一种改进型限流式直流断路器拓扑.pdf

第 38 卷第 2 期电 力 科 学 与 技 术 学 报Vol.38 No.22023 年 3 月JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGYMar.2023一种改进型限流式直流断路器拓扑刘进，樊艳芳，孙瑶，王亚强（新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830017）摘要：针对目前已有混合式直流断路器拓扑中存在的成本高、故障工况下电流过大的问题，本文基于传统直流断路器拓扑提出一种改进型限流式直流断路器拓扑结构。该拓扑的限流支路在故障发生后接入电路，可有效限制故障电流上升；转移支路由晶闸管和 IGBT 串联组成，减小 IGBT 使用数量；采用预充电电容给晶闸管提供反压使其关断，并提出一种电容预充电方案。首先分析所提拓扑的工作原理，然后对其进行参数设计，最后在 PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，与传统断路器拓扑进行对比，验证所提拓扑的可靠性和经济性。关键词：直流断路器；限流电感；晶闸管；预充电电容DOI：10.19781/j.issn.16739140.2023.02.004中图分类号：TM762文章编号：16739140（2023）02003010An improved currentlimiting DC circuit breaker topologyLIU Jin，FAN Yanfang，SUN Yao，WANG Yaqiang（School of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830017，China）Abstract：In response to the problems of high cost and excessive fault current under fault conditions in existing hybrid DCcircuit breaker topologies，this paper proposes an improved current limiting DC circuit breaker topology based on theexisting traditional DC circuit breaker topology.The currentlimiting branch of the topology was connected to the circuitafter the fault occured，effectively limiting the rise of fault current.The transfer branch consisted of thyristor and IGBT inseries to reduce the number of IGBT.A precharged capacitor was used to provide the reverse voltage for the thyristor，anda precharged scheme was proposed.The operation principle was analyzed based on the proposed topology，and then theparameters were designed.Finally，a simulation model was built in PSCAD/EMTDC，compared with the breaker withtraditional topology，to verify the reliability and economy of the proposed topology.Key words：DC circuit breaker；currentlimiting inductance；thyristor；precharged capacitor基于电压源型换流器的高压直流输电（voltagesource converter based high voltage direct currenttransmission，VSCHVDC）也称柔性直流输电，凭借其供电可靠性、功率调节灵活、便于大规模风能光伏等新能源并网12等优势受到国内外学者的广泛关注，但直流系统阻尼低，故障电流上升迅速，且直流电流没有自然过零点，使直流故障的快速清除35成为制约 VSCHVDC发展的主要因素之一。