多功能固态限流器的现状及展望

多功能固态限流器的现状及展望湖南大学电气与信息工程学院、云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院的研究人员涂春鸣、姜飞等，在2015 年第16 期《电工技术学报》上撰文，固态限流器（SSFCL ）使用概率的低下与其昂贵的投资成本形成显著矛盾。

在收集大量文献的基础上总结了国内外关于固态限流器的发展及研究现状，特别对现有几种初步满足多种功能的固态限流器拓扑结构、技术特点与应用前景进行了分析，并提出了笔者近年来研究的一种新型多功能固态限流器（MSSFCL ）的拓扑结构。

探讨了多功能固态限流器研究中亟需解决的关键技术问题。

最后，介绍了MSSFCL 的应用趋势。

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-FunctionSolid-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( distributioncurrent 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。

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KingE. 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?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TeymoorChanbari 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。

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。

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。

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。

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( PowerSystem Stabilizer, PSS )和动态无功补偿的作用[33] 。

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]。

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 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。