面向直流配電系統(tǒng)的新型固態(tài)故障限流器設計

李浪

（1.西南交通大學，四川成都　610031；2.內(nèi)江職業(yè)技術學院電氣電子工程系，四川內(nèi)江　641000）

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面向直流配電系統(tǒng)的新型固態(tài)故障限流器設計

李浪1，2

（1.西南交通大學，四川成都610031；2.內(nèi)江職業(yè)技術學院電氣電子工程系，四川內(nèi)江641000）

摘要：與交流配電相比，直流配電具有供電容量大、線路損耗小、電能質(zhì)量好、有利于分布式電源接入等一系列優(yōu)點。然而，保護技術的不成熟在很大程度上限制了直流配電系統(tǒng)的發(fā)展。針對當前直流配電系統(tǒng)保護技術中存在的問題，提出一種新型固態(tài)故障限流器。該限流器采用晶閘管與IGBT相結合的方式，不僅可以快速響應直流電網(wǎng)的故障電流，而且減少了功率損耗。當發(fā)生短路故障時，采用峰值電流控制策略可以進行電流控制，將短路電流限制在一定的范圍內(nèi)。

關鍵詞：直流配電；保護技術；固態(tài)故障限流器；電流控制

Project Supported by the General Natural Science Research Program of the Education Department of Sichuan Province（13ZC0434）.

交流配電系統(tǒng)由于具有電壓變換容易實現(xiàn)等優(yōu)勢，在過去一個多世紀一直都是配電系統(tǒng)的主流。近年來，電源和負載的結構都發(fā)生了巨大變化、用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)如何應對這一系列變化所帶來的挑戰(zhàn)，是配電系統(tǒng)目前乃至未來很長一段時期需要面對的難題。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展和電力電子技術的日益成熟，人們已經(jīng)開始重新審視和研究直流配電方式。與交流配電相比，直流配電具有供電容量大、線路損耗小、電能質(zhì)量好、利于分布式電源的接入等一系列優(yōu)點[1]。

直流配電系統(tǒng)保護技術的研究是直流配電發(fā)展的基礎。然而由于缺乏實際運行經(jīng)驗以及技術相對成熟的直流斷路器，保護技術的研究一直難有突破[2]。其中，在直流斷路器的研究過程中存在兩大技術難題：其一是直流電流不存在自然過零點，滅弧較難；其二是直流系統(tǒng)阻抗較小，一旦發(fā)生短路故障，短路電流的增長速度將非?？臁Ｒ虼?，當前的直流斷路器普遍存在容量小的缺陷。結合交流系統(tǒng)的經(jīng)驗，可以在直流配電系統(tǒng)中加入故障電流限流裝置（FCL）來限制故障電流上升率，從而在一定程度上彌補直流斷路器容量不足的缺陷[3]。

文獻[4]提出了基于超導材料的FCL，該裝置利用超導材料作為主通路，在正常供電時導通壓降很小；一旦發(fā)生短路故障，超導材料就會轉入非超導狀態(tài)，阻值變大，從而達到限制故障電流的目的。但是該裝置需要配備冷卻系統(tǒng)，而且技術尚不成熟，因此沒有投入實際應用。文獻[5]提出了基于飽和電抗器的FCL，在正常供電時電抗器處于電磁飽和狀態(tài)，壓降很??；一旦發(fā)生短路故障，電抗器便退出飽和狀態(tài)，相當于一個大電感，可以限制短路電流的上升率。但是該裝置具有體積大、只能限制短路電流上升率的缺點。文獻[6]提出了基于正溫度系數(shù)（PTC）電阻的FCL，該裝置利用了PTC電阻在溫度低時電阻值很小，溫度升高后電阻值能夠在短時間內(nèi)迅速上升的特性來限制故障電流。但是，目前的PTC電阻還不能應用于大功率場合。文獻[7]提出了一種固態(tài)FCL，該裝置采用了全控型電力電子器件IGBT，體積小、響應快。但是，IGBT導通壓降和靜態(tài)損耗都較大，若用靜態(tài)損耗和導通壓降較小的半控型電力電子器件，則裝置難以實現(xiàn)精確控制故障電流的功能。文獻[8]提出的固態(tài)FCL將半控型器件與全控型器件相結合，不僅能夠精確控制故障電流，而且功率損耗小。但是，該方法僅適用于潮流單相流動的場合。

綜上所述，當前的FCL存在許多不足之處，而且大部分只適用于交流系統(tǒng)，因此研究一種響應快、能夠精確控制故障電流、適用于直流配電系統(tǒng)的FCL具有重大的理論意義和實用價值。