直流断路器（direct current circuit breaker，DCCB）在快速清除故障的同时保证健全线路正常运行，是目 前 多 端 直 流 系 统 故 障 清 除 最 有 效 的 方 案67。DCCB 一般分为机械式 DCCB、固态式 DCCB 和混收稿日期：20211209；修回日期：20220311基金项目：2022天山英才培养计划（2022TSYCLJ0019）；新疆维吾尔自治区高校科研重点项目（XJEDU2021I009）通信作者：樊艳芳（1973），女，博士，教授，主要从事新能源并网技术及电力系统保护与控制研究；E-mail：刘进，等：一种改进型限流式直流断路器拓扑第 38 卷第 2 期合式 DCCB，其中混合式 DCCB 结合了前两者的优点，既能大容量低损耗地运行，也能快速清除故障电流8。目前混合式 DCCB 一般使用全控型电力电子器件-绝缘栅双极型晶体管（insulate gate bipolartransistor，IGBT）。文献 9 介绍了 ABB 公司提出的混合式 DCCB，稳态运行损耗低，故障电流清除速度快，但使用大量 IGBT，成本过高，且对串联均压技术的要求很高。文献 10 提出一种基于 IGBT 串联 技 术 的 混 合 式 DCCB，辅 助 开 关 采 用 反 并 联IGBT，双向开断故障电流，采用一个主分断开关，相比于 ABB 方案节约了 IGBT 数量，但没有解决大量 IGBT 串联可能出现不均压的问题。文献 11 提出一种混合式 DCCB，采用全桥子模块，避免了大量IGBT 串联带来的不均压问题，但较 ABB 方案使用更多 IGBT，成本更高。相较于 IGBT 的串联技术，晶闸管的串联技术难度较低，工程应用也比较广泛。文献 12 提出的断路器拓扑其转移支路采用晶闸管和 IGBT 串联，减少了对 IGBT 的需求，减小了成本和技术难度，但是没有针对晶闸管半控特性给出晶闸管关断的方法。晶闸管属于半控型器件，需要承受反压才能关断。文献 13 采用由预充电电容和电感组成的谐振电路来给晶闸管提供反压，但电容放电增加了主支路的故障电流上升率，增加了主支路的电流应力；文献 14 通过控制不同并联缓冲支路的导通延迟来给转移支路的晶闸管提供反压，但增加了太多元器件，经济性不足且控制较为复杂。直流系统发生故障时电流上升过快，如何限制故障电流的快速上升也成为一个研究重点。一般方法是在线路上安装电抗器，利用电感限流原理限制故障电流的快速上升。文献 12 提出一种限流式 DCCB，在线路上设置限流电路，虽然达到了限流效果，但使得线路上的电感过大，不利于系统的稳定运行。文献 15 提出一种限流方法，在故障发生后将限流单元与断路单元一起投入工作，有效限制了故障电流的上升，但增加了大量元器件，经济性不足。基于以上拓扑中存在的问题，本文在文献 12 的基础上进行改进，提出一种改进型限流式直流断路器拓扑（currentlimiting DC circuit breaker，CLCB），详细分析所提拓扑的结构和工作原理，给出参数设计原则，在 PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，与现有拓扑进行对比，验证本文所提拓扑的优势。1限流式 DCCB拓扑结构及工作原理文献 12 提出一种限流式 DCCB，拓扑结构如图 1所示。主支路限流支路转移支路吸能支路DLRLLKT1T2CLRTDTMOV图 1限流式 DCCB拓扑结构Figure 1Topology of currentlimiting DCCB该拓扑在线路上设置了限流电路，利用电感限流原理在故障发生后有效地限制了故障电流的上升，转移支路采用晶闸管和 IGBT 串联，充分利用晶闸管的经济性和 IGBT 的快速性，减小对 IGBT 的需求，降低转移支路的成本。该拓扑的工作原理为：系统正常运行时，电流流通机械开关 K；在故障发生后导通转移支路晶闸管 T1和 IGBT T2，断开机械开关，故障电流换流至转移支路；待机械开关触头达到断开间距后，闭锁转移支路，故障电流换流至缓冲支路给电容 CT充电；待电容两端电压达到避雷器（metal oxide varistors，MOV）动作条件时，电流换流至吸能支路，MOV 动 作 切 除 故 障 电 流。