微电网直流真空断路器的研究

梁 德 世， 郭 兴 宇， 邹 积 岩

( 大连理工大学 电气工程学院, 辽宁 大连 116024 )

0 引 言

随着社会经济发展对电力能源的需求日益增长，传统交流配电网面临着线路损耗较大、电压谐波与波动、三相不平衡等一系列电能质量问题[1-2]。在风力与太阳能等发电设备接入、分布式发电与微电网接入、大规模储能和交直流变换装置等新能源电力注入电网的情况下，迫切需要提高电能接纳和供电可靠性、增强安全互联和优化系统结构[3]。近年来高压直流输电技术及其应用工程逐渐成熟[4-5]，直流配电网、分布式发电与微电网示范工程也在部分边远地区、海岛与节能示范城市广泛应用[6]。直流微电网具有提高分布式电源有效接入与负荷调控的能力，直流断路器在直流微电网中承担着调控与安全保护的作用，是电力系统中关键的装置之一[7]。

真空开关在直流开断方面具有分断能力强、燃弧时间短、寿命长、使用安全等优点。相对现有的空气开关可以实现在更高电压和电流等级电力系统的短路保护。由于直流系统短路开断相对交流没有自然过零点，直流断路器拓扑结构带有强迫换流装置，在短路电流达到阈值时，将直流断路器的短路电流转移至换流装置，强迫短路电流过零实现直流开断[8]。随着电力电子技术的快速发展，基于快速斥力机构的真空开关、IGBTs并联技术和限压技术的混合式零电压开关(ZVS)快速直流断路器研究广泛[9]，但由于大功率半导体受到技术限制，导致混合式开关的换流结构复杂和技术应用不成熟。

本研究采用基于有源换流原理的快速直流真空断路器提供可靠调控与安全保护，利用换流装置自充电技术满足直流断路器换流装置持续电力供应，通过电磁暂态仿真软件PSCAD模拟直流真空断路器，经过合成回路验证直流真空断路器的开断能力。

1 微电网结构与故障保护

直流微网作为智能电网的重要组成部分，国内外现阶段在微电网领域的研究，主要针对拓扑结构、连接方式、并网及孤岛运行方式控制、能量管理等方面。而对故障分析、故障限流、故障隔离和继电保护的研究较少，更没有直流微网系统保护配置的有效实践经验和标准。直流发电和输配电已广泛应用于新能源应用中，但面对直流微网系统中的分布式电源、逆变控制器、电力电子器件及其工作模式，直流微网的保护尚处于探索研发阶段。直流微网的电力故障同时面临着并联电容瞬间放电电流较大，设备电感储存能量大，分布式电源多样性等难题。

根据用电负荷所处环境的分析，对其周围风力和太阳能资源统计分析，评估微电网发电侧的风力发电和光伏发电容量及其波动性，经过整流/变流控制向微电网及其大容量负荷设备提供可靠电力。市电作为辅助电力供应微电网，确保不可预测故障下，提高整条微电网线路的稳定性。具体结构如图1所示，在发电、储电、配电和用电的4个关键节点均采用直流真空断路器提供电力故障保护，切断低电能输出的风力和光伏发电设备，开断大容量负荷短路设备，双向投切预充与供电的储能蓄电设备，关合市电辅助设备，可保护微电网整体系统的稳定性。

在直流配电系统中，急需一种性能更好的产品替代带灭弧栅的磁吹式空气开关，提高直流开关的快速控制和可靠安全开断。直流真空断路器充分发挥了真空开断技术的特性，可以解决空气开关开断时电弧喷溅、开断寿命低、尺寸大等问题，也能克服电力电子开关的空载损耗、可靠性与成本问题，是新一代大功率直流开关的发展方向。

图1 基于直流真空断路器保护的微电网结构图Fig.1 Structure diagram of micro-grid based on DC vacuum circuit breakers

基于电流转移原理的直流真空断路器由机械真空开关作为主开关，由强迫换流回路和限压吸能电路三部分组成，如图2所示。i为系统电流，im为流过主开关的电流，ic为流过换流回路的电流，iMOV为流过吸能支路的电流。主开关在合闸状态下承载系统额定电流，闭合状态的机械开关具有较低的导通损耗。在开断过程中，借助换流回路投入的反向电流使主开关的短路电流产生电流零点，提供直流开断的必要条件。换流回路的作用是用预充电电容器向主开关放电，将系统中的电流由主开关支路转换到换流回路中，为主回路开断制造电流零点，完成断口熄弧。换流回路参数主要考虑换流电容与换流电感，直接影响直流断路器整机性价比。吸能支路用来吸收电弧熄灭后系统中存贮的电感能量，抑制过电压的产生，防止主开关的电弧重燃。

图2 基于换流技术的直流断路器结构框图Fig.2 Block diagram for DC breaker based on commutation technology

