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采用直流輸電技術(shù)可以有效提高可再生能源利用率，降低線路損耗，增加傳輸容量與傳輸距離。隨著柔性直流技術(shù)（Voltage Source Converter High Voltage Direct Current, VSC-HVDC）的發(fā)展，構(gòu)建多端口直流電網(wǎng)已成為電力系統(tǒng)發(fā)展新的趨勢。

直流電網(wǎng)中的故障可分為兩類：直流側(cè)故障和交流側(cè)故障。為隔離直流側(cè)故障以降低對系統(tǒng)的威脅，采用直流斷路器開斷是一種經(jīng)濟(jì)和可靠的方案。由于直流電流沒有過零點(diǎn)，開斷直流故障電流較之開斷交流電流更加困難；另一方面，由于直流斷路器廣泛使用電力電子元件，導(dǎo)致直流斷路器的成本較高。直流斷路器等關(guān)鍵技術(shù)是制約直流電網(wǎng)發(fā)展的瓶頸之一。

目前直流斷路器主要分為基于常規(guī)開關(guān)的機(jī)械型直流斷路器、基于純電力電子元件的固態(tài)直流斷路器和介于兩者之間的混合式直流斷路器。直流系統(tǒng)對開斷的速動(dòng)性有較高要求，而機(jī)械式直流斷路器受自身開斷原理制約，需要一定的熄弧時(shí)間；固態(tài)斷路器開斷速度快，但需要串聯(lián)大量的電力電子器件，因而存在通態(tài)損耗大等缺陷。

混合式直流斷路器集合了兩者的優(yōu)勢，這類斷路器已經(jīng)應(yīng)用于“張北”直流電網(wǎng)等工程中?？梢灶A(yù)見，混合式直流斷路器作為構(gòu)建直流電網(wǎng)保護(hù)的關(guān)鍵元件，有著廣闊的發(fā)展前景。

混合式斷路器普遍采用雙方向開斷方式（簡稱雙向斷路器），圖1為ABB公司提出的混合式雙向直流斷路器拓?fù)洌墒Ｓ嚯娏鲾嗦菲鳎≧esidual DC Breaker, RB）、超快速機(jī)械隔離開關(guān)（Ultra-Fast Mechanical Disconnector, UFD）、負(fù)載轉(zhuǎn)移開關(guān)（Load Commutation Switch, LCS）、主斷路器（Main Breaker, MB）、避雷器組（Surge Arrestor, SA）等組成。其中MB由多個(gè)開關(guān)單元串聯(lián)而成，MB和LCS包括若干正、反向串聯(lián)的IGBT及反并聯(lián)二極管，因此可以開斷正反兩方向電流。

圖1 混合式雙向直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)MB開斷，電流由UFD導(dǎo)通；發(fā)生短路時(shí)，MB導(dǎo)通，LCS斷開，短路電流被轉(zhuǎn)移至MB中，然后MB開斷；短路電流轉(zhuǎn)移至SA；最終短路電流下降至殘余電流動(dòng)作閾值時(shí)RB開斷，將故障線路與主電網(wǎng)相隔離。

由于MB需承受較大的直流電壓，要串聯(lián)多組IGBT。隨著直流電網(wǎng)的日漸復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)的線路也將隨之增加，每一條線路的兩端都需安裝斷路器，因此斷路器數(shù)量將日益龐大，昂貴的成本將成為制約直流電網(wǎng)發(fā)展的主要障礙。

為在保證可靠開斷能力的前提下降低制造成本，沈陽工業(yè)大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)的研究人員提出一種新型單向開斷方式的混合式直流斷路器（簡稱單向直流斷路器）拓?fù)渑c用于多端口直流電網(wǎng)的單向開斷隔離護(hù)策略。

圖2 單向直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證單向直流斷路器以及保護(hù)策略的有效性，使用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了單向直流斷路器和三端口直流電網(wǎng)模型，模擬了使用單向直流斷路器和相應(yīng)的保護(hù)策略開斷不同類型短路故障。

結(jié)果表明，單向直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更簡單，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識別和快速開斷故障電流。保護(hù)策略滿足系統(tǒng)隔離保護(hù)的要求，證明了單向直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和保護(hù)策略的可行性。相較常規(guī)雙向斷路器，單向直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在保證可靠性的前提下，將斷路器中IGBT的數(shù)量降低了一半，提升了IGBT的利用率，可以有效降低制造成本，有助于線路復(fù)雜的柔性直流電網(wǎng)的發(fā)展。

以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“單向直流斷路器拓?fù)渑c保護(hù)策略分析”，作者為楊田、劉曉明、吳其、陳海、李龍女。