但 该 拓 扑 存 在 以 下问题：1）系统正常运行时限流电路中的限流电感直接串入输电线路，导致系统的等效电感变大，可能会对系统的动态特性和控制保护的灵敏性产生影响，不利于系统安全可靠的运行；31电力科学与技术学报2023 年 3 月2）主支路仅采用一个机械开关，不能保证机械开关实现无弧分断；3）转移支路采用晶闸管和 IGBT 串联，没有针对晶闸管的半控特性给出关断方法；4）该拓扑不具备双向导通和分断电流以及重合闸的能力，在实际工程中很难应用；5）在参数设计方面，文献 12 没有给出相应的参数设计原则，例如限流电感的参数选取、缓冲电容的参数选取以及转移支路的晶闸管和 IGBT 数量配置设计原则。2改进型 CLCB拓扑结构及工作原理2.1改进型 CLCB拓扑结构及其优势分析基于文献 12 所提拓扑存在的问题，本文提出一种改进型限流式直流断路器拓扑，其拓扑结构如图 2所示。限流支路转移支路缓冲支路吸能支路限流支路主支路MOVK3D3T3D4R4CbCpK2R3T4D2S1D1R1L1L2R2T1T2K1DL1DL11DL22DL2图 2改进型 CLCB拓扑结构Figure 2Topology of improved CLCB针对文献 12 所提断路器，文本所提断路器拓扑改进及优势如下。1）主支路由快速机械开关 K1和反向串联的IGBT T1、T2构成，系统正常运行时电流流通主支路，通态损耗低且可双向导通，在故障发生后利用强迫换流原理可以实现机械开关的无弧分断。2）限流支路由限流电感 L1、L2和反并联晶闸管DL1、DL11、DL2、DL22及吸能电阻 R1、R2构成，将限流支路设计在断路器内部，系统正常运行时线路上呈现低阻抗特性，不会影响系统控制保护的灵敏性，在故障发生后，限流支路接入电路限制故障电流的快速上升，电路呈现高阻抗特性，对换流过程中的故障电流限制效果更好。3）转移支路增加预充电电容 Cp为晶闸管 S1提供反压使其快速关断。针对预充电电容的充电问题，考虑充电电压的灵活可控性和充电装置的经济性，本文提出一种电容预充电方案，该方案以直流系统作为充电电源，通过已有线路对电容进行充电，电容充电电路如图 3所示。DL1R1L2T1T2DL2L1R2RsK4LsK1Udc+D1S1T4D2K2T3CpR3CcRcK5D3D4R4CbK3MOV图 3电容充电电路Figure 3Circuit diagram of capacitor precharge机 械 开 关 K4和 K5为 充 电 开 关，也 可 以 使 用IGBT 或晶闸管，本文以机械开关为例，Cc为可变电容器，用来钳位电容 Cp的充电电压，Rc为限流电阻，用来限制充电过程中的电流冲击，通过调节电容 Cp和 Cc的容值比即可灵活调整电容充电电压。充电过程为：在系统稳态时，导通充电开关 S1、K4、K5，直流电源通过线路给电容 Cp充电，待 Cp充满电后，断开充电开关 K4、K5，充电回路没有电流，机械开关实现无弧分断，S1自动退出运行，预充电电容 Cp的充电电压表示为UCp=11+CpCcUdc（1）晶闸管在导通后，只有通过承受反压或外加反压电路才能关断。2种拓扑的晶闸管承受电压对比如图 4所示。32刘进，等：一种改进型限流式直流断路器拓扑第 38 卷第 2 期文献 12 没有外加反压电路，不能保证晶闸管的完全关断，而本文所提拓扑增加了反压电路，在晶闸管需要关断的时候，导通 T4，预充电电容给晶闸管提供反压使其关断。2.9983.0003.0023.0043.0063.0083.010时间/s7006005004003002001000100电压/kV文献 12本文拓扑图 4晶闸管电压对比Figure 4Comparison of thyristor voltage diagram2.2分闸工作原理以故障发生在断路器右侧为例，保持晶闸管DL11、DL22始终关断，晶闸管 DL1、DL2始终导通，可将其等效为二极管，电容 Cp经过预充电建立起一定的电压，分闸各阶段工作过程如图 5所示。分闸工作原理如下：阶段 1（故障发生 t0-t1）t0时刻之前系统正常运行，电流流过主支路，线路电流幅值小，通态损耗小，t0时刻发生故障，故障电流持续上升，电流流向如图 5（a）所示；阶段 2（第 1 次电流转移 t1-t2）t1时刻系统检测到故障，给断路器发出动作信号，导通 S1和 T3，关断 T1，限流电感 L1和 L2接入电路限制故障电流的快速上升，t2时刻，电流完全转移到转移支路，电流流向如图 5（b）所示；阶段 3（K1延迟开断 t2-t3）快速机械开关 K1实现无弧分断，但由于机械开关的特性，需要一定时 间 的 延 迟 才 能 完 全 关 断，电 流 流 向 如 图 5（c）所示；阶段 4（S1反压关断 t3-t4）t3时刻，关断 T3，导通 T4，由于此时电容 Cb两端只有很小的电压，而电容 Cp已经通过预充电建立起一定的电压，所以 