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(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和結構的日益復雜，勢必造成電力系統(tǒng)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(wǎng)安全。資料顯示，我國用電負荷密度大的地區(qū)，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(chǎn)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(tǒng)安全穩(wěn)定運行和電力建設發(fā)展迫切需解決的問題。

一方面，電網(wǎng)短路故障雖然會造成嚴重破壞，但與電網(wǎng)正常的運行時間相比，電網(wǎng)故障的頻次非常低（2008年～2010年國家電網(wǎng)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?？梢?，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(tài)限流器（Solid-State Fault Current Limiter,SSFCL）發(fā)展迅速，已能夠應用于中低壓電網(wǎng)[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(xiàn)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(wǎng)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(yōu)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(tài)電壓調節(jié)器[10]、串聯(lián)混合型有源電力濾波器[11]等，其與固態(tài)限流器在主電路結構方面存在類似之處。若能使固態(tài)限流器某部分元器件在電網(wǎng)非故障時間繼續(xù)發(fā)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(tài)限流器的發(fā)展進行了總結，分析了現(xiàn)有研究中初步具備多種功能的幾類固態(tài)限流器技術特點及優(yōu)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(tài)限流器（Multi-Function Solid-State Fault Current Limiter,MSSFCL），最后探討了多功能固態(tài)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(tài)限流器的研究現(xiàn)狀

美國ERPI在20世紀90年代曾組織專家組對配電網(wǎng)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(tài)限流器是一種現(xiàn)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(nèi)外涉及各類型固態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)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(lián)的GTO與限流電感L并聯(lián)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(tài)，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(chǎn)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(lián)諧振電路的阻抗為零、并聯(lián)諧振電路的導納為零的特點設計。以并聯(lián)諧振式限流器為例，如圖1b所示，正常工作時，電容C起串聯(lián)補償作用；發(fā)生故障時，SCR導通，L與C發(fā)生并聯(lián)諧振，限制故障電流。其主要矛盾是需要快速觸發(fā)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(lián)諧振，TCR關斷，線路阻抗等效為0；故障時，TCR開通，L2與C并聯(lián)諧振，線路阻抗很大。可見，通過改變晶閘管的觸發(fā)延遲角來調節(jié)線路等效阻抗值，可發(fā)揮故障限流作用。然而，控制TCR觸發(fā)延遲角α與等效阻抗大小關系較復雜，不利于現(xiàn)場控制的實現(xiàn)。

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(xù)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(chǎn)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(wěn)態(tài)值[21]。

混合式限流器近年來得到了充分發(fā)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(lián)合作用來實現(xiàn)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(yōu)勢，能夠為進一步提高固態(tài)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(tài)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(fā)脈沖相位使橋路工作在不同的狀態(tài)，從而達到限流目的。其在正常運行時不產(chǎn)生附加壓降，發(fā)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(xiàn)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(tài)限流器，通過控制VT1的關斷來實現(xiàn)控制FCL發(fā)生并聯(lián)諧振產(chǎn)生限流的作用[26]。其結構簡單，反應迅速，四分之一周期內(nèi)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(tài)限流器研究現(xiàn)狀

大電網(wǎng)的建設必然對電網(wǎng)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(tài)，但這又與限流裝置的高投入產(chǎn)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(xiàn)多種功能的固態(tài)限流器應該是一個新的發(fā)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(tài)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(tǒng)的SSFCL拓撲結構，通過優(yōu)化及改善控制策略，在盡可能少地增加電力電子元器件數(shù)量的基礎上，以實現(xiàn)2個及以上電網(wǎng)裝置功能，進而達到提高電網(wǎng)正常狀態(tài)時原有閑置元器件使用效率的目的。

2.1 具有串聯(lián)補償作用的SSFCL

如圖3所示為具有串聯(lián)補償作用的限流器[28,29]。其具體工作方式為：正常運行狀態(tài)時，固態(tài)開關截止，負荷電流從電容C流過，電容C對線路起串聯(lián)補償?shù)淖饔?；故障時，固態(tài)開關導通，旁路電感接入，通過適當?shù)膮?shù)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(lián)補償?shù)淖饔茫瑵M足MSSFCL的基本要求，但固態(tài)開關的動作要求保護電路有極快的響應速度，實現(xiàn)難度大。

圖3 具有串聯(lián)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(tǒng)一潮流控制器

圖4所示為浙江大學創(chuàng)新性地提出的一種具有限流器模塊的統(tǒng)一潮流控制器 UPFC，其由并聯(lián)變壓器、并聯(lián)變換器、串聯(lián)變換器、串聯(lián)變壓器和限流模塊等組成[30]，其中 UPFC模塊與常規(guī)的UPFC功能相同，限流模塊為三相橋式固態(tài)限流器，此種設計主要為了保護系統(tǒng)在發(fā)生故障時，避免串聯(lián)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(xiàn)電能質量調節(jié)和故障限流的雙功能，但電能質量調節(jié)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(wǎng)正常運行時仍然處于閑置狀態(tài)。