1　新型FCL的拓撲結構

在保留現(xiàn)有直流固態(tài)FCL諸多優(yōu)點的基礎上，考慮到晶閘管導通壓降和靜態(tài)損耗小，并結合直流線路在實際運行過程中的潮流雙向性[9]，本文設計的固態(tài)FCL拓撲結構如圖1所示。采用一個組合開關來代替單一的IGBT，晶閘管T1和IGBT T2構成FCL的主要部分，電網(wǎng)正常運行時，電源經(jīng)由T1向負載供電；在發(fā)生短路故障時，電流由T1轉移到T2，進行斬波控制，限制短路電流的上升。VD1、VD2、VD3、VD4為實現(xiàn)潮流雙向性提供電流通道。C0，D0，R3，D3，T2構成強制關斷電路，R3用來限制對C0的充電電流，D3用來阻止在某些狀態(tài)下的逆電流；C0給晶閘管T1提供逆電壓，使T1強制關斷；D0在T1截止后為故障電流提供通路。限流電感L、晶閘管DL1、DL2以及吸能電阻RL構成FCL系統(tǒng)內(nèi)部的限流電路，在發(fā)生短路故障時，L能夠限制短路電流的上升率，如果故障未能排除需要將FCL斷開時，L中存儲的能量經(jīng)由晶閘管DL1、DL2以及吸能電阻RL構成能量釋放回路消耗掉。R1與C1構成晶閘管T1的緩沖電路，R2、C2與D2構成IGBT T2的緩沖電路。D4為續(xù)流二極管，在需要將FCL斷開時，作為電源出口與短路點間線路阻抗中所存儲能量的釋放通道。

圖1　新型FCL的拓撲結構Fig. 1 The topology of the proposed FCL

設定電源向負載端供電的方向為潮流正方向，在潮流正向的情況下，VD2與VD3給系統(tǒng)提供電流通道，當系統(tǒng)正常工作時，晶閘管DL1、DL2始終關斷；當發(fā)生短路故障時，晶閘管DL1始終導通，晶閘管DL2始終關斷。在潮流反向的情況下，VD1與VD4給系統(tǒng)提供電流通道，當系統(tǒng)正常工作時，晶閘管DL1、DL2始終關斷；當發(fā)生短路故障時，晶閘管DL1始終關斷，晶閘管DL2始終導通。

2　新型固態(tài)FCL的工作原理

本節(jié)以潮流正向時的情況為例，對FCL的工作原理進行簡要分析，F(xiàn)CL在潮流正向時的拓撲結構如圖2所示。

圖2　潮流正向時的等效拓撲結構Fig. 2 The equivalent topology of FCL

2.1正常工作模式

固態(tài)FCL在正常工作模式下的分析波形如圖3所示。圖中：

0～t1：FCL尚未投入運行，各部分電流均為0。

t1～t2：t1時刻，給系統(tǒng)上電，驅(qū)動電路向IGBT T2發(fā)出導通信號。t2時刻，T2導通完成。

t2～t3：延時一段時間，判斷系統(tǒng)是否有短路故障存在。若確定系統(tǒng)正常，在t3時刻，驅(qū)動電路向晶閘管T1發(fā)出導通信號。

圖3　FCL正常工作過程分析波形Fig. 3 Analysis waveform of FCL in the normal working mode

t3～t4：考慮到IGBT的關斷時間要小于晶閘管的導通時間，因此在t4時刻向T2發(fā)出關斷信號。

t4～t5：t5時刻，T2斷開，系統(tǒng)電流由T2支路完全轉移到了T1支路。

t5時刻以后：電源通過晶閘管T1向負載正常供電。正常供電時的電流流向如圖4所示。

圖4　FCL在正常工作模式下的電流流向Fig. 4 The current flow of FCL in the normal working mode

2.2故障限流模式

固態(tài)FCL在故障限流模式下的分析波形如圖5

所示。

圖5　FCL限流過程分析波形Fig. 5 Analysis waveform of FCL in the fault current limit mode

圖中：

0～t1：系統(tǒng)正常運行，IGBT T2處于關斷狀態(tài)，電源經(jīng)由晶閘管T1向負載供電，I0=I2=I3。

t1～t2：t1時刻，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，電流I0=I2=I3開始上升，限流電感L開始作用，抑制短路電流的上升；短路電流在t2時刻上升到一定值后，控制與檢測環(huán)節(jié)判斷系統(tǒng)有短路故障發(fā)生，驅(qū)動IGBT T2導通。

t2～t3：T1與T2同時導通，I0=I3=I1+I2。t2時刻，電容C0上的電壓為E，在T2導通之后，C0反并聯(lián)在晶閘管T1兩端，給T1加了一個反向電壓，使得I1減小，I2增大。在I1下降到0以后，由于晶閘管有一個反向恢復過程，使T1上的電壓呈現(xiàn)為反向電壓，同時有一個反向恢復電流，由于T1緩沖電路的存在，I1將很快反向衰減到0。此時由于C0兩端存在電壓，二極管D0尚不能導通，此時的電流流向如圖6所示。