S1承受反压关断，电流流向如图 5（d）所示；阶段 5（电压上升 t4-t5）t4时刻，S1完全关断，故障电流完全转移到缓冲支路给电容 Cb充电，电容Cb电压持续上升，电流流向如图 5（e）所示；DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1（a）阶段 1（b）阶段 2（c）阶段 3（d）阶段 4（e）阶段 5（f）阶段 6（g）阶段 7DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1DL1DL2L2L1R1R2T2T1D2D1S1T4K2T3D3D4R3CpCbK3R4MOVK1图 5改进型 CLCB分闸各阶段工作过程Figure 5Working process diagram of each stage of improved CLCB open33电力科学与技术学报2023 年 3 月阶段 6（第 2次电流转移 t5-t6）t5时刻，电容 Cb电压达到避雷器 MOV 动作电压，故障电流向吸能支路转移，t6时刻，故障电流完全转移到吸能支路，电流流向如图 5（f）所示；阶段 7（能量吸收 t6-t7）MOV 两端电压大于直流电源电压，使故障电流下降，t7时刻，故障电流下降为零，故障完全切除，电流流向如图 5（g）所示。本文所提拓扑具有双向导通和分断电流的能力，故障发生在断路器左侧时其工作原理相同，仅是导通开关不同，例如正常运行时导通 T2，保持晶闸管 DL1、DL2始终关断，保持晶闸管 DL11、DL22始终导通。2.3重合闸工作原理由分闸工作原理可知，在晶闸管完全关断后，故障电流完全转移至缓冲支路给缓冲电容充电，此时限流支路的电感电流和故障电流会有短暂上升的过程，随后电流开始下降，限流电感 L1、L2产生感应反电动势使得 DL1、DL2导通，电感中的能量通过R1、R2释放。在故障电流清除后，导通开关 K2、K3，电容通过 R3、R4放电，一段时间后放电完成，关断K2、K3，为下一次断路器工作做好准备。重合闸操作过程如下：保持主支路机械开关 K1和 IGBT 组关断，导通转移支路 S1和 T3，检测流过转移支路的电流是否上升，若检测到电流上升，则说明仍存在故障电流，则关断 S1和 T3，故障电流流向缓冲支路，然后通过 MOV 吸收能量；若此时电流没有上升，则在 500 ms 后重新进行合闸操作，在进行几次重合闸操作后，若依旧没有检测到故障电流，则说明故障已经清除，此时再导通 K1和 T1，使直流系统恢复正常运行。3断路器参数设计对称双端双极直流系统如图 6所示。直流系统线路故障一般分为单极接地故障和双极短路故障，故障发生后相应的直流断路器动作切除故障。本文以发生单极接地短路故障为例重点讨论直流断路器的切断电流能力，故将直流系统简化，如图 7所示。ACYY MMCMMCLsLsBRKBRKBRKBRKLsLsMMCMMCYY AC图 6对称双端双极直流系统Figure 6Symmetrical double ended biopolar DC systemDL1R1L2T1T2DL2L1R2RsLsK1UdcD1S1T4D2K2T3CpR3K5D3D4R4CbK3MOV+图 7直流系统简化示意Figure 7Simplified diagram of DC system3.1限流电感参数设计本文所提拓扑的限流支路设计在断路器内部，为 了 保 证 限 流 效 果，电 流 换 流 过 程 中 的 电 流 峰值 idcmax（tt1）需 要 低 于 主 支 路 断 开 瞬 间 的 电 流idc（t1），即idcmax idc(t1)（2）从故障发生到断路器动作这段时间的电流表示为idc(t)=UdcRs+idc(t0)-UdcRs e-t（3）其中，=LsRs，Ls为线路电抗器，Rs为等效电阻，将t=t1代入式（3）可得 idc（t1）。换流过程中的电流峰值出现在缓冲电容充电至系统电压时，缓冲电容充电过程等效电路如图 8所示。RsCbUdcidcLsL1L2图 8缓冲电容充电过程等效电路Figure 8Equivalent circuit diagram of buffercapacitor charging process34刘进，等：一种改进型限流式直流断路器拓扑第 38 卷第 2 期该过程电压电流表示为 LCbd2Ucbdt2+RsCbdUcbdt+Ucb=Udcidc=CbdUcbdt（4）初始条件为UCb(0+)=Ucb(0-)=0idc(0+)=idc(0-)=idc(t3)（5）则UCb(t)=Udc 1-e-t0sin(t+)（6）idc(t)=UdcLe-tsin(t)（7）其中，=Rs2L=02-20=1LCb=arctan()L=Ls+L1+L2（8）将UCb=Udc代入式（6）可得电流峰值出现的时间 t，再将时间 t代入式（7）可得 idcmax与电感 L的关系式，再联立式（2）可得限流电感的最小约束条件为20 mH。