交直流混合配电网直流故障限流器拓扑及工作原理综述

葛雪峰，张亮，李丹栋，史明明，袁宇波，水恒华，尹靖元

(1. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 210000；2. 南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京 210000；3.中国科学院电工研究所，北京 100190)

近年来，以光伏为代表的分布式新能源接入配电网占比越来越高，人们开始关注具有安全稳定等特征的直流组网技术[1-2]。直流配电网或者交直流混合配电网得到一些工程示范和实践探索。直流配电网存在故障限流和阻断难题，尤其当直线馈线发生故障时，短路电流上升率高，幅值大，约为额定电流的20倍左右，严重的情况下可达到50倍以上，需要快速的故障隔离和保护技术。直流故障限流器是其中的关键设备之一[3-5]。

直流故障限流器通常串接于直流线路中，文献[6-7]对直流故障限流器的技术要求进行如下概括：

a)系统正常运行时，直流故障限流器呈现低阻抗特性，有功损耗小。

b)故障发生后，限流器能在短时间内迅速动作，限制故障电流短时激增；且需具有一定限流容量，通常以故障电流变化率与电感增益倍数作为性能指标。

c)动作时，不会引起暂态振荡、过电压等副作用,不影响继电保护的动作。

d)控制简单，无需高速故障检测技术，可靠性高。

针对直流故障限流器拓扑及控制方法已有不少研究。文献[8]设计了一种基于单钳压子模块的故障限流器，通过柔性投入限流元件，实现限流器的可靠投入，并且通过自旁路设计降低断路器切断难度。文献[9]设计了一种铁心型高温超导故障限流器，通过采用软磁复合材料延长了限流时间。文献[10]提出一种新型混合式直流故障限流器拓扑，主限流电路采用晶闸管器件，可在直流断路器断路时将限流电感快速旁路。文献[11]提出一种新型适用于抑制直流侧故障电流的H桥型混合式故障限流器拓扑, 故障后电流流过换相支路实现限流。文献[12]提出一种新型的电阻式直流故障限流器，该装置可以提高直流故障电流回路的阻尼性能，使直流断路器更容易地断开直流故障线路。

现阶段工程应用中以3种类型限流器为主。德国于2004 年成功制造了当时世界上最大的高温超导限流器，该限流器的等级为 10 kV/10 MVA。中国南方电网有限责任公司直流超导限流器项目拟研制 160 kV/1 kA 的直流超导限流器，该限流器在成功研制后将成为世界上电压等级最高容量最大的超导直流限流器[13]。浙江大学于2006年研制出了10 kV/500 A 桥式限流器。天津大学李博通团队和武汉大学袁佳歆团队完成桥式±100 kV/100 MVA 限流器仿真验证，并进行了小容量样机试验[14]。在苏州同里新能源示范园区，所使用的LCL型多功能直流故障限流器实现了双向故障电流保护。超导型直流故障限流器最大电流开断能力较强，响应时间较快通常为0.01 s以内，但经济成本较高，维护困难，适用于中高压直流电网。机械开关型直流故障限流器电流开断能力较弱，但可靠性高，经济性较好，适用于较为简易的直流微电网。多功能型直流故障限流器研究仍处于初步阶段，相关实验样机与工程应用较少，在情况较为复杂的中低压交直流混合电网中的应用有很大空间。

本文根据现有直流故障限流器的限流原理和功能，将直流故障限流器分成超导型直流故障限流器、机械开关型直流故障限流器和多功能新型直流故障限流器3类进行分析，讨论其电路拓扑及工作机理。

1 超导型直流故障限流器

超导型直流故障限流器可分为电阻型、变压器型、非失超型等[15]。

1.1 电阻型超导限流器[16]

如图1所示，电阻型超导限流器由超导线圈SL，二极管D和限流电阻R组成，其运行模式如图2(a)、2(b)所示。电阻型超导限流器正常运行时，超导线圈处于超导状态，电流经超导线圈流向负载；当短路故障发生，超导线圈失去超导性，转变为感性阻抗，抑制短路电流激增，同时故障电流经二极管由限流电阻进一步限制故障电流幅值。

图1 电阻型超导限流器Fig.1 Resistance type superconducting current limiter

图2 电阻型超导限流器工作模式Fig.2 Operation mode of resistance superconducting current limiter

电阻型超导限流器结构及控制方式简单，但超导材料在失去超导性后较难恢复，因此限制了此种拓扑结构广泛应用。

1.2 变压器型超导限流器[17]

如图3所示，变压器型超导限流器由常规绕组和超导绕组组成，超导绕组外部需配置非金属低温箱，确保绝缘与散热效果，其运行模式如图4(a)、4(b)所示。

变压器型超导限流器正常运行时，因副边为超导绕组，呈现出低阻抗;当发生短路故障时，副边感应电流达到临界值而失去超导性，变压器整体等效阻抗增大，实现对故障电流的抑制。

