固態(tài)限流器發(fā)展綜述

劉軼強

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固態(tài)限流器發(fā)展綜述

劉軼強

（海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411101）

本文概括了國內(nèi)外現(xiàn)有固態(tài)限流器發(fā)展情況，詳細(xì)介紹了串聯(lián)開關(guān)型及橋式固態(tài)限流器工作原理及其演變過程，對不同的拓?fù)溥M行了對比，總結(jié)了兩類拓?fù)涓髯缘膬?yōu)缺點及未來的發(fā)展趨勢。

故障限流器 固態(tài) 串聯(lián)開關(guān)型 整流橋型

0 引言

隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，各級電網(wǎng)中短路電流不斷增長的問題日益突出。過大的短路電流將會對其他設(shè)備的選型及安全穩(wěn)定運行造成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，必須采取措施將短路電流限制在合理的水平之內(nèi)。傳統(tǒng)限制短路電流的措施可以分為系統(tǒng)以及設(shè)備層面兩種。系統(tǒng)層面的措施包括采用高電壓等級電網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)分裂運行、母線分段運行等；設(shè)備層面包括串聯(lián)電抗器、采用高阻抗變壓器等。

這些措施雖然可以限制電力系統(tǒng)的短路水平，但是或多或少是以犧牲系統(tǒng)其它方面的性能為代價的。近年來，對系統(tǒng)正常運行影響很小的故障限流器（Fault Current Limiter，F(xiàn)CL）日漸成為一個研究熱點。這主要與理想故障限流器所具有的以下性能有關(guān)：

1）正常運行時零阻抗，對系統(tǒng)影響很?。?/p>

2）故障發(fā)生時立即轉(zhuǎn)化為高阻抗?fàn)顟B(tài)限制短路電流，并可以根據(jù)限流水平設(shè)置阻抗的大??；

3）故障切除后可以立即恢復(fù)，有利于系統(tǒng)的重合閘操作。

為了達到以上性能，各國學(xué)者基于各種材料、電力電子器件、電路拓?fù)浼翱刂撇呗詫收舷蘖骷夹g(shù)提出了多種故障限流器拓?fù)?。其中，固態(tài)短路故障限流器（Solid State Fault Current Limiter）依靠電力電子器件實現(xiàn)正常運行與故障狀態(tài)時限流阻抗的切換，是目前在快速性及控制靈活性上比較接近理想限流器指標(biāo)的限流器類型。近年來，隨著電力電力器件及相關(guān)控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外均對固態(tài)限流器開展了大量研究，并取得了一系列的成果。國外結(jié)合新型電力電子器件研發(fā)方面的優(yōu)勢，不斷將各種新式器件應(yīng)用在固態(tài)限流器拓?fù)渲?；國?nèi)方面則利用現(xiàn)有商業(yè)化的器件不斷的對固態(tài)限流器拓?fù)溥M行改進。

本文對目前的固態(tài)限流器發(fā)展情況進行了總結(jié)，通過對不同拓?fù)浠驹淼姆治觯瑢Ω鞣N固態(tài)限流器優(yōu)缺點進行了對比，給出了固態(tài)限流器的發(fā)展趨勢。

1 固態(tài)限流器發(fā)展?fàn)顩r

固態(tài)限流器的發(fā)展實際上來自于早期美國電力科學(xué)研究院（EPRI）關(guān)于限流器報告的推動，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，有兩類拓?fù)涞玫搅顺掷m(xù)的研究：串聯(lián)開關(guān)型（Series switch type）及橋式(Bridge type)固態(tài)限流器。

1.1串聯(lián)開關(guān)型限流器

串聯(lián)開關(guān)型拓?fù)淙鐖D1所示，其基本原理為直接依靠大功率電力電子器件的硬關(guān)斷能力直接將短路電流轉(zhuǎn)移到并聯(lián)電抗器中，通過限流電抗實現(xiàn)對短路電流的限制。這種拓?fù)湓砗唵?，響?yīng)速度快，但是導(dǎo)通損耗比較大，需要附加的保護電路及散熱設(shè)備。受限于電力電子器件的發(fā)展水平，目前只能通過器件的串并聯(lián)提高整個裝置的功率等級。

國外關(guān)于固態(tài)限流器的研究大多采用與圖1類似的拓?fù)?，這類限流器的發(fā)展本質(zhì)上取決于大功率電力電子器件的發(fā)展，電力電子器件的發(fā)展及應(yīng)用水平?jīng)Q定了整個裝置的功率密度及可靠性。為此，國外首先進行的是針對電力電子器件本體的研究。美國海軍研究局（ONR）曾資助過弗吉尼亞理工大學(xué)的電力電子系統(tǒng)研究中心（CPES）、SPCO等單位開展了多個針對電力電子器件有關(guān)的項目，這些項目均以提高電力電子系統(tǒng)功率等級及可靠性為目標(biāo)，采取的具體措施可以分為以下幾個方面：