在 PSCDA/EMTDC 仿真软件中搭建如图 7所示的仿真模型，设定直流系统电压 Udc为 320 kV，线路电抗器 Ls为 100 mH，等效电阻 Rs为 56，则额定电流 idcn为 5 kA，保持电容值不变，改变限流电感值，观察不同限流电感值对故障电流的影响，不同电感值下的电流波形如图 9所示。2.9983.0003.0023.0043.0063.0083.010时间/s20.017.515.012.510.07.55.02.50.0电流/kAL=0 mHL=20 mHL=50 mHL=80 mHL=100 mH图 9不同限流电感值下电流波形Figure 9Current waveform in various current limitinginductance values由图 9可以看出，限流电感取值越大，电流换流过程中的峰值越小，限流效果越好，但电感取值越大，其存储的能量越多，放电时间越长，不利于断路器的快速重合闸，结合图 8 综合考虑选取限流电感值为 80 mH。3.2转移支路参数设计转移支路采用晶闸管阀组和 IGBT 阀组串联组成，由于晶闸管承压能力相较 IGBT 更强且串联技术成熟，所以尽量增加晶闸管数量，让晶闸管阀组多承受电压，减少 IGBT承压，减少数量。设 断 路 器 在 分 闸 过 程 中 承 受 的 峰 值 电 压 为Umax，该值取决于 MOV 的动作电压 UMOV，晶闸管承受 的 峰 电 压 为 USCR，IGBT 承 受 的 峰 值 电 压 为UIGBT，该值取决于并联在 IGBT 两端的电容电压值UCp，为了保证系统和器件的安全，则有Umax USCR+UIGBT（9）在一个选定系统电压等级、避雷器动作电压的固定断路器应用场合，设定晶闸管承受的电压，在选取晶闸管的型号参数后，就可以确定晶闸管的使用数量，根据式（9）确定合适的电容电压值UCp，在选取 IGBT 的型号参数后即可确定 IGBT 的使用数量，再根据式（1）可以确定电容 Cp的取值。3.3缓冲电容参数设计由上文断路器分闸工作原理分析可知，在转移支路晶闸管和 IGBT 关断过程中，快速机械开关由于其特性可能还处于断开的阶段，此时缓冲电容充电电压由快速机械开关 K1和主支路 IGBT T1共同承受，需要保证快速机械开关不会重燃，快速机械开关的电弧击穿电压 UK与间隙长度 d有关，关系式为 UK=k0.5d，设 主 支 路 IGBT 承 受 的 最 大 电 压 为UT1，且需要保证断路器在 35 ms 时切除故障电流，则缓冲电容 Cb的约束条件为UMOV UCb(t)UK+UT10.5 t 2（10）将式（6）和式（8）代入约束条件可得 Cb的取值范围为 1030 F，在不同电容值下的 MOV 动作时间和吸收能量如图 10、11所示，可以看出，Cb取值越小，MOV 动作越快，故障电流切除越快，但 MOV吸收的能量也越多，所以在约束范围内综合选取Cb值为 20 F。35电力科学与技术学报2023 年 3 月C=10 FC=15 FC=20 FC=25 FC=30 F3.0033.004 3.005 3.006 3.007 3.0083.010时间/s9876543210电流/kA3.009图 10MOV支路电流波形Figure 10MOV branch current waveformC=10 FC=15 FC=20 FC=25 FC=30 F3.0033.004 3.005 3.006 3.007 3.0083.010时间/s876543210能量/MJ3.009图 11MOV吸收能量Figure 11MOV absorption energy diagram4仿真验证及方案对比4.1仿真验证在 PSCAD/EMTDC 中搭建图 7所示的仿真模型，以发生单极接地故障为例，系统参数如表 1 所示。断路器工作过程电流波形和电压波形如图 12、13所示。由 图 12 可 以 看 出，系 统 在 3 s 时 发 生 故 障，3.003 s 时断路器动作，导通 S1、T3，关断 T1，故障电流换流至转移支路，待主支路电流为零时，关断 T3，导通 T4，Cp给 S1提供反压使其关断，然后电流换流至缓冲支路给 Cb充电，待 Cb两端电压达到 MOV 动作条件，电流转移至吸能支路，故障电流开始衰减，最终在 3.007 5 s时为零。