t3～t4：T1上的反向電壓在此期間不斷衰減，t4時刻變?yōu)?，恢復對正向電壓的阻斷能力。通過T2的短路電流不斷增大，電流流向如圖7所示。

t4～t5：對短路電流設定一個峰值電流If，在t5時刻出現(xiàn)I0=I2=I3=If。此時的C0兩端電壓為0，二極管D0導通，電流流向如圖8所示。

圖6　T1關閉階段的電流流向（1）Fig. 6 The current flow in the process of T1turning-off（1）

圖7　T1關閉階段的電流流向（2）Fig. 7 The current flow in the process of T1turning-off（2）

圖8　斬波模式下的電流流向Fig. 8 The current flow of FCL in the chopper mode

t5時刻以后：控制T2的通斷，系統(tǒng)處在斬波狀態(tài)，使短路電流不再上升。如果在系統(tǒng)規(guī)定時間內(nèi)將故障排除，則采用與2.1相同的步驟，使電流從IGBT支路轉移到晶閘管支路，F(xiàn)CL恢復正常工作狀態(tài)；如果在系統(tǒng)規(guī)定時間內(nèi)未能將故障排除，則徹底切斷IGBT，此時電網(wǎng)中的能量流動如圖9所示。

3　斬波狀態(tài)下的控制策略

電網(wǎng)在發(fā)生短路故障后，對電流的控制精度和調(diào)節(jié)速度提出了很高的要求。峰值電流控制法對輸入輸出的瞬態(tài)響應較快，控制環(huán)的設計比較容易，最主要的是可以限制瞬態(tài)峰值電流，因此非常適合于在斬波狀態(tài)下對限流器的控制。但是考慮到占空比在大于50%的情況下，系統(tǒng)有開環(huán)不穩(wěn)定和次諧波振蕩等現(xiàn)象，因此引入了斜坡補償環(huán)節(jié)[14]。具體控制原理如圖10所示。

圖9　FCL斷開后的電流流向Fig. 9 The current flow of the FCL halt mode

圖10　FCL的電流控制方案Fig. 10 Current control scheme for the proposed FCL

該控制模式采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。EA放大器將基準電壓UREF與輸出反饋電壓UFB的差值放大，輸出誤差信號UEA。對電感電流峰值采樣之后與斜坡補償信號相疊加，得到USUM。將UEA與USUM作為PWM比較器的兩個輸入，然后經(jīng)過邏輯驅(qū)動，產(chǎn)生脈寬信號來控制IGBT T2的通斷。

4　結論

本文所設計的FCL采用晶閘管與IGBT相結合的方式。與已有的FCL相比，該固態(tài)FCL的突出優(yōu)點是：

1）電網(wǎng)正常運行時通過晶閘管給負載側供電，當電網(wǎng)發(fā)生短路故障時切換到IGBT一路，進行電流斬控，限制短路電流。這樣的設計不僅可以快速響應直流電網(wǎng)的故障電流，而且減少了功率損耗。

2）適用于直流配電系統(tǒng)潮流雙向流動的場合。

3）在限流器中又加入一個限流環(huán)節(jié)，降低了對故障判斷靈敏性的要求和裝置工程化實現(xiàn)的難度。

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李浪（1981—），男，碩士，講師，主要研究領域為電力系統(tǒng)輸配電。

（編輯李沈）

A Novel Solid State Fault Current Limiter Applied to DC Distribution System

LI Lang1，2
（1. Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China；2. Department of Electrical Engineering，Neijiang Vocational & Technical College，Neijiang 641000，Sichuan，China）

ABSTRACT：Compared with the AC power distribution，DC power distribution system has a series of advantages，such as large power supply capacity，low line loss，better power quality，easier access to distributed generator，etc. However，the immature protection technology limits the development of DC power distribution system to a great extent. For the problems existing in protection technology for DC distribution system，a novel solid state fault current limiter is proposed in this paper. This limiter uses a combination of SCR and IGBT and can not only achieve fast response to the fault current in the DC power grid，but also reduce the steady power loss. When short-current fault occurs，the peak current control strategy can be used in the current control and strictly limits the fault current below a certain desired range.

KEY WORDS：DC power distribution；protection technology；solid state fault current limiter；current control

作者簡介：

收稿日期：2015-11-06。

文章編號：1674- 3814（2016）03- 0087- 05

中圖分類號：TM774

文獻標志碼：A

基金項目：四川省省教育廳自然科學一般項目（13ZC0434）。