1）通過將半導(dǎo)體器件、驅(qū)動及保護電路按照最優(yōu)的電路、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成來實現(xiàn)整個裝置高功率密度、高可靠性的目標(biāo)，早期開展的PEBB（電力電子集成模塊）項目即是這一思路的代表；

2）在Si材料基礎(chǔ)上積極開發(fā)新型器件結(jié)構(gòu)，擴大電力電子器件的安全工作區(qū)，如ETO、SGTO等；

3）采用寬禁帶半導(dǎo)體材料對現(xiàn)有器件進行升級換代，如可以顯著提升器件耐壓水平、高溫條件工作能力的SiC材料。

一直以來，串聯(lián)開關(guān)型限流器基本拓?fù)渥兓淮?，主要可以分為圖2所示的兩種拓?fù)?。圖2（a）正常狀態(tài)時串入系統(tǒng)回路中的器件少于拓?fù)涠?，器件總體導(dǎo)通損耗更低，而圖2(b)的優(yōu)勢在于通過二極管橋式回路減少了主控器件的使用，從而降低系統(tǒng)硬件成本。EPRI按照圖2（a）設(shè)計的基于SGTO器件的15.5 kV/1200 A等級固態(tài)限流器已經(jīng)完成樣機實驗，成功將23 kA(有效值)故障電流限制在9 kA(有效值)。國外也有基于SiC SGTO器件10 kV等級的固態(tài)限流器報道，但是由于SIC器件發(fā)展水平的限制，額定電流只有50 A。

1.2橋式固態(tài)限流器

橋式限流器拓?fù)涫紫扔烧憬髮W(xué)提出，并在此拓?fù)浠A(chǔ)上申請了多項專利，這種拓?fù)鋵﹄娏﹄娮悠骷囊蟛桓?，不需要快速故障檢測系統(tǒng)，早在2006年10 kV/500 A等級樣機的研制工作就已經(jīng)完成，但是由于體積成本的限制，沒有完成工程化的目標(biāo)。

以圖3所示的橋路型單相拓?fù)湔f明該類限流器的原理：正常狀態(tài)時晶閘管-觸發(fā)信號常加，限流電感經(jīng)過短暫的充磁狀態(tài)后電流基本穩(wěn)定在系統(tǒng)電流峰值。由于、為限流電感提供了續(xù)流回路，正常狀態(tài)時限流電感相當(dāng)于被短接，對系統(tǒng)正常運行沒有影響。

當(dāng)短路故障發(fā)生時，限流電感將會自動串入系統(tǒng)回路對短路電流進行限制。如圖4所示，短路故障在發(fā)生，時刻時短路電流上升系統(tǒng)額定電流的峰值，限流電感串入系統(tǒng)。此時，根據(jù)晶閘管控制信號不同，可以實現(xiàn)續(xù)流模式及有源逆變兩種限流模式。若只封鎖晶閘管、的觸發(fā)信號，在其電流過零的時刻，限流電感通過、續(xù)流，系統(tǒng)側(cè)與故障側(cè)實現(xiàn)隔離。若在電源電壓正向時控制、導(dǎo)通，電源電壓反向時控制、導(dǎo)通，限流電感中電流可以通過有源逆變的方式快速衰減到零。

通過以上的分析可以看出，基于晶閘管整流橋的橋式限流器拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)點：1）在系統(tǒng)正常運行時使限流電感流過直流電流，等效為被短接，不會產(chǎn)生附加壓降；2）故障發(fā)生時限流電感自動串入，不需要額外的故障檢測電路；3）通過對晶閘管觸發(fā)信號的控制，既可以通過續(xù)流方式也可以通過有源逆變的方式關(guān)斷。但是，橋路型拓?fù)湟泊嬖谝恍﹩栴}：如采用線性直流電感所導(dǎo)致的系統(tǒng)整體體積、重量過大，電感充磁過程導(dǎo)致的電網(wǎng)諧波污染以及三相拓?fù)潆娋W(wǎng)接入的問題。為減小這些問題對實際應(yīng)用帶來的限制，國內(nèi)學(xué)者拓?fù)溥M行了大量研究，具體可以分為以下幾個方面：

1）加裝旁路電感

旁路電感型拓?fù)淙鐖D5（a）所示，正常工作時旁路電感被短接，故障發(fā)生時與限流電感一起承擔(dān)短路電流，晶閘管過零時則完全承擔(dān)短路電流。這樣，整流橋可以及時的退出運行，由交流電感承擔(dān)大部分的短路電流，直流電感流過的短路電流大大減小，避免了因為直流電感磁路飽和導(dǎo)致失去限流作用的問題，從而降低整個系統(tǒng)的體積成本。