2 新型直流断路器设计与仿真

直流真空断路器是直流电力系统运行控制的关键保护设备，应能够按照直流开断要求，实现快速开断真空断口、平滑转移电流、稳定吸收系统能量的基本功能。电力电子器件相对机械开关具有更快的投切能力，换流回路采用晶闸管和二极管反并联形式，可触发预充电电容经换流电感L快速换流，同时并联缓冲电容和电感，抑制真空断口过电压，使开断后电压与电流更平滑。当换流过程中，换流电容反向充电电压增至保护阈值电压后，氧化锌避雷器吸收系统能量。

2.1 自充电直流断路器的设计结构

直流断路器的换流电容自充电设计采用系统电源、电源等效阻抗Z0、换流电感L、换流电容C、均压电阻R2和限流接地电阻R1等组成自充电回路，如图3所示。在电力系统正常运行状态下向换流电容持续自充电，相对独立充电装置具有更高的性价比。当线路或负荷r0发生故障产生系统短路电流时，换流开关采用大功率晶闸管TR和大功率二极管D并联结构，换流支路反向电流投切和持续放电振荡，强迫CB短路电流过零，避雷器ZnO抑制CB开断过电压和吸收系统残余能量。

图3 直流真空断路器系统结构电路图Fig.3 Schematic for DC vacuum circuit breaker

2.2 直流断路器仿真分析

通过PSCAD电磁暂态仿真软件完成直流真空断路器的开断能力分析，根据直流真空断路器系统结构电路搭建仿真回路，仿真设计参数主要包括1.6 mF换流电容和16 μH换流电感，换流频率可达1 kHz，15 kΩ限流接地电阻可向换流电容充电电流达0.1 A。均压电阻可设计为47 kΩ，吸能支路MOV采用HY1.5W-0.28/1.3复合低压避雷器。仿真结果如图4所示，is曲线为系统电流，i曲线为真空开关电流，ic曲线为换流电容电流，ia曲线避雷器电流，U曲线为主开关电压，Uc曲线为换流电容电压。短路电流上升至1 kA时，主开关经0.15 ms转移到换流回路，产生第一个电流过零点，即开断。主开关关断后的电压持续上升，避雷器在0.6 ms后动作开始吸收线路能量直至40 ms后线路电流为零。

图4 直流真空断路器开断曲线图Fig.4 Waveform of DC vacuum circuit breaking

3 直流真空断路器的验证

根据直流真空断路器系统结构电路搭建合成试验回路，采用LC衰减振荡回路产生50 Hz频率，前四分之一上升电流波形等效为直流系统短路上升电流，短路电流峰值作为开断电流点。其中，直流真空断路器吸能支路采用MOV避雷器设置抑制残压为1.3 kV，采用交流变压器输出2 kV 正弦波形测试，测试残压曲线如图5所示的避雷器电压曲线，满足系统开断时暂态恢复电压所要求的1.5倍以内。

3.1 成功开断的分析

根据直流断路器结构设计与仿真分析，为验证更高换流频率与短路电流的开断性能，换流电容采用50 μF电容两串两并形式，换流电感20 μH，换流频率5 kHz，周期为200 μs。强迫换流试验成功开断电流1 kA，暂态恢复电压达到1.25 kA，如图6所示。合成试验回路主要测量开关触发控制电压信号k，短路开断电流i，换流源投入电流ic，开关断开后两端的暂态恢复电压U。合成试验的过程是系统电流i在换流ic投入后开始迅速下降，直至系统电流过零后暂态恢复电压U迅速上升，上升阶段伴随多次电磁场冲击而产生干扰，主要受到系统LC回路与开关瞬时冲击的影响。

图5 避雷器残压测试曲线Fig.5 Waveform of MOV voltage

(a) 整体曲线

(b) 局部曲线

3.2 失败开断的分析

提高电流源LC振荡回路的充电电压，主断口峰值电流达2.1 kA，换流电流1.2 kA，换流频率5 kHz，由于换流幅值太小未能导致系统电流过零而开断失败，如图7所示。在换流过程中，短路电流与换流电流相互叠加，未能实现短路电流过零。因此，采用自充电回路可以满足换流源与系统电流保持同步，应用中应避免不必要装置故障影响。

图7 2.1 kA直流开断曲线图Fig.7 DC breaking curve of 2.1 kA

4 结 论

真空断路器具有分断能力强、电寿命长、电弧密闭、没有噪音等优点，实现空气开关无法达到的保护能力。采用强迫换流方法的自充电直流真空断路器，换流支路的LCR持续自充电和快速TR触发结构，可以有效开断1 kA短路电流。利用直流真空断路器作为微电网的保护设备，可有效解决分布式电源发电侧和智能照明用电测电力波动导致的欠压涌流与短路故障难题。