0 引言
地域能源资源分布和经济发展的不均衡很大程度上制约着中国能源的运转效率，因此实现全国范围内的资源优化配置和能源优化供给是21世纪中国能源和电力工业建设的基本战略[1-2]。高压直流输电在远距离、大容量输电和电力系统联网方面具有显著优势[3-8]。然而多端直流输电系统换流站较多，成本高，且一条线路发生故障之后会造成整条线路全部退出运行，可靠性低[9-10]。此外，相较于交流系统，直流电网对于故障响应时间具有更高的要求，因此传统的交流系统保护并不适用于直流电网[10-13]。
直流断路器的配置是直流电网保护策略中的一个关键环节，目前直流断路器主要分为机械式直流断路器、全固态直流断路器和混合式直流断路器[14-17]。新型的混合式直流断路器具有通态损耗小、响应速度快、可控性好、无需专用冷却设备等优点，能够灵活地控制故障短路电流，无需闭锁所有换流站，具有良好的应用前景和研究价值[17-21]。
文献[20]提出一种高压直流断路器的避雷器分步投入分断方法，能够在系统发生故障后加快避雷器投入从而降低故障电流峰值大小，减小高压直流断路器中关键器件所受的电流应力；文献[21]提出一种高压直流断路器快速限流控制，能够在系统故障后快速地将故障电流限制在预设值周围。文献[22]提出一种高压直流断路器限流优化控制方法，能够减少限流过程中避雷器投入次数，延长高压直流断路器中避雷器使用寿命。
然而在实际运行过程中，直流输电系统各类故障产生原因不尽相同，其处理方式也应相应随之改变。本文基于一种典型的高压直流断路器，首先阐述了该混合式直流断路器的无弧分断及限流控制原理，之后针对实际运行过程中可能遇到的不同故障类型，提出一种基于限流控制的高压直流断路器差异化可靠性控制策略，该控制策略能够识别瞬时故障及永久故障，并进行差异化处理，增强了系统的可靠性和稳定性。最后通过PSCAD/EMTDC仿真分析，验证了该控制策略对不同故障类型的有效处理。
1 高压直流断路器限流控制
1.1 无弧分断原理
本文基于一种能够实现无弧分断的混合式高压直流断路器，其拓扑如图1所示，该直流断路器主要由三条支路并联而成，分别为主支路、转移支路以及能量吸收支路。其中，主支路由绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）开关阀组Tm以及机械开关K串联而成；转移支路由IGBT开关阀组T1、T2、T3、T4串联而成；能量吸收支路由多组金属氧化物避雷器串联而成[20]。
图1 混合式高压直流断路器
Fig.1 Hybrid HVDC circuit breaker
在直流系统运行正常时，机械开关K及各IGBT阀组均为导通状态。由于避雷器在电流值大小正常时阻值很大，且主支路IGBT串联个数较小，导通时阻值相对于转移支路可以忽略不计，电流主要经主支路流过[20]。
直流系统相较于交流系统阻抗很小，因此在发生短路故障后，短路电流增大速度很快。高压直流断路器在接收到系统的故障信号后将迅速进行分断[20]。其过程主要包括以下4步：
1）IGBT开关Tm首先关断，短路电流迅速从主支路转向转移支路。
2）在电流完全转移到转移支路后之后，机械开关K立即开断，由于主支路电流几乎为0，因而不产生电弧。
3）随着分断进行，机械开关K的耐压能力不断增大。当达到预设值后，转移支路IGBT开关同时关断，短路电流逐渐向能量吸收支路转移。
4）金属氧化物避雷器具有优异的非线性伏安特性[25]，在投入后能够形成反电势，进而将短路电流降为0。
1.2 限流控制原理
如前所述，金属氧化物避雷器具有优异的非线性伏安特性，因此在系统发生故障后，可以按次序投入特定组数的避雷器进而形成相应大小的反电势，将短路电流大小控制在预设值周围。
含高压直流断路器的系统运行简化图如图2所示，为简化分析，设换流站输出电压为一恒值，等效电阻Req为Req1与Req2之和，Req1为未被短路的阻值大小，Req2为被短路的阻值大小，可知当Req1为0时，系统故障最严重；等效电感为Ldc，设直流系统发生对地短路故障，其位置为Req1和Req1之间。
图2 含高压直流断路器的系统运行简化图
Fig.2 Simplified system with DC circuit breaker
设短路故障发生时刻为初始时刻，则故障发生后电流的大小可由公式（1）表示：
