單向直流斷路器的拓撲與保護策略：結構簡單，開斷快速

混合式直流斷路器是構建柔性直流電網的重要裝備，由於大量使用絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）等電力電子元件，製造成本高。瀋陽工業大學電氣工程學院、天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室的研究人員楊田、劉曉明、吳其、陳海、李龍女，在2020年《電工技術學報》增刊1上撰文，提出一種採用單向開斷的混合式直流斷路器拓撲結構和適用於多埠直流電網（MTDC）的隔離保護策略。研究結果證明，單向直流斷路器可準確識別故障電流，並快速開斷故障線路，其拓撲結構和保護策略可滿足系統保護的快速性和可靠性要求。

採用直流輸電技術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（Voltage Source Converter High Voltage Direct Current， VSC-HVDC）的發展，構建多埠直流電網已成為電力系統發展新的趨勢。

直流電網中的故障可分為兩類：直流側故障和交流側故障。為隔離直流側故障以降低對系統的威脅，採用直流斷路器開斷是一種經濟和可靠的方案。由於直流電流沒有過零點，開斷直流故障電流較之開斷交流電流更加困難；另一方面，由於直流斷路器廣泛使用電力電子元件，導致直流斷路器的成本較高。直流斷路器等關鍵技術是制約直流電網發展的瓶頸之一。

目前直流斷路器主要分為基於常規開關的機械型直流斷路器、基於純電力電子元件的固態直流斷路器和介於兩者之間的混合式直流斷路器。直流系統對開斷的速動性有較高要求，而機械式直流斷路器受自身開斷原理制約，需要一定的熄弧時間；固態斷路器開斷速度快，但需要串聯大量的電力電子器件，因而存在通態損耗大等缺陷。

混合式直流斷路器集合了兩者的優勢，這類斷路器已經應用於“張北”直流電網等工程中。可以預見，混合式直流斷路器作為構建直流電網保護的關鍵元件，有著廣闊的發展前景。

混合式斷路器普遍採用雙方向開斷方式（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撲，由剩餘電流斷路器（Residual DC Breaker， RB）、超快速機械隔離開關（Ultra-Fast Mechanical Disconnector， UFD）、負載轉移開關（Load Commutation Switch， LCS）、主斷路器（Main Breaker， MB）、避雷器組（Surge Arrestor， SA）等組成。其中MB由多個開關單元串聯而成，MB和LCS包括若干正、反向串聯的IGBT及反並聯二極體，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撲結構

系統正常執行時MB開斷，電流由UFD導通；發生短路時，MB導通，LCS斷開，短路電流被轉移至MB中，然後MB開斷；短路電流轉移至SA；最終短路電流下降至殘餘電流動作閾值時RB開斷，將故障線路與主電網相隔離。

由於MB需承受較大的直流電壓，要串聯多組IGBT。隨著直流電網的日漸複雜，系統內的線路也將隨之增加，每一條線路的兩端都需安裝斷路器，因此斷路器數量將日益龐大，昂貴的成本將成為制約直流電網發展的主要障礙。

為在保證可靠開斷能力的前提下降低製造成本，瀋陽工業大學、天津工業大學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）拓撲與用於多埠直流電網的單向開斷隔離護策略。

圖2 單向直流斷路器拓撲結構

為了驗證單向直流斷路器以及保護策略的有效性，使用PSCAD/EMTDC模擬軟體搭建了單向直流斷路器和三埠直流電網模型，模擬了使用單向直流斷路器和相應的保護策略開斷不同型別短路故障。

結果表明，單向直流斷路器的拓撲結構更簡單，可以實現準確識別和快速開斷故障電流。保護策略滿足系統隔離保護的要求，證明了單向直流斷路器的拓撲結構和保護策略的可行性。相較常規雙向斷路器，單向直流斷路器的拓撲結構在保證可靠性的前提下，將斷路器中IGBT的數量降低了一半，提升了IGBT的利用率，可以有效降低製造成本，有助於線路複雜的柔性直流電網的發展。

以上研究成果發表在2020年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“單向直流斷路器拓撲與保護策略分析”，作者為楊田、劉曉明、吳其、陳海、李龍女。