermore, a fast mechanical switch based on an electromagnetic repulsion operating mechanism and an electromagnetic buffer mechanism, a cross-bridge power electronic switch based on a diode and a composite passive protection branch, and a commutation device based on a coupled negative voltage circuit are designed.Finally, an experimental prototype of a 500 kV hybrid DC circuit breaker based on coupled negative voltage commutation is developed.The research results show that the prototype of 100 kV hybrid DC circuit breaker can break the 25 kA short-circuit current within 3 ms.The 500 kV hybrid DC circuit breaker based on coupled negative voltage commutation has advantages of low loss, low cost and high reliability, and related results have been verified by experiments.

Key words: DC circuit breaker; coup led negative voltage commutation; cross bridge power electronic series valve;electromagnetic repulsion operating mechanism

National Key Research and Development Program of China(2017YFB0902402); National Natural Science Foundation of China (51477089); Science and Technology Foundation of SGCC(SGZJ0000BGJS1600326).

张翔宇

作者简介:

张翔宇(1992),男,博士研究生,主要从事直流电网及其关键装备研究,E-mail:zhangxiangyu11@gmail.com。

余占清(1981),男,博士,副教授,主要从事超特高压交直流输电中的电磁暂态及其防护、电磁环境与电磁测量、直流电网及其关键装备等研究,E-mail:yzq@tsinghua.edu.cn。

黄瑜珑(1964),男,博士,副教授,主要从事超特高压交直流输电中的电磁暂态及其防护、电磁环境与电磁测量、直流电网及其关键装备等研究,E-mail:yulonghuang@mail.tsinghua.edu.cn。

曾嵘(通信作者,1971),男,博士,教授,主要从事超特高压交直流输电中的电磁暂态及其防护、电磁环境与电磁测量、直流电网及其关键装备等研究,E-mail:zengrong@tsinghua.edu.cn。

(责任编辑 张宇)


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