多功能固态限流器的现状及展望

涂春鸣 姜 飞 郭 成 帅智康 姚 鹏

（1.湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082

2.云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院 昆明 650217）

0 引言

电网规模的不断扩大和结构的日益复杂，势必造成电力系统短路电流的不断增大[1,2]，上万安甚至几十万安的短路电流必然给电气设备带来巨大破坏，威胁电网安全。资料显示，我国用电负荷密度大的地区，500kV、220kV变电站的短路电流可能超过100kA，而三峡水电站最大短路电流周期分量甚至达到300kA，但是目前国际上可生产的开关设备最大开断电流仅为100kA[3,4]。因此，限制短路电流已成为我国电力系统安全稳定运行和电力建设发展迫切需解决的问题。

一方面，电网短路故障虽然会造成严重破坏，但与电网正常的运行时间相比，电网故障的频次非常低（2008年～2010年国家电网有较大影响的短路故障均在70起以下）[5]；另一方面，高电压等级下故障限流器初次投资成本较大。可见，安装使用频次和时间非常少的故障限流器与其昂贵的价格形成了显著矛盾。

目前，基于电力电子技术的固态限流器（Solid-State Fault Current Limiter,SSFCL）发展迅速，已能够应用于中低压电网[6-8]。其基本原理是以电力电子器件的快速开关控制为核心，结合电阻、电感等元器件实现限流阻抗的快速切换，从而限制短路电流[9]。由于其不影响电网正常运行，控制灵活，响应迅速，相比机械式断路器而言有着无可比拟的优势。此外，基于电力电子技术的其他类型装置应用也越来越广泛，如：动态电压调节器[10]、串联混合型有源电力滤波器[11]等，其与固态限流器在主电路结构方面存在类似之处。若能使固态限流器某部分元器件在电网非故障时间继续发挥作用，使 SSFCL具备多种功能，将为解决故障限流器长期闲置、利用率低下的问题提供行之有效的途径。

本文首先对固态限流器的发展进行了总结，分析了现有研究中初步具备多种功能的几类固态限流器技术特点及优缺点，并重点介绍了近年来笔者研究的一种新型多功能固态限流器（Multi-Function Solid-State Fault Current Limiter,MSSFCL），最后探讨了多功能固态限流器在研究与工程应用中亟需解决的关键技术问题及应用前景。

1 固态限流器的研究现状

美国ERPI在20世纪90年代曾组织专家组对配电网的各种类型限流器技术进行了专门调研，得出随着电力电子技术水平的不断提高，采用电力电子技术的固态限流器是一种现实的技术途径[12,13]。自日本学者T.Ueda等人于1993年提出的采用门极关断（GTO）式限流器开始，国内外涉及各类型固态限流器的研究已逐渐开展，大体可分为：GTO式、谐振式、混合式及桥式限流器[14-26]等。近年来针对固态限流器的实用化也进行了较为深入的探索，已有的样机例如：美国西屋公司与EPRI合作的13.8kV/675A的固态断路器组合式限流器样机、浙江大学研制的10kV/500A桥式限流器、日本东北电力公司及日立公司的6.6kV/400A的DCLD（distribution current limiting device）实验装置等[3]。下文按照固态限流器的不同类型，对其原理、特点进行简要介绍。

图1a所示为GTO开关式故障限流器，由一组反并联的GTO与限流电感L并联组成[16,17]。正常情况下GTO开关处于闭合；故障时GTO处于断开状态，故障电流转移至L支路，达到限流目的。这种限流器需采用昂贵的GTO，而且要求保护电路具有极快的响应速度，且GTO快速截断大短路电流，将引起极大的di/dt及dv/dt，必须采用措施抑制产生高压和附加振荡。

图1 电力电子型故障限流器（I）Fig.1 Fault current limiter based on power electronics(I)

谐振式故障限流器[18,19]分别利用串联谐振电路的阻抗为零、并联谐振电路的导纳为零的特点设计。以并联谐振式限流器为例，如图1b所示，正常工作时，电容C起串联补偿作用；发生故障时，SCR导通，L与C发生并联谐振，限制故障电流。其主要矛盾是需要快速触发的晶闸管使其等效阻抗迅速从低阻抗转换到高阻抗。

