多功能固態限流器的現狀及展望

涂春鳴 姜 飛 郭 成 帥智康 姚 鵬

（1.湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082

2.云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院 昆明 650217）

0 引言

電網規模的不斷擴大和結構的日益復雜，勢必造成電力系統短路電流的不斷增大[1,2]，上萬安甚至幾十萬安的短路電流必然給電氣設備帶來巨大破壞，威脅電網安全。資料顯示，我國用電負荷密度大的地區，500kV、220kV變電站的短路電流可能超過100kA，而三峽水電站最大短路電流周期分量甚至達到300kA，但是目前國際上可生產的開關設備最大開斷電流僅為100kA[3,4]。因此，限制短路電流已成為我國電力系統安全穩定運行和電力建設發展迫切需解決的問題。

一方面，電網短路故障雖然會造成嚴重破壞，但與電網正常的運行時間相比，電網故障的頻次非常低（2008年～2010年國家電網有較大影響的短路故障均在70起以下）[5]；另一方面，高電壓等級下故障限流器初次投資成本較大。可見，安裝使用頻次和時間非常少的故障限流器與其昂貴的價格形成了顯著矛盾。

目前，基于電力電子技術的固態限流器（Solid-State Fault Current Limiter,SSFCL）發展迅速，已能夠應用于中低壓電網[6-8]。其基本原理是以電力電子器件的快速開關控制為核心，結合電阻、電感等元器件實現限流阻抗的快速切換，從而限制短路電流[9]。由于其不影響電網正常運行，控制靈活，響應迅速，相比機械式斷路器而言有著無可比擬的優勢。此外，基于電力電子技術的其他類型裝置應用也越來越廣泛，如：動態電壓調節器[10]、串聯混合型有源電力濾波器[11]等，其與固態限流器在主電路結構方面存在類似之處。若能使固態限流器某部分元器件在電網非故障時間繼續發揮作用，使 SSFCL具備多種功能，將為解決故障限流器長期閑置、利用率低下的問題提供行之有效的途徑。

本文首先對固態限流器的發展進行了總結，分析了現有研究中初步具備多種功能的幾類固態限流器技術特點及優缺點，并重點介紹了近年來筆者研究的一種新型多功能固態限流器（Multi-Function Solid-State Fault Current Limiter,MSSFCL），最后探討了多功能固態限流器在研究與工程應用中亟需解決的關鍵技術問題及應用前景。

1 固態限流器的研究現狀

美國ERPI在20世紀90年代曾組織專家組對配電網的各種類型限流器技術進行了專門調研，得出隨著電力電子技術水平的不斷提高，采用電力電子技術的固態限流器是一種現實的技術途徑[12,13]。自日本學者T.Ueda等人于1993年提出的采用門極關斷（GTO）式限流器開始，國內外涉及各類型固態限流器的研究已逐漸開展，大體可分為：GTO式、諧振式、混合式及橋式限流器[14-26]等。近年來針對固態限流器的實用化也進行了較為深入的探索，已有的樣機例如：美國西屋公司與EPRI合作的13.8kV/675A的固態斷路器組合式限流器樣機、浙江大學研制的10kV/500A橋式限流器、日本東北電力公司及日立公司的6.6kV/400A的DCLD（distribution current limiting device）實驗裝置等[3]。下文按照固態限流器的不同類型，對其原理、特點進行簡要介紹。

圖1a所示為GTO開關式故障限流器，由一組反并聯的GTO與限流電感L并聯組成[16,17]。正常情況下GTO開關處于閉合；故障時GTO處于斷開狀態，故障電流轉移至L支路，達到限流目的。這種限流器需采用昂貴的GTO，而且要求保護電路具有極快的響應速度，且GTO快速截斷大短路電流，將引起極大的di/dt及dv/dt，必須采用措施抑制產生高壓和附加振蕩。

圖1 電力電子型故障限流器（I）Fig.1 Fault current limiter based on power electronics(I)

諧振式故障限流器[18,19]分別利用串聯諧振電路的阻抗為零、并聯諧振電路的導納為零的特點設計。以并聯諧振式限流器為例，如圖1b所示，正常工作時，電容C起串聯補償作用；發生故障時，SCR導通，L與C發生并聯諧振，限制故障電流。其主要矛盾是需要快速觸發的晶閘管使其等效阻抗迅速從低阻抗轉換到高阻抗。