式中：IdcN为故障发生时刻系统的电流大小；Ldc是系统等效的电感值大小；Vdc是系统等值电压大小。
按特定次序将转移支路各IGBT阀组投入，则其并联的避雷器能够形成反电势，进而控制电流值大小，达到限流的目的。避雷器投入后电流大小计算如公式（2）所示：
式中：n为投入的避雷器组数；Vvar为一组避雷器投入能够形成的反电势值。
由于每组避雷器吸收能量有限，因此需要进行能量平衡进而尽可能提高可吸收的能量值。基于能量平衡的限流控制过程如图3所示，限流控制主模块“EBA（energy balancing algorithm）Trigger”模块含有三个输入端口，分别输入：避雷器投入组数NT，其中，Iref为限流参考值，PI控制的上下限定值分别为0、1；避雷器吸收能量E1、E2、E3、E4；频率为fw的0/1触发信号。转移支路各IGBT阀组的投入次序从右端端口输出[21]。
图3 直流侧限流控制
Fig.3 Current limiting control on DC side
限流控制过程如下：通过将当前电流值大小与参考值大小进行对比计算得到应投入避雷器组数NT，当触发信号输入为1时，“EBA Trigger”模块对各组避雷器当前吸收能量值进行排序，并将能量值最小的NT组避雷器并联的IGBT控制信号设置为0，即关断并投入并联避雷器，其余设置为1，即导通不投入避雷器。当触发信号输入不为1时，输出端口保持不变[22]。
2 差异化可靠性控制策略
本文基于高压直流断路器限流功能，提出一种的差异化可靠性控制策略，用以识别瞬时故障及永久故障，并进行差异化处理。该控制策略由四部分组成，控制过程如图4所示，其中t为限流控制时间；Tref为限时参考值；Emax为E1、E2、E3、E4中的最大值；Eref为限能参考值。其具体控制如下：
1）振荡电流恢复控制。在多端直流输电系统中，一条线路如果发生故障通常会引起其他非故障线路电流的振荡，进而导致非故障端线路不必要切断，影响系统供电可靠性。振荡电流恢复控制利用高压直流断路器的限流功能将故障电流限制在参考值附近，在限流期间若电流值恢复为额定值，则高压直流断路器退出限流控制，即转移支路完全导通，随后主支路逐渐导通。系统恢复正常运行状态，避免了不必要的停运，增强系统供电可靠性。
2）限能自关断控制。在限流控制中需要对避雷器剩余可吸收能量值预留一定容量，从而保证在限流控制后依然能够完全断开故障电流。由于直流断路器可断开能力受可吸收能量值最低一组避雷器限制，因此当四组避雷器吸收能量最大值Emax达到参考值Eref后立即完全断开转移支路，进而完全断开直流断路器，系统电流变为0。
需要说明的是，如果一次投入过程中断开转移支路的原因是由限能自关断判定导致，那么二次投入过程中，在故障依然存在的情况下，限能自关断判定会立即再次断开转移支路，且由于二次投入仅导通转移支路，机械开关并未闭合，而转移支路由全固态开关组成，二次关断时间将大大减少，峰值电流将大大降低。
3）限时自关断控制。如果系统发生永久性故障，高压直流断路器必须关断，然而系统中可能存在部分设备无法立即退出，且部分大机组如果立即退出系统会对系统稳定性造成很大影响。限时自关断控制能够在限流时间t达到Tref后再断开直流断路器，从而为其他设备的动作或其他控制策略的进行争取时间。
需要说明的是，限时自关断控制能够在其他设备退出或控制策略完成之后断开转移支路，为瞬时故障熄弧控制做准备。由于已经进行过一次完全关断，二次投入过程中不需要再进行限时自关断判定。
4）瞬时故障熄弧控制。当高压直流输电线路发生故障后，部分短路引起的电弧可以在电流变为0之后自行熄灭。然而直流电流没有自然过零点，瞬时故障熄弧控制能够在限能自关断控制或限时自关断控制断开转移支路之后，进行二次预投入，即先仅导通转移支路并进入故障等待，如果电弧自行熄灭，直流电流将恢复额定值，之后避雷器完全闭合，系统恢复正常运行；如果电弧依然存在，则进行限流控制，并根据故障清除状况进行判定与控制。
高压直流断路器的差异化可靠性控制不需要在故障检测阶段便区分故障类型，而是根据限流控制的时间以及避雷器可吸收能量进行直流断路器的开断，因此控制灵活。
3 仿真及算例分析
图4 差异化可靠性控制
Fig.4 Differentiation reliability control strategy