如图1c所示为King E.F.等人提出的一种可变阻抗式限流器[20]。正常时，L1与C串联谐振，TCR关断，线路阻抗等效为0；故障时，TCR开通，L2与C并联谐振，线路阻抗很大。可见，通过改变晶闸管的触发延迟角来调节线路等效阻抗值，可发挥故障限流作用。然而，控制TCR触发延迟角α与等效阻抗大小关系较复杂，不利于现场控制的实现。

华东冶金学院于 1994年提出的一种无损耗电阻器式短路电流限制器，如图1d所示。该拓扑由IGBT和续流二极管组成，无损耗电阻器由电感或电容模拟而成，其特点是在流过电流时不产生功率损耗和焦耳热量，可迅速有效地限制短路电流的峰值和稳态值[21]。

混合式限流器近年来得到了充分发展[22]，图1e所示为一种混合式限流器[23]，采用 GTO与真空断路器联合作用来实现限流作用。此类结构充分利用了机械开关与电力电子开关的各自优势，能够为进一步提高固态限流器容量及耐压水平提供帮助。

图1f所示为一种新型桥式固态限流器，其由4个半控开关器件构成桥路，L1为直流限流电感，L2为旁路电感[24,25]，可通过控制各晶闸管触发脉冲相位使桥路工作在不同的状态，从而达到限流目的。其在正常运行时不产生附加压降，发生短路故障时限流阻抗自动插入，不需保护电路响应，可实现无冲击的软自动重合闸。本设计缩短了桥路失控时间，减小了直流电感尺寸，进而减小限流器的重量、体积及成本。

图2所示为Teymoor Chanbari等人提出的一种新型固态限流器，通过控制VT1的关断来实现控制FCL发生并联谐振产生限流的作用[26]。其结构简单，反应迅速，四分之一周期内可使得故障电流限制在43%以下，并且采用了新型混合故障检测算法，进一步增加了SSFCL的可靠性。

图2 电力电子型故障限流器（Ⅱ）Fig.2 Fault current limiter based on power electronics(Ⅱ)

2 多功能固态限流器研究现状

大电网的建设必然对电网的安全可靠性提出更高要求，故障限流器应长期处于闲置状态，但这又与限流装置的高投入产生矛盾，资金使用效率不高。因此，扩展电力电子器件的功能，实现多种功能的固态限流器应该是一个新的发展方向[27]。对此，虽有部分学者进行了试探性研究，也提出了一些拓扑结构[28-33]，然而对于多功能固态限流器概念仍未形成明确概念。本文作者认为，MSSFCL应该是基于传统的SSFCL拓扑结构，通过优化及改善控制策略，在尽可能少地增加电力电子元器件数量的基础上，以实现2个及以上电网装置功能，进而达到提高电网正常状态时原有闲置元器件使用效率的目的。

2.1 具有串联补偿作用的SSFCL

如图3所示为具有串联补偿作用的限流器[28,29]。其具体工作方式为：正常运行状态时，固态开关截止，负荷电流从电容C流过，电容C对线路起串联补偿的作用；故障时，固态开关导通，旁路电感接入，通过适当的参数配合，起到限制故障电流作用。这种限流器除限制短路电流外，还可以提供串联补偿的作用，满足MSSFCL的基本要求，但固态开关的动作要求保护电路有极快的响应速度，实现难度大。

图3 具有串联补偿作用的故障限流器Fig.3 Fault current limiter with series compensation

2.2 具有FCL功能的统一潮流控制器

图4所示为浙江大学创新性地提出的一种具有限流器模块的统一潮流控制器 UPFC，其由并联变压器、并联变换器、串联变换器、串联变压器和限流模块等组成[30]，其中 UPFC模块与常规的UPFC功能相同，限流模块为三相桥式固态限流器，此种设计主要为了保护系统在发生故障时，避免串联变换器直接承受大电流、高电压的冲击。之后，文献[31]又对其限流器模块进行了改进，如图 5所示，限流模块由不可控整流桥组成。此类拓扑结构可实现电能质量调节和故障限流的双功能，但电能质量调节部分与故障限流部分相对独立，各元器件功能复用较少，主要元器件在电网正常运行时仍然处于闲置状态。

