交直流混合配電網(wǎng)直流故障限流器拓撲及工作原理綜述

葛雪峰，張亮，李丹棟，史明明，袁宇波，水恒華，尹靖元

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 210000；2. 南京工程學院 電力工程學院，江蘇 南京 210000；3.中國科學院電工研究所，北京 100190)

近年來，以光伏為代表的分布式新能源接入配電網(wǎng)占比越來越高，人們開始關(guān)注具有安全穩(wěn)定等特征的直流組網(wǎng)技術(shù)[1-2]。直流配電網(wǎng)或者交直流混合配電網(wǎng)得到一些工程示范和實踐探索。直流配電網(wǎng)存在故障限流和阻斷難題，尤其當直線饋線發(fā)生故障時，短路電流上升率高，幅值大，約為額定電流的20倍左右，嚴重的情況下可達到50倍以上，需要快速的故障隔離和保護技術(shù)。直流故障限流器是其中的關(guān)鍵設(shè)備之一[3-5]。

直流故障限流器通常串接于直流線路中，文獻[6-7]對直流故障限流器的技術(shù)要求進行如下概括：

a)系統(tǒng)正常運行時，直流故障限流器呈現(xiàn)低阻抗特性，有功損耗小。

b)故障發(fā)生后，限流器能在短時間內(nèi)迅速動作，限制故障電流短時激增；且需具有一定限流容量，通常以故障電流變化率與電感增益倍數(shù)作為性能指標。

c)動作時，不會引起暫態(tài)振蕩、過電壓等副作用,不影響繼電保護的動作。

d)控制簡單，無需高速故障檢測技術(shù)，可靠性高。

針對直流故障限流器拓撲及控制方法已有不少研究。文獻[8]設(shè)計了一種基于單鉗壓子模塊的故障限流器，通過柔性投入限流元件，實現(xiàn)限流器的可靠投入，并且通過自旁路設(shè)計降低斷路器切斷難度。文獻[9]設(shè)計了一種鐵心型高溫超導故障限流器，通過采用軟磁復合材料延長了限流時間。文獻[10]提出一種新型混合式直流故障限流器拓撲，主限流電路采用晶閘管器件，可在直流斷路器斷路時將限流電感快速旁路。文獻[11]提出一種新型適用于抑制直流側(cè)故障電流的H橋型混合式故障限流器拓撲, 故障后電流流過換相支路實現(xiàn)限流。文獻[12]提出一種新型的電阻式直流故障限流器，該裝置可以提高直流故障電流回路的阻尼性能，使直流斷路器更容易地斷開直流故障線路。

現(xiàn)階段工程應用中以3種類型限流器為主。德國于2004 年成功制造了當時世界上最大的高溫超導限流器，該限流器的等級為 10 kV/10 MVA。中國南方電網(wǎng)有限責任公司直流超導限流器項目擬研制 160 kV/1 kA 的直流超導限流器，該限流器在成功研制后將成為世界上電壓等級最高容量最大的超導直流限流器[13]。浙江大學于2006年研制出了10 kV/500 A 橋式限流器。天津大學李博通團隊和武漢大學袁佳歆團隊完成橋式±100 kV/100 MVA 限流器仿真驗證，并進行了小容量樣機試驗[14]。在蘇州同里新能源示范園區(qū)，所使用的LCL型多功能直流故障限流器實現(xiàn)了雙向故障電流保護。超導型直流故障限流器最大電流開斷能力較強，響應時間較快通常為0.01 s以內(nèi)，但經(jīng)濟成本較高，維護困難，適用于中高壓直流電網(wǎng)。機械開關(guān)型直流故障限流器電流開斷能力較弱，但可靠性高，經(jīng)濟性較好，適用于較為簡易的直流微電網(wǎng)。多功能型直流故障限流器研究仍處于初步階段，相關(guān)實驗樣機與工程應用較少，在情況較為復雜的中低壓交直流混合電網(wǎng)中的應用有很大空間。

本文根據(jù)現(xiàn)有直流故障限流器的限流原理和功能，將直流故障限流器分成超導型直流故障限流器、機械開關(guān)型直流故障限流器和多功能新型直流故障限流器3類進行分析，討論其電路拓撲及工作機理。

1 超導型直流故障限流器

超導型直流故障限流器可分為電阻型、變壓器型、非失超型等[15]。

1.1 電阻型超導限流器[16]