设系统电压等级为200 kV，含无弧分断混合式直流断路器的简化系统如图1所示。含高压直流断路器系统的各参数如表1所示，本文利用短路故障以及故障持续时长的不同模拟实际运行中的短路以及电流波动等故障，并对高压直流断路器差异化可靠性控制策略进行仿真分析。
在现实中，短路电流故障峰值大小与电流上升速度通常都要大于振荡电流，此外，振荡电流可以自行恢复，而短路电流需要通过切断断路器进行恢复或无法自行恢复。在本文的模拟中，认为是否需要完全切断电流是影响断路器控制的主要因素，因此仿真中针对该特点加以区分。电流的上升速度以及电流峰值大小不会对控制过程产生本质影响，因此未加以区分。
表1 系统模型参数
Table1 Parameters of corresponding system
3.1 限流控制
假设直流系统在0.100 s处发生最严重短路故障，即Req1值为0。高压直流断路器收到故障信号后立即进行限流控制，其电流波形如图5所示，其中，Imain为流过主支路的电流，Itran为流过转移支路与能量吸收支路的电流之和。
从图中可知，主支路电流在短路故障发生后迅速增大，约2 ms后收到故障信号并立即关断开关Tm，电流迅速转移至转移支路；约2 ms后机械开关K达到分断要求，立即关断转移支路并投入避雷器对电流大小进行限制，此时电流达到峰值8.64 kA；之后避雷器形成相应大小的反电势，将电流控制在参考值3 kA周围。
图5 限流控制下电流波形
Fig.5 Current under control
3.2 差异化故障自处理控制
3.2.1 振荡电流恢复控制
设直流系统在0.100 s处发生电流振荡，持续时间为30 ms，本文以持续30 ms的短路故障模拟电流振荡，Req1值为0，Req2值为133.3 Ω。振荡电流恢复波形如图6所示，其中，Idc为系统电流值，其大小为流经高压直流断路器三条支路的电流之和。电流振荡后，直流断路器迅速将电流大小限制在3 kA周围，0.13 s处恢复正常后，电流逐渐降低到额定值，系统恢复正常运行。其中，直流断路器的限流控制的时间t约为26 ms，在参考值56 ms范围内。单组避雷器吸收能量最大值约为4.462 MJ，在参考值7 MJ范围内。
图6 振荡电流自恢复控制
Fig.6 Transient fault self-recovery
3.2.2 瞬时故障熄弧控制
设直流系统在0.100 s处发生瞬时故障，在直流断路器切断系统之后自行熄弧，Req1值为0，Req2值为133.3 Ω。瞬时故障熄弧控制波形如图7所示，故障发生后进行限流限制，约0.15 s处单组避雷器吸收能量达到参考值7 MJ，直流断路器短时关断。20 ms后进行二次预投入，即仅导通转移支路。由于电流值大小正常，未再次接收故障信号，约10 ms之后电流转移至主支路，因主支路电阻较小电流略有上升。
图7 故障自熄弧控制
Fig.7 Self-extinguish of arc
3.2.3 限能自关断控制
设直流系统在0.1 s发生永久性故障，Req1值为0，Req2值为133.3 Ω。限能自关断控制波形如图8所示，约0.15 s处单组避雷器吸收能量达到参考值7 MJ，直流断路器关断；二次预投入后电流依旧快速增大，由于避雷器吸收能量达参考值，转移支路迅速开断。
图8 限能自关断控制
Fig.8 Energy-limiting control of self-breaking
3.2.4 限时自关断控制
设直流系统在0.1 s处发生永久性故障，Req1值为20 Ω，Req2值为113.3 Ω。限时自关断控制波形如图9所示，由于故障相对较轻，避雷器吸收能量减少因而未达到参考值，约在0.160 s处控制时间达到参考值，因此自行断开。约20 ms后进行二次预投入，故障并未消除因而继续进行限流控制，约在0.206 s处单组避雷器吸收能量达到参考值7 MJ，直流断路器断开。
图9 限时自关断控制
Fig.9 Time-limiting control of self-breaking
4 结论
多端直流输电系统具有故障发展快、不同线路间相互影响的特点，直流断路器是解决该问题的一种重要手段和关键技术。然而不同类型的故障各有特点，对直流系统的影响也不尽相同。本文基于一种具有限流功能的混合式高压直流断路器，针对不同情形下的瞬时性故障和永久性故障，提出高压直流断路器差异化可靠性控制策略。其具体控制效果如下：