图4 限流式UPFC拓扑结构Fig.4 Unified power flow controller with FCL

图5 改进型限流式UPFC拓扑结构Fig.5 Improved unified power flow controller with FCL

2.3 多目标短路控制SSFCL

华北电力大学提出了一种多目标短路控制限流器，如图6所示，能够在实现有源电力滤波器和静止同步补偿器功能的基础上，当系统故障时实现限流作用，研制成功了400V/100kV·A样机。此结构对于小容量、低压用户而言是一种不错的尝试。然而其在系统正常运行时会影响负载侧电压的幅值和相位[32]，此外该结构最大的难度是多目标的协调控制策略，及其保护动作与电网保护相互协调的问题。

图6 多目标短路控制限流器拓扑结构Fig.6 Multi-objectives fault current limiter

2.4 一种L型单相SSFCL

图7为一种L型SSFCL，其是由一个IGCT（VT）和 4个二极管（VD1，VD2，VD3和 VD4）组成。ZnO避雷器可以起到限制过电压的作用。IGCT开通时，所有电流流过二极管，IGCT关断时，所有电流流过电感L。此结构一方面通过快速运行和快速自动恢复来实现限制短路电流目的；另一方面，可以起到一个很好的阻尼系统的作用，发挥电力系统静态稳定器（Power System Stabilizer,PSS）和动态无功补偿的作用[33]。

图7 一种L型单相SSFCLFig.7 The L-type single-phase SSFCL

2.5 具有FCL功能的直流固态断路器

南京航空航天大学提出了一种具有限流保护功能的直流固态断路器，可为MSSFCL研究提供新的思考方向，其拓扑结构如图8所示。由主开关电路单元A和辅助开关单元B两部分组成。该拓扑借鉴了谐振式换流思想，结合软开关技术，可有效避免采用价格较高的全控器件，及降低开关动作瞬间承受的电流、电压应力过大对固态断路器的限制[34]。

图8 具有FCL功能的直流SSCBFig.8 The DC SSCB with fault current limiter

2.6 一种新型多功能固态限流器

湖南大学近几年来对多功能固态限流器进行了深入的研究，已得到国家、省部级纵向课题和电网公司的资助，并取得了阶段性成果[35-38]。

图9 具备电能质量调节功能的故障限流器Fig.9 Fault current limiter with power quality compensation

图9所示为提出的一种新型多功能固态限流器，包括了三相四桥臂串联变流器、三相H桥PWM整流器、晶闸管控制旁路电抗支路、晶闸管控制短路支路。PWM整流器与三相四桥臂串联变流器共用直流侧来实现能量的双向交换。电网正常运行时，通过串联变流器补偿电网电压的跌落、抬升、三相不平衡、谐波电压等电压质量问题；当电网发生不同类型短路故障时，系统通过控制串联变流器、晶闸管控制短路支路、晶闸管控制旁路电抗支路进行限流。这种新型拓扑结构达到了提高供电质量、短路故障下保护电网与负载设备的作用，并在一定程度上实现与继电保护整定值相配合，提高电力系统安全稳定性的目的。本拓扑结构难点在于不同故障类型判断及相对应的限流策略、电压补偿能力确定等问题。

3 多功能固态限流器的关键技术

固态限流器的理论研究已较深入[39-44]，主要集中在新拓扑结构研究、控制策略优化、参数设置以及其与电网的交互影响，其工程化应用可能带来各种各样负面或者正面的影响。多功能固态限流器作为崭新的研究方向，虽然与限流器存在类似点，但由于电力电子复合系统的研究尚处于起步阶段，因此必然存在许多新的问题。以下简单归纳了多功能固态限流器在研究推广应用中的关键技术。

（1）拓扑结构。实际生产运行中 SSFCL只在线路故障时起作用，而MSSFCL由于需要考虑电网正常运行时继续发挥作用，因此如何设计拓扑结构，在整体结构简化、降低成本的基础上，同时提升功效密度，是一项重要任务。

（2）运行机理。电力系统分中性点接地系统、中性点不接地系统和中性点经消弧线圈接地系统，不同故障类型下产生的故障电流显著不同。系统发生故障后，针对不同类型故障新系统的运行问题十分复杂；同时其功能模式切换会产生不同程度的电压倍增，最大可达几十倍，这对于系统中设备安全影响十分恶劣。因此，研究分析多功能固态限流器各故障模式运行问题十分重要。

（3）控制策略。MSSFCL存在多种运行模式，如：启停、其他功能运行、故障限流、其他功能至故障限流切换、故障限流至其他功能切换等协调控制策略具有较大差别，各模块的快速转换要求很高。因此，有效进行状态判断、工作方式切换是研究的一个重点工作。