如圖1所示，電阻型超導限流器由超導線圈SL，二極管D和限流電阻R組成，其運行模式如圖2(a)、2(b)所示。電阻型超導限流器正常運行時，超導線圈處于超導狀態(tài)，電流經(jīng)超導線圈流向負載；當短路故障發(fā)生，超導線圈失去超導性，轉(zhuǎn)變?yōu)楦行宰杩?，抑制短路電流激增，同時故障電流經(jīng)二極管由限流電阻進一步限制故障電流幅值。

圖1 電阻型超導限流器Fig.1 Resistance type superconducting current limiter

圖2 電阻型超導限流器工作模式Fig.2 Operation mode of resistance superconducting current limiter

電阻型超導限流器結(jié)構(gòu)及控制方式簡單，但超導材料在失去超導性后較難恢復，因此限制了此種拓撲結(jié)構(gòu)廣泛應用。

1.2 變壓器型超導限流器[17]

如圖3所示，變壓器型超導限流器由常規(guī)繞組和超導繞組組成，超導繞組外部需配置非金屬低溫箱，確保絕緣與散熱效果，其運行模式如圖4(a)、4(b)所示。

變壓器型超導限流器正常運行時，因副邊為超導繞組，呈現(xiàn)出低阻抗;當發(fā)生短路故障時，副邊感應電流達到臨界值而失去超導性，變壓器整體等效阻抗增大，實現(xiàn)對故障電流的抑制。

該結(jié)構(gòu)也存在恢復超導性難問題，同時因采用變壓器致使體積大、經(jīng)濟成本較高。

圖3 變壓器型超導限流器Fig.3 Transformer type superconducting current limiter

圖4 變壓器型超導限流器工作模式Fig.4 Operation mode of transformer type superconducting current limiter

1.3 非失超型超導限流器[18-19]

如圖5所示，非失超型超導限流器由超導線圈SL，限流電阻R1、R2及快速機械開關(guān)S組成。其運行模式分別如圖6(a)、6(b)所示。

圖5 非失超型超導限流器Fig.5 Non-out-of-superconductivity current limiter

圖6 非失超型超導限流器工作模式Fig.6 Operation mode of non-out-of-super superconducting current limiter

非失超型超導限流器正常運行時，機械開關(guān)S閉合；當短路故障發(fā)生，S迅速斷開，超導線圈起到限制電流短時激增作用，限流電阻R1、R2起到限制故障電流幅值作用。使用時，超導線圈不失超導性，故無需恢復超導性，但機械開關(guān)存在響應速度的不足。

2 機械開關(guān)型直流故障限流器

機械開關(guān)型直流故障限流器是通過快速機械開關(guān)與電力電子器件進行換流，再由故障限流部分實現(xiàn)故障電流抑制功能，本章分析幾個典型機械開關(guān)型直流故障限流器。

2.1 橋式直流故障限流器

橋式故障限流器如圖7所示，由絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)全控器件T1、T2、T3、T4組成橋式電路，反并聯(lián)二極管D1、D2進行分流，限流電感L進行電流抑制,S、T為開關(guān)[20]。

圖7 橋式直流故障限流器Fig.7 Bridge type DC fault limiter

橋式故障限流器工作狀態(tài)分為旁路運行模式，換流模式和限流模式1、2等4種工作模式，如圖8所示。

圖8 橋式直流故障限流器工作模式Fig.8 Operation mode of bridge DC fault limiter

橋式故障限流器正常運行時，機械開關(guān)S閉合，限流器整體工作在旁路模式；當檢測到故障發(fā)生時，快速機械開關(guān)S斷開，同時觸發(fā)全控型開關(guān)T，電流由機械開關(guān)支路切換至全控開關(guān)T支路；進入故障限流模式1，故障電流經(jīng)T1、L、D2、T2流過故障限流器，由電感L1短時限制故障電流增大；隨后切換至限流模式2，故障電流經(jīng)T4、D1、L、T3流過故障限流器，該回路中電感同樣起到限制短時故障電流激增的作用。之后在限流模式1和限流模式2之間以固定高頻進行切換，將直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電流，依靠電感通低頻阻高頻特性進一步限制故障電流增大。

此拓撲具備高效率低損耗的傳輸能力和高效限流能力，可通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來提升故障限流水平，但存在開關(guān)次數(shù)多，對IGBT耐壓耐流能力、機械開關(guān)響應速度要求較高等缺點。