该结构也存在恢复超导性难问题，同时因采用变压器致使体积大、经济成本较高。

图3 变压器型超导限流器Fig.3 Transformer type superconducting current limiter

图4 变压器型超导限流器工作模式Fig.4 Operation mode of transformer type superconducting current limiter

1.3 非失超型超导限流器[18-19]

如图5所示，非失超型超导限流器由超导线圈SL，限流电阻R1、R2及快速机械开关S组成。其运行模式分别如图6(a)、6(b)所示。

图5 非失超型超导限流器Fig.5 Non-out-of-superconductivity current limiter

图6 非失超型超导限流器工作模式Fig.6 Operation mode of non-out-of-super superconducting current limiter

非失超型超导限流器正常运行时，机械开关S闭合；当短路故障发生，S迅速断开，超导线圈起到限制电流短时激增作用，限流电阻R1、R2起到限制故障电流幅值作用。使用时，超导线圈不失超导性，故无需恢复超导性，但机械开关存在响应速度的不足。

2 机械开关型直流故障限流器

机械开关型直流故障限流器是通过快速机械开关与电力电子器件进行换流，再由故障限流部分实现故障电流抑制功能，本章分析几个典型机械开关型直流故障限流器。

2.1 桥式直流故障限流器

桥式故障限流器如图7所示，由绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)全控器件T1、T2、T3、T4组成桥式电路，反并联二极管D1、D2进行分流，限流电感L进行电流抑制,S、T为开关[20]。

图7 桥式直流故障限流器Fig.7 Bridge type DC fault limiter

桥式故障限流器工作状态分为旁路运行模式，换流模式和限流模式1、2等4种工作模式，如图8所示。

图8 桥式直流故障限流器工作模式Fig.8 Operation mode of bridge DC fault limiter

桥式故障限流器正常运行时，机械开关S闭合，限流器整体工作在旁路模式；当检测到故障发生时，快速机械开关S断开，同时触发全控型开关T，电流由机械开关支路切换至全控开关T支路；进入故障限流模式1，故障电流经T1、L、D2、T2流过故障限流器，由电感L1短时限制故障电流增大；随后切换至限流模式2，故障电流经T4、D1、L、T3流过故障限流器，该回路中电感同样起到限制短时故障电流激增的作用。之后在限流模式1和限流模式2之间以固定高频进行切换，将直流电流转变为高频交流电流，依靠电感通低频阻高频特性进一步限制故障电流增大。

此拓扑具备高效率低损耗的传输能力和高效限流能力，可通过调节开关频率来提升故障限流水平，但存在开关次数多，对IGBT耐压耐流能力、机械开关响应速度要求较高等缺点。

2.2 固态直流故障限流器

固态直流故障限流器如图9所示，其主体结构由2个并联的全控器件T1、T2，限流电感L，耦合电抗器L1、L2，旁路开关T及机械旁路开关S组成。其中耦合电感电抗值相等，并联IGBT T1、T2分别与耦合电抗器同名端与异名端相串联[21-22]。

图9 固态直流故障限流器Fig.9 Solid state DC fault limiter

固态直流故障限流器工作模式分为旁路运行模式，换流模式和限流模式1、2，如图10所示。

图10 固态直流故障限流器工作模式Fig.10 Operation mode of solid state DC fault limiter

固态直流故障限流器正常运行时，快速机械开关S导通，耦合电感支路被旁路，固态直流故障限流器运行在损耗最小模式；故障发生后，机械开关迅速断开，电流由机械开关支路切换至T支路，由电感L限制短路电流激增，由T1和T2交替通断。

固态直流故障限流器拓扑IGBT器件数量少，提升了经济性；但仍存在不断切换导通支路和依靠机械开关进行换流，对电力电子器件和机械开关要求较高。

2.3 混合型直流故障限流器

如图11所示，混合型直流故障限流器由限流电感L1、L2， IGBT T1、T2，快速机械开关S和电阻R1、R2、R3组成，具备3个端口[23]。

图11 混合型直流故障限流器Fig.11 Hybrid DC fault limiter

混合型直流故障限流器分为旁路运行模式，换流模式和限流模式1、2等4个状态，如图12所示。

图12 混合型直流故障限流器工作模式Fig.12 Operation mode of hybrid DC fault limiter

混合型直流故障限流器正常运行时，触发晶闸管T1，电流流经T1和机械开关S向负载供电，同时对电容C0、C3进行充电，充电完成后电容电压和为直流网压；故障发生后切换至强制换流状态电容C0上的电压对T1形成反压，电流减小直至反向，并由缓冲电路R1、C1使电流为零，实现机械开关无弧开断，强制换流至T2支路，由限流电阻进行限流，同时由于L1、L2的存在，故障电流增幅及增速也同样被限制。