1）若系统发生电流振荡，振荡电流恢复控制利用高压直流断路器将直流电流限制在参考值附近，待故障恢复之后自行退出控制，系统恢复正常运行状态，避免了系统不必要停运，增强了系统可靠性。
2）若系统发生瞬时故障，瞬时故障熄弧控制能够短时关断直流断路器，二次预投入过程中如果故障清除，直流断路器完全闭合，系统恢复正常运行，从而为瞬时故障提供了熄弧时间。
3）当单组避雷器吸收能量达到参考值后，限能自关断控制立即断开直流断路器，为避雷器容量留有裕度，二次预投入过程中，由于单组避雷器吸收能量已达参考值，若故障未清除则立即重新断开直流断路器，二次切断所用时间大大减少，防止了故障扩大。
4）若系统发生永久性故障，部分大机组如果立即退出会影响系统稳定性，将短路电流限制在参考值附近一段时间后断开，为其他设备的动作或控制策略的进行争取了时间。二次预投入过程中，故障等待仅导通转移支路，若故障仍未消除，直流断路器能够迅速进行限流控制，直到单组避雷器吸收能量达到参考值后关断。
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WANG Xiaochen1, JIN Yanming1, WU Xueguang2
(1. State Grid Energy Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102209, China;2. State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technologies, Changping District, Beijing 102200, China )
Abstract:The direct current(DC) circuit breaker is key equipment for DC reliability control. In practical projects,faults of different devices in different regions have their own characteristics, thus have different influence on DC system.Bases on hybrid DC circuit breaker with current limiting function, the breaking and current limiting principle of DC circuit breaker is introduced. Aimed at transient and permanent fault in different situations, a strategy for differentiation reliability control is proposed, which could avoid unnecessary outage owing to transient fault, and gain time for equipment to act or control strategy to be enforced. The reliability and stability of the system is enhanced. Finally, the simulation results in PSCAD/EMTDC show that the proposed control strategy is effective for current limiting and fault processing.
Keywords:DC grid; DC circuit breaker; reliability control；control strategy
王晓晨
作者简介：
王晓晨（1991），男，硕士，主要研究方向为柔性直流输电技术及能源电力规划，E-mail：xiaochenwang1991@163.com。
金艳鸣（1977），女，博士，高级工程师，研究方向为能源政策与环境研究。
吴学光（1966），男，教授，研究方向为大规模新能源发电和并网、超高压直流输电技术。
（责任编辑 李锡）