2.2 固態(tài)直流故障限流器

固態(tài)直流故障限流器如圖9所示，其主體結(jié)構(gòu)由2個并聯(lián)的全控器件T1、T2，限流電感L，耦合電抗器L1、L2，旁路開關(guān)T及機械旁路開關(guān)S組成。其中耦合電感電抗值相等，并聯(lián)IGBT T1、T2分別與耦合電抗器同名端與異名端相串聯(lián)[21-22]。

圖9 固態(tài)直流故障限流器Fig.9 Solid state DC fault limiter

固態(tài)直流故障限流器工作模式分為旁路運行模式，換流模式和限流模式1、2，如圖10所示。

圖10 固態(tài)直流故障限流器工作模式Fig.10 Operation mode of solid state DC fault limiter

固態(tài)直流故障限流器正常運行時，快速機械開關(guān)S導通，耦合電感支路被旁路，固態(tài)直流故障限流器運行在損耗最小模式；故障發(fā)生后，機械開關(guān)迅速斷開，電流由機械開關(guān)支路切換至T支路，由電感L限制短路電流激增，由T1和T2交替通斷。

固態(tài)直流故障限流器拓撲IGBT器件數(shù)量少，提升了經(jīng)濟性；但仍存在不斷切換導通支路和依靠機械開關(guān)進行換流，對電力電子器件和機械開關(guān)要求較高。

2.3 混合型直流故障限流器

如圖11所示，混合型直流故障限流器由限流電感L1、L2， IGBT T1、T2，快速機械開關(guān)S和電阻R1、R2、R3組成，具備3個端口[23]。

圖11 混合型直流故障限流器Fig.11 Hybrid DC fault limiter

混合型直流故障限流器分為旁路運行模式，換流模式和限流模式1、2等4個狀態(tài)，如圖12所示。

圖12 混合型直流故障限流器工作模式Fig.12 Operation mode of hybrid DC fault limiter

混合型直流故障限流器正常運行時，觸發(fā)晶閘管T1，電流流經(jīng)T1和機械開關(guān)S向負載供電，同時對電容C0、C3進行充電，充電完成后電容電壓和為直流網(wǎng)壓；故障發(fā)生后切換至強制換流狀態(tài)電容C0上的電壓對T1形成反壓，電流減小直至反向，并由緩沖電路R1、C1使電流為零，實現(xiàn)機械開關(guān)無弧開斷，強制換流至T2支路，由限流電阻進行限流，同時由于L1、L2的存在，故障電流增幅及增速也同樣被限制。

該類型故障限流器實現(xiàn)了機械開關(guān)的無弧開斷，但存在結(jié)構(gòu)復雜、元件參數(shù)選擇要求高、經(jīng)濟性差等問題。

3 多功能新型直流故障限流器

前述直流故障限流器，只具備故障限流能力，不具有故障后與其他裝置協(xié)同的能力，有學者提出具備多種功能的直流故障限流器。

3.1 多功能模塊化直流故障限流器

如圖13所示的多功能模塊化直流故障限流器，單個功率模塊由全控器件IGBT T1—T4、二極管D、直流網(wǎng)壓支撐電容C、短路泄能電阻R和限流電感L組成，主體結(jié)構(gòu)由多個子模塊SM串聯(lián)組成，面對不同故障情況及嚴重程度，可通過不同支路切換以及子模塊組合，提供針對性故障限流能力。

圖13 多功能模塊化直流故障限流器Fig.13 Multifunctional modular DC fault limiter

多功能模塊化直流故障限流器工作模式分為旁路運行模式、故障限流模式、短路能量泄放模式 和直流網(wǎng)壓支撐模式4種工作模式， 如圖14所示。

圖14 多功能模塊化直流故障限流器工作模式Fig.14 Operation mode of multifunctional modular DC fault limiter

