混合式直流断路器电路设计要求

混合式直流断路器强迫换流电路

换流回路可按照以下方法设计:先设计电感，为了减少换流过程所需能量，电感Lc电感值应尽量小，如微亨级;然后设定换流时间以及电流动作阈值，进而得到回路电流下降到零的变化率，估算电容电压初始值。

基于设定的换流时间和电感值，利用LC振荡回路计算电容容值Cc，为确保机械开关无弧分断，LC回路需在T1触发后设定换流时间内，电感电流发生反向，假设设定换流时间为t1，需满足上式进而得到电容取值。

通过以上方法初步得到设计参数如下:电感L_c、电容初始电压U_co、电容值C_c，再将以上参数代入仿真模型加以验证。

混合式直流断路器半导体选择

在中压或高压应用场合，半导体支路由若干个串联的半导体组成。IGBT一般可关断自身4倍的额定电流，因此非常适用于大故障电流分断场合。由于IGBT自身存在反向二极管，因此半导体支路需要二极管与IGBT串联，如图8所示。

混合式直流断路器预充电方法

本拓扑直流断路器需要一个预充电电容，可选择如下若干电容预充电方法:

1) DC/DC变换器:采用DC/DC变换器从直流电网获取能量。如图9所示，隔离型DC/DC变换器输入端连接直流母线，输出端为直流断路器电容供电。此种方法适用于低压直流系统应用场合。

2)激光送能:在高压直流输电应用场合，由于直流电网电压很高，几乎没有可能从直流电网直接获取能量，此时可以采用激光送能的方法为电容预先充电。充电原理如图10所示，光电池组为断路器电容提供充电电源。

本拓扑可以确保机械开关无弧分开。与以往的直流断路器不同，一个二极管D1被引入到机械开关支路以防止强迫换流后再出现反向电流。通过设计，只要确保T1触发后一段时间后电感电流反向，即可实现机械开关电流在强迫换流后依然维持为零。

在系统运行过程中，由于本断路器的主支路中不包含可控型电力电子器件，即使断路器半导体门极突然失电，例如断路器送能系统临时故障，本断路器可维持电流通路，不会立刻对系统稳态运行造成影响，因此可采取措施，例如将断路器整体旁路并隔离出系统，在不影响正常供电情况下，实现断路器退出检修。

混合式直流断路器直流断路器拓扑

直流断路器拓扑如图4所示，该拓扑包括3条电流支流，即强迫换流支路、半导体支路和避雷器支路。

该拓扑可简单实现快速机械开关的快速无弧分断。本拓扑在快速开关支路中引入了一个可以防止电流反向的二极管D1.

断路器的强迫换流支路可以在半导体失去门极供电的情况下维持通路，因此即使断路器的半导体门极突然出现失电，直流电网也不会出现供电中断。

混合式直流断路器工作原理

在正常情况下，直流电网电流i_G流过机械开关支路，如图5所示。换流电容Cc需预先充电。换流电容Cc电压极性如图5所示，晶闸管T1通常处于关断状态，此时系统电流流经二极管D1、换流电感Lc和快速机械开关S1,T2支路无电流通过。

当直流短路故障发生，系统电流i_G迅速上升。当系统电流超过了检测阂值I_det，则同时触发晶闸管T1和全控型半导体T2，系统电流由电感立刻转移至电容C_C，此时流过L_C的电流逐步减小，流过电容C_C的电流逐步增大，电容C_C的电压也随之逐步减小。此时，由于T2支路承受反压，因此没有电流流过，过程如图6所示。

预充电电容Cc的能量需足以使T1开通后T/4时刻之前电感电流反向，即当电感Lc的电流降至零时，电容Cc依然有正向电压存在并继续对电感放电，电感Lc的电流过零后开始反向增长，当换流电容电压Uc反向并大于半导体支路器件导通压降时，系统电流被强迫转移至半导体支路。与此同时，电容Cc由于电感电流充电从而电压极性发生改变，如图7所示。由于二极管D1的存在，反向电感电流不会流过机械开关，从而保持机械开关电流为0。此时机械开关可以实现迅速无弧分断。