如圖1c所示為King E.F.等人提出的一種可變阻抗式限流器[20]。正常時，L1與C串聯諧振，TCR關斷，線路阻抗等效為0；故障時，TCR開通，L2與C并聯諧振，線路阻抗很大。可見，通過改變晶閘管的觸發延遲角來調節線路等效阻抗值，可發揮故障限流作用。然而，控制TCR觸發延遲角α與等效阻抗大小關系較復雜，不利于現場控制的實現。

華東冶金學院于 1994年提出的一種無損耗電阻器式短路電流限制器，如圖1d所示。該拓撲由IGBT和續流二極管組成，無損耗電阻器由電感或電容模擬而成，其特點是在流過電流時不產生功率損耗和焦耳熱量，可迅速有效地限制短路電流的峰值和穩態值[21]。

混合式限流器近年來得到了充分發展[22]，圖1e所示為一種混合式限流器[23]，采用 GTO與真空斷路器聯合作用來實現限流作用。此類結構充分利用了機械開關與電力電子開關的各自優勢，能夠為進一步提高固態限流器容量及耐壓水平提供幫助。

圖1f所示為一種新型橋式固態限流器，其由4個半控開關器件構成橋路，L1為直流限流電感，L2為旁路電感[24,25]，可通過控制各晶閘管觸發脈沖相位使橋路工作在不同的狀態，從而達到限流目的。其在正常運行時不產生附加壓降，發生短路故障時限流阻抗自動插入，不需保護電路響應，可實現無沖擊的軟自動重合閘。本設計縮短了橋路失控時間，減小了直流電感尺寸，進而減小限流器的重量、體積及成本。

圖2所示為Teymoor Chanbari等人提出的一種新型固態限流器，通過控制VT1的關斷來實現控制FCL發生并聯諧振產生限流的作用[26]。其結構簡單，反應迅速，四分之一周期內可使得故障電流限制在43%以下，并且采用了新型混合故障檢測算法，進一步增加了SSFCL的可靠性。

圖2 電力電子型故障限流器（Ⅱ）Fig.2 Fault current limiter based on power electronics(Ⅱ)

2 多功能固態限流器研究現狀

大電網的建設必然對電網的安全可靠性提出更高要求，故障限流器應長期處于閑置狀態，但這又與限流裝置的高投入產生矛盾，資金使用效率不高。因此，擴展電力電子器件的功能，實現多種功能的固態限流器應該是一個新的發展方向[27]。對此，雖有部分學者進行了試探性研究，也提出了一些拓撲結構[28-33]，然而對于多功能固態限流器概念仍未形成明確概念。本文作者認為，MSSFCL應該是基于傳統的SSFCL拓撲結構，通過優化及改善控制策略，在盡可能少地增加電力電子元器件數量的基礎上，以實現2個及以上電網裝置功能，進而達到提高電網正常狀態時原有閑置元器件使用效率的目的。

2.1 具有串聯補償作用的SSFCL

如圖3所示為具有串聯補償作用的限流器[28,29]。其具體工作方式為：正常運行狀態時，固態開關截止，負荷電流從電容C流過，電容C對線路起串聯補償的作用；故障時，固態開關導通，旁路電感接入，通過適當的參數配合，起到限制故障電流作用。這種限流器除限制短路電流外，還可以提供串聯補償的作用，滿足MSSFCL的基本要求，但固態開關的動作要求保護電路有極快的響應速度，實現難度大。

圖3 具有串聯補償作用的故障限流器Fig.3 Fault current limiter with series compensation

2.2 具有FCL功能的統一潮流控制器

圖4所示為浙江大學創新性地提出的一種具有限流器模塊的統一潮流控制器 UPFC，其由并聯變壓器、并聯變換器、串聯變換器、串聯變壓器和限流模塊等組成[30]，其中 UPFC模塊與常規的UPFC功能相同，限流模塊為三相橋式固態限流器，此種設計主要為了保護系統在發生故障時，避免串聯變換器直接承受大電流、高電壓的沖擊。之后，文獻[31]又對其限流器模塊進行了改進，如圖 5所示，限流模塊由不可控整流橋組成。此類拓撲結構可實現電能質量調節和故障限流的雙功能，但電能質量調節部分與故障限流部分相對獨立，各元器件功能復用較少，主要元器件在電網正常運行時仍然處于閑置狀態。