多功能模塊化直流故障限流器正常運行時，子模塊觸發(fā)T1、T4，工作于旁路模式。當故障發(fā)生時，T1、T4關(guān)斷，同時觸發(fā)T3，所有子模塊限流電感L投入，限流器整體表現(xiàn)為多個電感串聯(lián)，提供較強的電流限制能力。當故障持續(xù)，超出限流能力，則關(guān)斷T3，觸發(fā)T2，短路泄放電阻投入，此時對正常運行時等效負載進行計算，與n個子模塊所能提供的等效泄放負載進行比較，當?shù)刃狗咆撦d大于正常運行負載時，則滿足泄放能力，只需投入n個子模塊的T2支路，其余子模塊運行在旁路模式以便減少損耗(n=1,2,…,N,N為子模塊數(shù)量)；當?shù)刃狗咆撦d小于正常運行負載時，則不滿足泄放能力，斷開T2支路，觸發(fā)T4，所有子模塊支撐電容投入。由子模塊初始電壓串聯(lián)組成直流網(wǎng)壓，切斷功率傳輸?shù)耐瑫r隔離直流故障，保護換流器及電網(wǎng)。

多功能模塊化直流故障限流器拓撲結(jié)構(gòu)通過多子模塊設(shè)計組合，形成具備不同限流能力的直流故障限流器，可針對不同類型及嚴重程度的直流故障，采取對應的限流功能，確保故障電流始終維持在安全范圍內(nèi)。

3.2 LCL型多功能直流故障限流器

如圖15所示的LCL型多功能直流故障限流器采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)部分采用全橋結(jié)構(gòu)，并聯(lián)部分采用雙有源橋結(jié)構(gòu)。穩(wěn)態(tài)時，H橋電路通過輸出可控直流電壓，實現(xiàn)對線路潮流和電壓的調(diào)節(jié)；當故障發(fā)生，閉鎖H橋可使得電容C2串入電路，實現(xiàn)對故障的快速隔離。并聯(lián)側(cè)雙有源橋結(jié)構(gòu)從電網(wǎng)側(cè)吸取能量，再由全橋結(jié)構(gòu)輸出補償電壓，實現(xiàn)電壓補償與潮流調(diào)節(jié)的作用。

圖15 LCL型多功能直流故障限流器Fig.15 LCL multifunctional DC fault limiter

LCL型多功能直流故障限流器工作狀態(tài)有電壓補償潮流調(diào)節(jié)模式、限流模式和阻斷模式等3種運行模式，如圖16所示。

穩(wěn)態(tài)運行時，LCL型多功能直流故障限流器運行在電壓補償潮流調(diào)節(jié)模式，電壓U1與電壓U2間存在電壓差UT，通過調(diào)整UT即可實現(xiàn)對負載電壓的調(diào)整；并聯(lián)側(cè)從網(wǎng)側(cè)采集能量，串聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)進行電壓源控制，輸出補償電壓，而系統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié)通常也是通過改變線路上的壓降來實現(xiàn)的，因此穩(wěn)態(tài)運行時也具備調(diào)節(jié)潮流的功能。當故障發(fā)生、限流模式運行時，H橋下臂雙管導通，上臂雙管關(guān)斷，LCL限流結(jié)構(gòu)投入，限制故障電流激增，之后通過L1、C1振蕩限制故障電流上升，同時判斷是否需要阻斷故障；當切換至阻斷模式時，封鎖H橋所有脈沖，串聯(lián)至電路中的直流電容C2，使得故障電流快速下降，實現(xiàn)對故障電流的隔離。

圖16 LCL型多功能直流故障限流器工作模式Fig.16 Operation mode of LCL multifunctional DC fault limiter

LCL型多功能直流故障限流器拓撲通過H橋結(jié)構(gòu)與雙有源橋結(jié)構(gòu)的高可控性，實現(xiàn)對直流網(wǎng)壓的補償以及電網(wǎng)潮流的調(diào)節(jié)，同時H橋結(jié)構(gòu)不同的導通方式使得LCL結(jié)構(gòu)組合成不同的限流模式。

4 總結(jié)與展望

直流故障限流器是限制直流配電網(wǎng)短路故障的重要設(shè)備，本文對超導型、機械開關(guān)型和多功能型直流故障限流器經(jīng)典拓撲及工作機理進行了分析研究。超導型直流故障限流器在超導材料失超后如何快速高效恢復，以及如何降低超導材料的成本，是提升超導型直流故障限流器應用能力重要影響因素。機械開關(guān)型直流故障限流器結(jié)構(gòu)簡單和可靠性高使得其應用最為廣泛，對快速機械開關(guān)響應時間提升或者同樣具備低損耗特性的替代裝置研究值得探索。多功能新型直流故障限流器正處于初步研究階段，其拓撲結(jié)構(gòu)、多種高級功能以及與直流電網(wǎng)其他設(shè)備的協(xié)同控制，將是今后的研究方向。