该类型故障限流器实现了机械开关的无弧开断，但存在结构复杂、元件参数选择要求高、经济性差等问题。

3 多功能新型直流故障限流器

前述直流故障限流器，只具备故障限流能力，不具有故障后与其他装置协同的能力，有学者提出具备多种功能的直流故障限流器。

3.1 多功能模块化直流故障限流器

如图13所示的多功能模块化直流故障限流器，单个功率模块由全控器件IGBT T1—T4、二极管D、直流网压支撑电容C、短路泄能电阻R和限流电感L组成，主体结构由多个子模块SM串联组成，面对不同故障情况及严重程度，可通过不同支路切换以及子模块组合，提供针对性故障限流能力。

图13 多功能模块化直流故障限流器Fig.13 Multifunctional modular DC fault limiter

多功能模块化直流故障限流器工作模式分为旁路运行模式、故障限流模式、短路能量泄放模式 和直流网压支撑模式4种工作模式， 如图14所示。

图14 多功能模块化直流故障限流器工作模式Fig.14 Operation mode of multifunctional modular DC fault limiter

多功能模块化直流故障限流器正常运行时，子模块触发T1、T4，工作于旁路模式。当故障发生时，T1、T4关断，同时触发T3，所有子模块限流电感L投入，限流器整体表现为多个电感串联，提供较强的电流限制能力。当故障持续，超出限流能力，则关断T3，触发T2，短路泄放电阻投入，此时对正常运行时等效负载进行计算，与n个子模块所能提供的等效泄放负载进行比较，当等效泄放负载大于正常运行负载时，则满足泄放能力，只需投入n个子模块的T2支路，其余子模块运行在旁路模式以便减少损耗(n=1,2,…,N,N为子模块数量)；当等效泄放负载小于正常运行负载时，则不满足泄放能力，断开T2支路，触发T4，所有子模块支撑电容投入。由子模块初始电压串联组成直流网压，切断功率传输的同时隔离直流故障，保护换流器及电网。

多功能模块化直流故障限流器拓扑结构通过多子模块设计组合，形成具备不同限流能力的直流故障限流器，可针对不同类型及严重程度的直流故障，采取对应的限流功能，确保故障电流始终维持在安全范围内。

3.2 LCL型多功能直流故障限流器

如图15所示的LCL型多功能直流故障限流器采用串并联结构，串联部分采用全桥结构，并联部分采用双有源桥结构。稳态时，H桥电路通过输出可控直流电压，实现对线路潮流和电压的调节；当故障发生，闭锁H桥可使得电容C2串入电路，实现对故障的快速隔离。并联侧双有源桥结构从电网侧吸取能量，再由全桥结构输出补偿电压，实现电压补偿与潮流调节的作用。

图15 LCL型多功能直流故障限流器Fig.15 LCL multifunctional DC fault limiter

LCL型多功能直流故障限流器工作状态有电压补偿潮流调节模式、限流模式和阻断模式等3种运行模式，如图16所示。

稳态运行时，LCL型多功能直流故障限流器运行在电压补偿潮流调节模式，电压U1与电压U2间存在电压差UT，通过调整UT即可实现对负载电压的调整；并联侧从网侧采集能量，串联H桥结构进行电压源控制，输出补偿电压，而系统的潮流调节通常也是通过改变线路上的压降来实现的，因此稳态运行时也具备调节潮流的功能。当故障发生、限流模式运行时，H桥下臂双管导通，上臂双管关断，LCL限流结构投入，限制故障电流激增，之后通过L1、C1振荡限制故障电流上升，同时判断是否需要阻断故障；当切换至阻断模式时，封锁H桥所有脉冲，串联至电路中的直流电容C2，使得故障电流快速下降，实现对故障电流的隔离。

图16 LCL型多功能直流故障限流器工作模式Fig.16 Operation mode of LCL multifunctional DC fault limiter

LCL型多功能直流故障限流器拓扑通过H桥结构与双有源桥结构的高可控性，实现对直流网压的补偿以及电网潮流的调节，同时H桥结构不同的导通方式使得LCL结构组合成不同的限流模式。

4 总结与展望

直流故障限流器是限制直流配电网短路故障的重要设备，本文对超导型、机械开关型和多功能型直流故障限流器经典拓扑及工作机理进行了分析研究。超导型直流故障限流器在超导材料失超后如何快速高效恢复，以及如何降低超导材料的成本，是提升超导型直流故障限流器应用能力重要影响因素。机械开关型直流故障限流器结构简单和可靠性高使得其应用最为广泛，对快速机械开关响应时间提升或者同样具备低损耗特性的替代装置研究值得探索。多功能新型直流故障限流器正处于初步研究阶段，其拓扑结构、多种高级功能以及与直流电网其他设备的协同控制，将是今后的研究方向。