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(xiàn)有源電力濾波器和靜止同步補償器功能的基礎上，當系統(tǒng)故障時實現(xiàn)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(tǒng)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(xié)調控制策略，及其保護動作與電網(wǎng)保護相互協(xié)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(xiàn)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(tǒng)的作用，發(fā)揮電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器（Power System Stabilizer,PSS）和動態(tài)無功補償?shù)淖饔肹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(tài)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(tài)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(tài)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(tài)限流器

湖南大學近幾年來對多功能固態(tài)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(wǎng)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(jié)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(tài)限流器，包括了三相四橋臂串聯(lián)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(lián)變流器共用直流側來實現(xiàn)能量的雙向交換。電網(wǎng)正常運行時，通過串聯(lián)變流器補償電網(wǎng)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(wǎng)發(fā)生不同類型短路故障時，系統(tǒng)通過控制串聯(lián)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(wǎng)與負載設備的作用，并在一定程度上實現(xiàn)與繼電保護整定值相配合，提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)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(tài)限流器的關鍵技術

固態(tài)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(yōu)化、參數(shù)設置以及其與電網(wǎng)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(tài)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(tǒng)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(tài)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(chǎn)運行中 SSFCL只在線路故障時起作用，而MSSFCL由于需要考慮電網(wǎng)正常運行時繼續(xù)發(fā)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(tǒng)分中性點接地系統(tǒng)、中性點不接地系統(tǒng)和中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，不同故障類型下產(chǎn)生的故障電流顯著不同。系統(tǒng)發(fā)生故障后，針對不同類型故障新系統(tǒng)的運行問題十分復雜；同時其功能模式切換會產(chǎn)生不同程度的電壓倍增，最大可達幾十倍，這對于系統(tǒng)中設備安全影響十分惡劣。因此，研究分析多功能固態(tài)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(xié)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(tài)判斷、工作方式切換是研究的一個重點工作。

（4）與電網(wǎng)交互影響。MSSFCL的動態(tài)特征、內(nèi)部元器件的雜散參數(shù)都將不同程度影響電網(wǎng)中其他設備的運行要求，尤其是MSSFCL接入電網(wǎng)后，勢必對電力系統(tǒng)繼電保護參數(shù)設置產(chǎn)生重要影響，這都有待進一步研究。

（5）安裝位置最優(yōu)分布。實現(xiàn)最優(yōu)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(tǒng)整體效益的交互影響。實際上，針對電網(wǎng)中不同位置短路電流及影響存在的差別，MSSFCL在電網(wǎng)中哪些位置安裝會達到收益和經(jīng)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(tài)限流器的應用展望

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

（1）工程應用的經(jīng)濟性。MSSFCL的初期投資雖然比電網(wǎng)中傳統(tǒng)故障限流器高，但是從長遠來看，MSSFCL的經(jīng)濟性遠高于傳統(tǒng)故障限流器。首先，電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障的概率和故障持續(xù)時間遠遠低于電網(wǎng)正常運行時間，單一的傳統(tǒng)故障限流器長期處于閑置，資產(chǎn)效益非常低；而MSSFCL長時間運行于電能質量補償狀態(tài)，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定和節(jié)能產(chǎn)生了巨大的效益。其次，MSSFCL實現(xiàn)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(tǒng)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(jīng)濟性。因此，MSSFCL的應用將有利于減少電網(wǎng)運行成本、提高資產(chǎn)利用率。

（2）高壓電網(wǎng)中的應用。目前MSSFCL在10kV電網(wǎng)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(lián)、模塊化多電平等電力電子拓撲技術的快速發(fā)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(xiàn)工程應用。同時，高壓直流輸電、高壓STATCOM等電力電子設備的發(fā)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(fā)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(wǎng)所占比重將越來越大，由于其并網(wǎng)與退網(wǎng)比較靈活，易受電網(wǎng)故障的沖擊影響，且其產(chǎn)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(xiàn)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(wǎng)安全。

（4）智能電網(wǎng)發(fā)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(wǎng)堅強、靈活、可靠、自愈等特點，可在智能電網(wǎng)建設中得到推廣應用。

（5）直流系統(tǒng)中的應用。由于直流電流為恒定，在高電壓大電流場合，固態(tài)開關[34,45]切斷必將產(chǎn)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(fā)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(fā)展，電網(wǎng)中安裝固態(tài)限流器逐漸成為電網(wǎng)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(fā)揮器件使用效率，因此發(fā)展應用多功能固態(tài)限流器成為一個必然趨勢。本文系統(tǒng)總結現(xiàn)有固態(tài)限流器及初步具備多功能固態(tài)限流功能拓撲的理論研究現(xiàn)狀，其可為今后系統(tǒng)進行MSSFCL研究積累有效經(jīng)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(tài)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(wǎng)、分布式新能源發(fā)電、常規(guī)公共輸配電網(wǎng)、電氣化鐵路牽引供電及直流輸電系統(tǒng)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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