由图 13可以看出，晶闸管承受了大约 350 s的反压后可靠关断，验证了本文所提的晶闸管关断方法，且在整个断路器工作过程中晶闸管承受了大部分电压，大大减小了对 IGBT的需求。表 1系统参数Table 1System parameters参数直流系统电压 Udc线路电感 Ls线路电阻 Rs避雷器额定电压避雷器动作电压限流电感 L1、L2缓冲电容 Cb预充电电容 Cp钳位电容 Cc限流电阻 Rc吸能电阻 R1、R2、R3、R4单位kVmHkVkVmHFFF数值320100643206404020303010102.9983.0003.0023.0043.0063.0083.010时间/s16.014.012.010.08.06.04.02.00.0电流/kA主支路转移支路缓冲支路吸能支路图 12电流波形Figure 12Current waveform2.9983.0003.0023.0043.0063.0083.010时间/s7006005004003002001000100电压/kVUBRKUSCR图 13电压波形Figure 13Voltage waveform4.2方案对比将本文所提拓扑、文献 12 所提拓扑和 ABB拓扑8以及模块化全桥拓扑10进行对比，ABB 拓扑和全桥拓扑如图 14、15 所示。将 4 种拓扑进行仿真，保持系统参数一致，其中文献 12 和本文所提拓扑的限流电感取值一样，电流开断波形如图 16 所示，可以看出，4种拓扑在电流转移过程有着很大差别，由于文献 12 所提拓扑在线路上串联了限流电感，36刘进，等：一种改进型限流式直流断路器拓扑第 38 卷第 2 期所以在故障发生到主支路断开这段时间的电流上升率相较于其他 3 种方案较低，在主支路断开后，由于本文拓扑在断路器内部设计了限流电路，所以在电流换流过程中的故障电流相较于其他 3 种拓扑大大减小，峰值为 9.33 kA，电流开断时间也优于其他 3种拓扑，为4.75 ms。KT1T2Q2Q1S1S2MOVMOV图 14ABB拓扑结构Figure 14Topology diagram of ABBKT1T3T2T4S3S1Q1Q2Q2Q4S2S4C2C3C1图 15全桥拓扑结构Figure 15Topology diagram of full bridge2.9983.000 3.002 3.004 3.006 3.0083.012时间/s20.018.016.014.012.010.08.06.04.02.00.0电流/kA3.010ABB拓扑全桥拓扑文献 12 拓扑本文拓扑图 164种拓扑电流开断对比Figure 16Comparison of current circuit of fourtypes of topologies4 种拓扑的 MOV 吸能如图 17 所示，由于 ABB拓扑和全桥拓扑没有限流装置和缓冲电路，所以在故障发生后的故障电流很大，导致 MOV 吸收的能量也很多，其中 ABB 拓扑采用分布式投入 MOV，在一定程度上可以减少单个 MOV 的吸能，但总体吸能还是很高，而文献 12 所提拓扑和本文所提拓扑增加了限流装置和缓冲电路，MOV 吸能较其他两种拓扑较小，但本文所提拓扑在电流转移过程中对故障电流的限制更好，所以 MOV 吸收的能量更少，仅为 7 MJ。2.9983.000 3.002 3.004 3.006 3.0083.012时间/s14121086420能量/MJ3.010ABB拓扑全桥拓扑文献 12 拓扑本文拓扑图 174种拓扑 MOV吸能对比Figure 17Comparison of MOV energy absorption offour types of topologies在成本方面，4种方案的主支路成本差异不大，在转移支路上有着很大差别，ABB 方案的转移支路采用大量 IGBT 直接串联而成，模块化全桥方案采用 IGBT 全桥模块串联，而文献 12 和本文所提拓扑的转移支路采用混合开关即晶闸管阀组和 IGBT阀组串联，在断路器工作过程中，ABB 方案和模块化全桥方案中的 IGBT 承受全部电压，因此 IGBT的使用数量较多，而文献 12 和本文所提拓扑让承压能力更强且成本较低的晶闸管承受断路器分闸过程中的大部分电压，让 IGBT 承受更少的电压，减小 IGBT的数量，降低成本。IGBT 选型为 ABB 公司的 4.5 kV/3 kA 压接式IGBT，由于晶闸管的耐流能力更强，可选择 4.5 kV/1.5 kA 的快速晶闸管。