圖4 限流式UPFC拓撲結構Fig.4 Unified power flow controller with FCL

圖5 改進型限流式UPFC拓撲結構Fig.5 Improved unified power flow controller with FCL

2.3 多目標短路控制SSFCL

華北電力大學提出了一種多目標短路控制限流器，如圖6所示，能夠在實現有源電力濾波器和靜止同步補償器功能的基礎上，當系統故障時實現限流作用，研制成功了400V/100kV·A樣機。此結構對于小容量、低壓用戶而言是一種不錯的嘗試。然而其在系統正常運行時會影響負載側電壓的幅值和相位[32]，此外該結構最大的難度是多目標的協調控制策略，及其保護動作與電網保護相互協調的問題。

圖6 多目標短路控制限流器拓撲結構Fig.6 Multi-objectives fault current limiter

2.4 一種L型單相SSFCL

圖7為一種L型SSFCL，其是由一個IGCT（VT）和 4個二極管（VD1，VD2，VD3和 VD4）組成。ZnO避雷器可以起到限制過電壓的作用。IGCT開通時，所有電流流過二極管，IGCT關斷時，所有電流流過電感L。此結構一方面通過快速運行和快速自動恢復來實現限制短路電流目的；另一方面，可以起到一個很好的阻尼系統的作用，發揮電力系統靜態穩定器（Power System Stabilizer,PSS）和動態無功補償的作用[33]。

圖7 一種L型單相SSFCLFig.7 The L-type single-phase SSFCL

2.5 具有FCL功能的直流固態斷路器

南京航空航天大學提出了一種具有限流保護功能的直流固態斷路器，可為MSSFCL研究提供新的思考方向，其拓撲結構如圖8所示。由主開關電路單元A和輔助開關單元B兩部分組成。該拓撲借鑒了諧振式換流思想，結合軟開關技術，可有效避免采用價格較高的全控器件，及降低開關動作瞬間承受的電流、電壓應力過大對固態斷路器的限制[34]。

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

2.6 一種新型多功能固態限流器

湖南大學近幾年來對多功能固態限流器進行了深入的研究，已得到國家、省部級縱向課題和電網公司的資助，并取得了階段性成果[35-38]。

圖9 具備電能質量調節功能的故障限流器Fig.9 Fault current limiter with power quality compensation

圖9所示為提出的一種新型多功能固態限流器，包括了三相四橋臂串聯變流器、三相H橋PWM整流器、晶閘管控制旁路電抗支路、晶閘管控制短路支路。PWM整流器與三相四橋臂串聯變流器共用直流側來實現能量的雙向交換。電網正常運行時，通過串聯變流器補償電網電壓的跌落、抬升、三相不平衡、諧波電壓等電壓質量問題；當電網發生不同類型短路故障時，系統通過控制串聯變流器、晶閘管控制短路支路、晶閘管控制旁路電抗支路進行限流。這種新型拓撲結構達到了提高供電質量、短路故障下保護電網與負載設備的作用，并在一定程度上實現與繼電保護整定值相配合，提高電力系統安全穩定性的目的。本拓撲結構難點在于不同故障類型判斷及相對應的限流策略、電壓補償能力確定等問題。

3 多功能固態限流器的關鍵技術

固態限流器的理論研究已較深入[39-44]，主要集中在新拓撲結構研究、控制策略優化、參數設置以及其與電網的交互影響，其工程化應用可能帶來各種各樣負面或者正面的影響。多功能固態限流器作為嶄新的研究方向，雖然與限流器存在類似點，但由于電力電子復合系統的研究尚處于起步階段，因此必然存在許多新的問題。以下簡單歸納了多功能固態限流器在研究推廣應用中的關鍵技術。

（1）拓撲結構。實際生產運行中 SSFCL只在線路故障時起作用，而MSSFCL由于需要考慮電網正常運行時繼續發揮作用，因此如何設計拓撲結構，在整體結構簡化、降低成本的基礎上，同時提升功效密度，是一項重要任務。

（2）運行機理。電力系統分中性點接地系統、中性點不接地系統和中性點經消弧線圈接地系統，不同故障類型下產生的故障電流顯著不同。系統發生故障后，針對不同類型故障新系統的運行問題十分復雜；同時其功能模式切換會產生不同程度的電壓倍增，最大可達幾十倍，這對于系統中設備安全影響十分惡劣。因此，研究分析多功能固態限流器各故障模式運行問題十分重要。

（3）控制策略。MSSFCL存在多種運行模式，如：啟停、其他功能運行、故障限流、其他功能至故障限流切換、故障限流至其他功能切換等協調控制策略具有較大差別，各模塊的快速轉換要求很高。因此，有效進行狀態判斷、工作方式切換是研究的一個重點工作。