2）加裝耦合變壓器

變壓器耦合型拓?fù)渥畛跏菫榱私鉀Q三相橋式限流器的電網(wǎng)接入問題提出的，其基本原理圖如圖5（b）所示。采用耦合變壓器的限流器拓?fù)浣尤腚娋W(wǎng)時不受一次側(cè)線路接線方式的影響，無論系統(tǒng)側(cè)是星型、三角形接法都可以方便接入。同時，這種拓?fù)渫ㄟ^改變耦合變壓器的變比，可以降低整流橋側(cè)的電壓等級，降低對電力電子器件及直流電感的設(shè)計要求。但是，由于變壓器本身勵磁電抗參數(shù)較大，在整流橋退出后故障電流將會很小，不利于繼電保護裝置進行判斷。圖6（a）將旁路電感與耦合變壓器結(jié)合，整流橋退出后由交流旁路電感限制短路電流，限流水平可以對交流電感參數(shù)設(shè)定實現(xiàn)，但是，耦合變壓器以及旁路電感進一步增大了系統(tǒng)的體積、成本。為此又出現(xiàn)了直接采用飽和變壓器對旁路電感及耦合變壓器替代的方案。

3）全控器件的使用

針對晶閘管器件不能立即關(guān)斷的缺點，有學(xué)者提出采用IGCT構(gòu)成整流橋的方案，圖7（a）為基于IGCT的全控橋型拓?fù)洌撏負(fù)浔苊饬斯收蠣顟B(tài)時整流橋的失控狀態(tài)，從而可以降低直流電感短路電流水平，減小整個系統(tǒng)的體積。圖7（b）為該種拓?fù)涞膬?yōu)化，通過半控橋減少昂貴IGCT器件的使用。

限流電抗控制型拓?fù)淙鐖D7（b）所示，該拓?fù)渲苯訉⒕чl管換為二極管，而限流回路中則串入全控器件控制的耗能電阻。限流電抗正常運行時由不控整流橋?qū)崿F(xiàn)對限流電抗充磁，穩(wěn)定時流過恒定直流，故障發(fā)生時自動投入。通過控制耗能電阻R投入的時間可以實現(xiàn)對故障限流的限制。而且，由于不控整流橋的使用，進一步降低了可控器件的數(shù)量，減小了故障切除后限流器恢復(fù)時間。

通過采取以上措施，可以對橋式固態(tài)限流器存在的電網(wǎng)接入、體積、成本及故障電流控制等問題進行改進，但是耦合變壓器、直流限流電感帶來的體積成本問題短期內(nèi)無法解決。為此，也有學(xué)者提出將固態(tài)限流器與現(xiàn)有設(shè)備進行融合，如文獻指出的具有限流功能的UPFC，既可以實現(xiàn)對系統(tǒng)潮流的控制，又可以限制短路電流。這種方案可以通過功能的增加提高整體設(shè)備的經(jīng)濟性，從而減小對固態(tài)限流器直接應(yīng)用的限制。

2 結(jié)論

固態(tài)限流器在兩個方向上仍然在不斷發(fā)展，一是串聯(lián)開關(guān)型拓?fù)?，通過使用潛在的耐高溫、高壓、大電流的新型電力電子器件，盡可能的提高固態(tài)限流器的功率密度及可靠性；二是橋式拓?fù)洌ㄟ^對現(xiàn)有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及與其他電氣設(shè)備的融合，充分發(fā)揮現(xiàn)有器件及其他電氣設(shè)備的能力，提升整個裝置的性能。

但是，現(xiàn)階段串聯(lián)開關(guān)型固態(tài)限流器仍然受限于大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展水平，過高的成本也不具有競爭優(yōu)勢；橋式固態(tài)限流器由于直流電感及耦合變壓器存在導(dǎo)致整體體積重量偏大，也需要不斷改進。一些固態(tài)限流器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用時對繼電保護及其他設(shè)備影響等問題可先行進行研究。一旦寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件的發(fā)展，固態(tài)限流器將充分展現(xiàn)其高功率密度、動作速度快及高度靈活等優(yōu)勢，得到更為廣闊的應(yīng)用。

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Review on Solid State Fault Current Limiters

Liu Yiqiang

(Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411101, Hunan, China)

This paper discusses the developing status of solid-state fault current limiters at home and abroad. The series switch types and the bridge types are presented in detail for their principle and evolution process. According to the comparison of different topologies, the advantages and disadvantages of both types are given and the future trend is pointed out.

fault current limiters; solid state; series switch type; bridge type

TM556

A

1003-4862（2015）03-0077-04

2015-01-15

劉軼強(1974-)，男，工程師。研究方向:電氣工程。