4种拓扑转移支路成本如表 2所示，这里考虑实现电流的双向流通，所以器件的使用数量需要翻倍，而本文拓扑使用二极管组实现电流的双向流通，仅需要使用实现单向导通的器件数量，成本更低。37电力科学与技术学报2023 年 3 月表 24种拓扑转移支路成本对比Table 2Cost comparison of four topologies totransfer branch方案ABB拓扑全桥拓扑文献 12本文拓扑UIGBT/kV640640182.8183USCR/kV00454.3448.5i转移支路/kA18.1216.2210.688.42IGBT/只1 7161 716384182晶闸管/只00800300文 献12和 本 文 所 提 拓 扑 转 移 支 路 使 用 的IGBT 数量远远小于 ABB 拓扑和全桥拓扑，虽然使用了晶闸管，但在相同功率等级下，晶闸管的价格只有 IGBT 的五分之一。本文所提拓扑为了实现机械开关的无弧分断，在主支路上比文献 12 所提拓扑多增加了反向串联的 IGBT 组，但主支路的通态损耗低，所以并不会使用太多 IGBT；为了解决晶闸管的关断问题，本文所提拓扑在转移支路设计上比文献 12 所提拓扑多增加了反压电路，多使用了IGBT，但本文所提拓扑的限流效果较文献 12 所提拓扑更好，所以在转移支路的成本上优于文献 12所提拓扑，且本文所提拓扑还具有双向导通和分断电流以及重合闸的能力。4种方案的总体性能对比如表 3所示。表 34种方案总体性能对比Table 3Comparisons of overall performances ofthe four schemes方案ABB拓扑全桥拓扑文献 12本文拓扑分断时间长较长短最短避雷器吸能多多较多最少技术难度高低低低总成本高高低最低综上，本文所提拓扑具有明显优势。5结语本文在已有拓扑基础上提出一种改进型限流式直流断路器拓扑，其限流部分在发生故障后接入电路，限制故障电流的上升，其转移支路采用晶闸管和 IGBT 串联组成，在断路器工作过程中，晶闸管承受大部分电压，IGBT 承受较小的电压，减小对IGBT 数量的需求，降低转移支路的成本。针对晶闸管的半控特性问题，提出让并联在 IGBT 两端的预充电电容给晶闸管提供反压的方法，并提出一种电 容 预 充 电 方 充 案，充 电 电 路 结 构 简 单。在PSCAD/EMTDC 中搭建 320 kV 等效直流系统仿真模型，进行仿真验证并与现有方案进行对比，结果表明本文所提拓扑在电流开断方面和成本方面有显著提升。参考文献：1朱金涛,辛业春.柔性高压直流输电仿真技术研究方法综述J.智慧电力,2021,49(3):111+94.ZHUJintao,XINYechun.Reviewofresearchonsimulation methods of VSCHVDC transmission systemJ.Smart Power,2021,49(3):111+94.2王珍意,黄文杰,赵川,等.含分布式电源的中压柔性直流配电网研究J.电力科学与技术学报,2020,35(1):102108.WANG Zhenyi,HUANG Wenjie,ZHAO Chuan,et al.Research on flexible medium voltage DC distributionnetwork with distributed generationJ.Journal of ElectricPower Science and Technology,2020,35(1):102108.3杨岳峰,王晓晗,王玮,等.柔性直流换流阀监视系统关键技术及工程化应用J.中国电力,2021,54(4):168174.YANG Yuefeng,WANG Xiaohan,WANG Wei,et al.Keytechnologies and engineering application of convertervalve monitoring system for flexible HVDCJ.ElectricPower,2021,54(4):168174.4吕承,邰能灵,郑晓冬,等.基于边界电流的柔性直流线路保护新方案J.电力科学与技术学报,2020,35(1):115121.LCheng,TAINengling,ZHENGXiaodong,etal.Protection novel scheme for flexible DC line based onboundary currentJ.Journal of Electric Power 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