随后电感电流i_L下降到0，晶闸管承受反向电压自然关断。当机械开关完全分开时，立刻关断T2。系统电流随之从半导体支路被强迫转移至避雷器支路。当直流断路器电压U_C超过系统电压，故障电流开始下降，最终故障电流的电磁能量被压敏电阻或热容更大的避雷器所消耗。

直流电网的电源侧通常由内阻很小的电压源型变流器构成，且直流线路及平波电抗形成的阻抗较小，故障时多个直流电压源均会向故障点注入电流，因此通常情况下，尤其在电压源近端处，直流短路电流增长很快。直流电网短路故障等效电路如图1所示，可得:

AC/DC换流器用于连接交直流电网，发生短路故障时，应尽量防止直流电网电压大幅跌落，以维持直流电网的稳定。如果换流器在短路故障发生时无法快速隔离故障点，那么直流电网电压会因为短路电流过大被迅速拉低，严重时甚至会影响到交流系统稳定运行。为了防止直流电网电压被快速拉低，需要在几毫秒内清除直流短路故障，因此需要研制能够可靠且快速隔离故障线路的直流断路器。

一种强迫换流混合式直流断路器拓扑如图2所示，该拓扑引入了强迫换流回路。强迫换流回路原理具体如下:强迫换流支路由预充电电容Cc和储能电感Lc组成，假设忽略T1管压降，在T1触发瞬间，强迫换流回路等效为二阶电路，如图3所示，电容电压和电感电流初始值已知，并将直流系统电流is看做不受断路器换流回路影响的电流源，通过计算该二阶电路的全状态响应，得到电感电流i_L(t)表达式。为确保换流成功，需保证电流i_L在一段时间后能够反向，进而使电容电压反向，将系统电流强迫换流至T2支路。

但该断路器存在如下问题:如果电容储能过大，会造成电容产生较大反向电压，那么机械开关的电流被强迫换流到零后还会继续反向增长，无法实现无弧分断;如果电容储能过小，则电容电压无法实现反向，系统电流LG则无法被转移至T2支路。

因此，此拓扑的电容值、电容预充电电压、电感值以及切断电流四者之间需要进行精确的设计，做到参数高度匹配，否则机械开关就无法实现无弧分断。一旦参数确定，断路器能切断的电流值也是固定的，在实际应用过程中，需要分断的故障电流会根据故障类型等因素而变化，因此无法确保机械开关每次都做到无弧分断。

直流输配电技术与交流输配电不同，具有损耗低，不产生无功功率，谐波小等显著优点，因此直流输电已经用于(超、特)高压远距离输电等场合。此外，直流网络也被应用于多端直流网络、分布式直流发电及直流微电网等场合。

随着海上风电的快速发展，迫切需要解决大规模风电并网难题，直流输电技术为风电大规模并网提供了有效的解决方案。随着基于电压源换流器的柔性直流输电技术的快速发展，使构建连接多个换流站的多端直流系统成为可能。

此外，基于分布式清洁能源的直流微电网在城乡供电、备用电源、商用供电等方面也在逐步推广应用，直流微电网为分布式能源(distributedenergy resources ， DER)提供了高效接入方案与能量输出方式。

直流电网系统存在着故障电流难以切断的难题。与交流系统不同，直流系统由于缺乏自然过零点，因此普通交流断路器并不完全适用于直流系统。

直流断路器的快速动作要求，不仅仅是直流系统的要求，也是断路器自身的要求。因为更长的分断时间意味着断路器要具备更大的电流分断能力和吸收更多的能量，同样意味着更高的制造成本，因此要考虑尽量缩短断路器的固有分断时间，此分断时间包括保护装置的故障响应时间以及断路器自身动作执行时间。目前机械式直流断路器分断时间通常需要几十毫秒，无法满足直流电网的需要。

