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(xué)研究院，江蘇 南京 210000；2. 南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 210000；3.中國科學(xué)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(dāng)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(yán)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(biāo)。

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?fù)浼翱刂品椒ㄒ延胁簧傺芯?。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(dǎo)故障限流器，通過采用軟磁復(fù)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?fù)?，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?fù)? 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(yīng)用中以3種類型限流器為主。德國于2004 年成功制造了當(dāng)時世界上最大的高溫超導(dǎo)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(zé)任公司直流超導(dǎo)限流器項目擬研制 160 kV/1 kA 的直流超導(dǎo)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(dǎo)直流限流器[13]。浙江大學(xué)于2006年研制出了10 kV/500 A 橋式限流器。天津大學(xué)李博通團隊和武漢大學(xué)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(dǎo)型直流故障限流器最大電流開斷能力較強，響應(yīng)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(yīng)用較少，在情況較為復(fù)雜的中低壓交直流混合電網(wǎng)中的應(yīng)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(dǎo)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?fù)浼肮ぷ鳈C理。

1 超導(dǎo)型直流故障限流器

超導(dǎo)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(dǎo)限流器[16]

如圖1所示，電阻型超導(dǎo)限流器由超導(dǎo)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(dǎo)限流器正常運行時，超導(dǎo)線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)，電流經(jīng)超導(dǎo)線圈流向負(fù)載；當(dāng)短路故障發(fā)生，超導(dǎo)線圈失去超導(dǎo)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(dǎo)限流器Fig.1 Resistance type superconducting current limiter

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

電阻型超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)及控制方式簡單，但超導(dǎo)材料在失去超導(dǎo)性后較難恢復(fù)，因此限制了此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用。

1.2 變壓器型超導(dǎo)限流器[17]

如圖3所示，變壓器型超導(dǎo)限流器由常規(guī)繞組和超導(dǎo)繞組組成，超導(dǎo)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(dǎo)限流器正常運行時，因副邊為超導(dǎo)繞組，呈現(xiàn)出低阻抗;當(dāng)發(fā)生短路故障時，副邊感應(yīng)電流達到臨界值而失去超導(dǎo)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(fù)超導(dǎo)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(dǎo)限流器Fig.3 Transformer type superconducting current limiter

圖4 變壓器型超導(dǎo)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(dǎo)限流器[18-19]

如圖5所示，非失超型超導(dǎo)限流器由超導(dǎo)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(dǎo)限流器Fig.5 Non-out-of-superconductivity current limiter

圖6 非失超型超導(dǎo)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(dǎo)限流器正常運行時，機械開關(guān)S閉合；當(dāng)短路故障發(fā)生，S迅速斷開，超導(dǎo)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(dǎo)線圈不失超導(dǎo)性，故無需恢復(fù)超導(dǎo)性，但機械開關(guān)存在響應(yīng)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(dāng)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?fù)渚邆涓咝实蛽p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(yīng)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(dǎo)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?fù)銲GBT器件數(shù)量少，提升了經(jīng)濟性；但仍存在不斷切換導(dǎo)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(fù)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(fù)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(xué)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(yán)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(dāng)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(dāng)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(fù)載進行計算，與n個子模塊所能提供的等效泄放負(fù)載進行比較，當(dāng)?shù)刃狗咆?fù)載大于正常運行負(fù)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(dāng)?shù)刃狗咆?fù)載小于正常運行負(fù)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?fù)浣Y(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(yán)重程度的直流故障，采取對應(yīng)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(dāng)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(fù)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(dāng)故障發(fā)生、限流模式運行時，H橋下臂雙管導(dǎo)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(dāng)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?fù)渫ㄟ^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(dǎo)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(dǎo)型、機械開關(guān)型和多功能型直流故障限流器經(jīng)典拓?fù)浼肮ぷ鳈C理進行了分析研究。超導(dǎo)型直流故障限流器在超導(dǎo)材料失超后如何快速高效恢復(fù)，以及如何降低超導(dǎo)材料的成本，是提升超導(dǎo)型直流故障限流器應(yīng)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(yīng)用最為廣泛，對快速機械開關(guān)響應(yīng)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?fù)浣Y(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。