（4）与电网交互影响。MSSFCL的动态特征、内部元器件的杂散参数都将不同程度影响电网中其他设备的运行要求，尤其是MSSFCL接入电网后，势必对电力系统继电保护参数设置产生重要影响，这都有待进一步研究。

（5）安装位置最优分布。实现最优安装位置的选择必须综合考虑限流模块和其他功能模块对系统整体效益的交互影响。实际上，针对电网中不同位置短路电流及影响存在的差别，MSSFCL在电网中哪些位置安装会达到收益和经济性的较好平衡值得研究，同时，此类研究也是实际推广应用的必然要求。

4 多功能固态限流器的应用展望

在电力电子技术快速发展的背景下，由于多功能固态限流器 MSSFCL可大大提高电网中各类型设备的利用效率，降低生产投资成本，在电网建设发展的诸多方面将发挥重要作用。

（1）工程应用的经济性。MSSFCL的初期投资虽然比电网中传统故障限流器高，但是从长远来看，MSSFCL的经济性远高于传统故障限流器。首先，电网出现短路故障的概率和故障持续时间远远低于电网正常运行时间，单一的传统故障限流器长期处于闲置，资产效益非常低；而MSSFCL长时间运行于电能质量补偿状态，为电网安全稳定和节能产生了巨大的效益。其次，MSSFCL实现了故障限流和电能质量治理等多种功能，相当于将单一的传统限流器与电能质量治理装置结合起来，与多台装置的总体造价相比，MSSFCL的初期投资更少、占地面积更小，更具经济性。因此，MSSFCL的应用将有利于减少电网运行成本、提高资产利用率。

（2）高压电网中的应用。目前MSSFCL在10kV电网中的应用正在开展，更高电压等级的应用虽尚未开始，但随着大功率电力电子器件技术逐步突破和多电平、多重化、H桥级联、模块化多电平等电力电子拓扑技术的快速发展，电力电子设备的耐压、耐流水平将不断提高，有望在不久的将来实现工程应用。同时，高压直流输电、高压STATCOM等电力电子设备的发展，也可为高压MSSFCL的可靠性和工程应用成熟度起到了重要的借鉴作用。因此，可以预见，MSSFCL的技术可靠性及工程应用成熟度将在未来几年得到迅速提高。

（3）分布式能源发电中的应用。随着化石能源危机的不断加剧，清洁可再生能源（风电、光伏等）在未来电网所占比重将越来越大，由于其并网与退网比较灵活，易受电网故障的冲击影响，且其产生的电能质量问题（谐波、电压波动、闪变、三相不平衡等）也较为严重。MSSFCL不仅能够实现分布式能源设备的安全保护，而且能够提高其供电质量，保证电网安全。

（4）智能电网发展中的应用。MSSFCL由于其具备的多种功能性和高效率性，满足智能电网坚强、灵活、可靠、自愈等特点，可在智能电网建设中得到推广应用。

（5）直流系统中的应用。由于直流电流为恒定，在高电压大电流场合，固态开关[34,45]切断必将产生极大的di/dt及dv/dt，设计并推广一种兼有限流功能的开关器件也将成为MSSFCL发展的一种趋势。

（6）其他领域的推广应用。MSSFCL可在电气化铁路、地铁等民用设施中广泛应用，降低社会基础建设投资成本。

5 结论

（1）随着电力电子技术的进一步发展，电网中安装固态限流器逐渐成为电网短路故障时保护设备安全的一项重要手段，然则其存在长期闲置、利用率低下的问题。为了最大限度的发挥器件使用效率，因此发展应用多功能固态限流器成为一个必然趋势。本文系统总结现有固态限流器及初步具备多功能固态限流功能拓扑的理论研究现状，其可为今后系统进行MSSFCL研究积累有效经验。

（2）本文详细分析了 MSSFCL研究中的关键技术问题，并介绍了笔者关于多功能固态限流器研究的近况，可为其他学者开展此类研究提供参考。

（3）通过本文综述可知，由于MSSFCL具备多种功能，可更加有效地应用于包括微电网、分布式新能源发电、常规公共输配电网、电气化铁路牵引供电及直流输电系统中。今后，随着对此逐步深入研究，其必将具有更加重要的科学意义和工程价值。

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