（4）與電網交互影響。MSSFCL的動態特征、內部元器件的雜散參數都將不同程度影響電網中其他設備的運行要求，尤其是MSSFCL接入電網后，勢必對電力系統繼電保護參數設置產生重要影響，這都有待進一步研究。

（5）安裝位置最優分布。實現最優安裝位置的選擇必須綜合考慮限流模塊和其他功能模塊對系統整體效益的交互影響。實際上，針對電網中不同位置短路電流及影響存在的差別，MSSFCL在電網中哪些位置安裝會達到收益和經濟性的較好平衡值得研究，同時，此類研究也是實際推廣應用的必然要求。

4 多功能固態限流器的應用展望

在電力電子技術快速發展的背景下，由于多功能固態限流器 MSSFCL可大大提高電網中各類型設備的利用效率，降低生產投資成本，在電網建設發展的諸多方面將發揮重要作用。

（1）工程應用的經濟性。MSSFCL的初期投資雖然比電網中傳統故障限流器高，但是從長遠來看，MSSFCL的經濟性遠高于傳統故障限流器。首先，電網出現短路故障的概率和故障持續時間遠遠低于電網正常運行時間，單一的傳統故障限流器長期處于閑置，資產效益非常低；而MSSFCL長時間運行于電能質量補償狀態，為電網安全穩定和節能產生了巨大的效益。其次，MSSFCL實現了故障限流和電能質量治理等多種功能，相當于將單一的傳統限流器與電能質量治理裝置結合起來，與多臺裝置的總體造價相比，MSSFCL的初期投資更少、占地面積更小，更具經濟性。因此，MSSFCL的應用將有利于減少電網運行成本、提高資產利用率。

（2）高壓電網中的應用。目前MSSFCL在10kV電網中的應用正在開展，更高電壓等級的應用雖尚未開始，但隨著大功率電力電子器件技術逐步突破和多電平、多重化、H橋級聯、模塊化多電平等電力電子拓撲技術的快速發展，電力電子設備的耐壓、耐流水平將不斷提高，有望在不久的將來實現工程應用。同時，高壓直流輸電、高壓STATCOM等電力電子設備的發展，也可為高壓MSSFCL的可靠性和工程應用成熟度起到了重要的借鑒作用。因此，可以預見，MSSFCL的技術可靠性及工程應用成熟度將在未來幾年得到迅速提高。

（3）分布式能源發電中的應用。隨著化石能源危機的不斷加劇，清潔可再生能源（風電、光伏等）在未來電網所占比重將越來越大，由于其并網與退網比較靈活，易受電網故障的沖擊影響，且其產生的電能質量問題（諧波、電壓波動、閃變、三相不平衡等）也較為嚴重。MSSFCL不僅能夠實現分布式能源設備的安全保護，而且能夠提高其供電質量，保證電網安全。

（4）智能電網發展中的應用。MSSFCL由于其具備的多種功能性和高效率性，滿足智能電網堅強、靈活、可靠、自愈等特點，可在智能電網建設中得到推廣應用。

（5）直流系統中的應用。由于直流電流為恒定，在高電壓大電流場合，固態開關[34,45]切斷必將產生極大的di/dt及dv/dt，設計并推廣一種兼有限流功能的開關器件也將成為MSSFCL發展的一種趨勢。

（6）其他領域的推廣應用。MSSFCL可在電氣化鐵路、地鐵等民用設施中廣泛應用，降低社會基礎建設投資成本。

5 結論

（1）隨著電力電子技術的進一步發展，電網中安裝固態限流器逐漸成為電網短路故障時保護設備安全的一項重要手段，然則其存在長期閑置、利用率低下的問題。為了最大限度的發揮器件使用效率，因此發展應用多功能固態限流器成為一個必然趨勢。本文系統總結現有固態限流器及初步具備多功能固態限流功能拓撲的理論研究現狀，其可為今后系統進行MSSFCL研究積累有效經驗。

（2）本文詳細分析了 MSSFCL研究中的關鍵技術問題，并介紹了筆者關于多功能固態限流器研究的近況，可為其他學者開展此類研究提供參考。

（3）通過本文綜述可知，由于MSSFCL具備多種功能，可更加有效地應用于包括微電網、分布式新能源發電、常規公共輸配電網、電氣化鐵路牽引供電及直流輸電系統中。今后，隨著對此逐步深入研究，其必將具有更加重要的科學意義和工程價值。

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