近年来，若干新的直流断路器拓扑被提出ABB公司提出的混合式断路器实现了低损耗的同时可以在5毫秒内清除故障电流。但是由于其通流支路依赖于全控型电力电子器件，一旦门极失电，会直接影响到正常的负荷电流。全球能源互联网研究院提出的级联式H桥断路器拓扑，研制的样机已实现3 毫秒内切断15 kA故障电流。

亚深工业大学提出一种强迫换流混合式直流断路器拓扑，此拓扑引入了强迫换流电路，在机械开关分开之前将电流换流到转移支路，此时机械开关可无弧分断，之后立刻关断转移支路器件，故障电流转移至避雷器支路并下降到零，从而完成了电流分断过程，但该断路器无法确保机械开关每次都做到无弧分断。

在此基础上，提出了一种新型混合式强迫换流直流断路器拓扑，阐述了本拓扑的运行方式和设计原则，进而提出了其衍生拓扑，最后通过仿真将该拓扑的分断性能。

基于以上单向混合式断路器，进而提出一种双向直流断路器，如图11所示。

与图3所示断路器拓扑不同，二极管D1被2个反并联的晶闸管所代替，同时单向晶闸管T1替换为一对双向反并联的晶闸管，半导体支路则由反向串联IGBT组成。如果系统电流方向反转，电容电压极性需随之反转，以便分断时产生需要的强迫换相电流。

直流断路器是直流电网的关键设备，直流电网需要依靠直流断路器实现故障点的迅速隔离。混合式直流断路器不仅能够迅速切断故障电流，还可保证断路器机械开关无弧分断。一旦断路器半导体器件门极突然失电，相比于某些其他直流断路器，本断路器可以维持电流通路，不会立刻对系统供电运行造成影响，有利于降低检修难度。

直流断路器拓扑原理复杂多样，根据直流断路器中关键开断器件的不同，可以将直流断路器分为三类: 机械式直流断路器、全固态式直流断路器、机械开关与固态开关相结合的混合式直流断路器。

高压直流断路器结论

直流断路器作为迅速有效处理直流故障的关键设备，将在未来多端直流输电和直流电网技术的发展中起到关键作用。直流断路器理论和拓扑的研究己经开展很长时间，但直流灭弧、电力电子器件串联均压和能量吸收等一系列问题仍有待解决。高压直流输电电网的迅速发展对高压直流断路器也提出了越来越迫切的需求。从各种直流断路器的技术特征和目前的研究水平来看，混合式直流开断技术和基于人工过零的直流开断技术是最具工程应用潜力的方案。

高压直流断路器展望

高压直流断路器理论研究和样机研制尚未成熟，在实际工程中还未得到广泛应用，对其关键技术的研究仍存在诸多不足之处：

（1）对直流网络的建模是基于简化的单向潮流模型，实际的直流输、配电网结构复杂，潮流方向也具有不确定性。如何建立更为详细的系统模型并在此基础上对故障电流特性进行更准确的描述，为直流断路器设计提供更为可靠的依据是后续研究的重点。

（2）在电力电子器件串联均压问题的研究中，重点考察关断过程动态均压问题和负载侧吸收电路，其他状态下的均压问题和栅极主动均压策略仍有待研究。

（3）未对直流断路器能量吸收支路避雷器进行详细研究，仿真中采用通用模型，而实际中避雷器参数设置对直流断路器可靠运行起着关键作用；此外本文的研究仍处于理论分析和仿真模拟阶段，下一步将开展样机设计和试验验证。

混合式凝汽器，也称为喷射式冷凝器，用于间接空（干）冷（系统）。

混合式凝汽器主要靠喷嘴将循环冷却水喷出，形成水膜与汽轮机排汽直接接触进行热交换。