收稿日期：2021-12-21

基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目（2018YFB1503000；2018YFB1503001）；上海市科委科技計劃項目（20dz1206100）

通信作者：王志新（1964—），男，博士、教授、博士生導師，主要從事光伏發(fā)電控制、柔性直流輸電方面的研究。wangzxin@sjtu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1564 文章編號：0254-0096（2023）04-0088-09

摘 要：含光充儲用的智慧建筑直流系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。為避免短路過電流對智慧建筑直流系統(tǒng)造成危害，該文提出一種雙向直流故障限流器拓撲，其特點為電流通過全橋換向閥組、單向流經(jīng)全控開關管和各并聯(lián)支路，故障后通過關斷單向載流的開關管增大阻抗實現(xiàn)雙向限流。分析該限流器的電阻、電感參數(shù)對電壓應力和電流抑制能力的影響。其中，限流器參數(shù)在動作前對抑制效果影響較??；二極管和開關管的電壓應力峰值與電阻取值幾乎呈線性關系；動作后的電流抑制效果在電感增加時趨于飽和，而在電阻增加時抑制效果提升明顯但受電壓應力約束。采用Matlab/Simulink對限流器在375 V直流系統(tǒng)中的應用進行仿真驗證，結果表明該限流器能滿足智慧建筑直流系統(tǒng)故障電流抑制要求。

關鍵詞：短路故障；故障保護；故障限流器；BIPV；智慧建筑；低壓直流

中圖分類號：TM721.1 " " 文獻標志碼：A

0 引 言

太陽能光伏建筑一體化（building integrated photovoltaic，BIPV）已在城市建筑中獲得較成熟的應用［1］。直流光伏能源結合儲能可優(yōu)化光伏能源的本地消納，提高能源利用效率并改善經(jīng)濟性［2-3］。而在現(xiàn)代建筑用電領域，隨著科技進步，用電器的種類也發(fā)生了顯著變化，除傳統(tǒng)的直流負載，如計算機、打印機、服務器、交換機以外，許多新型的直流負載也出現(xiàn)在日常生活中，如LED照明、數(shù)據(jù)中心等［4］。此外，很多變頻類設備需經(jīng)過整流環(huán)節(jié)接入系統(tǒng)使用。對于占比日漸增高的直流類負載，交流供電時需大量的整流設備和濾波器件，增加設備成本和運行損耗，同時也可能引入額外的諧波污染，危害交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量［5］。隨著電動汽車市場占有率不斷提升，配套的直流充電樁也逐漸成為剛需［6］。因此，對于建筑用電，采用直流配電的形式在多方面存在優(yōu)勢，具有良好的發(fā)展前景，有利于早日實現(xiàn)“雙碳”目標［7-8］。

建筑用電的使用場景與人員關系密切，在空間上的距離較小，一旦發(fā)生故障，若未能及時限制電流、隔離故障，極易導致設備損壞，甚至引發(fā)火災，對人身、財產(chǎn)安全造成直接威脅。特別是對于含儲能的系統(tǒng)，由于電池本身的化學特性，故障后易引起嚴重火災［9］。此類事故的一個關鍵因素是絕緣失效后的外部短路［10］。因此，直流建筑用電系統(tǒng)的保護成為其應用面臨的關鍵問題［11-13］。

由于直流系統(tǒng)本身低慣性、低阻尼的特點，故障后各處并聯(lián)的電容在短時間內(nèi)快速放電，使電流迅速增加。而電力電子器件耐受過電流的能力弱，故需快速保護以避免損壞。目前直流系統(tǒng)保護相關研究主要分為限流控制方法和直流保護設備。

短路故障發(fā)生后，連接交流側的兩電平VSC換流器在故障初始階段電流主要為電容放電，故在較小的時間尺度上無法通過控制環(huán)節(jié)抑制。在其他類型的直流變壓器中，模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）型直流變壓器中可采用具有限流能力的子模塊拓撲或控制子模塊投切的方式抑制放電［14-15］。對于雙有源橋（dual active bridge，DAB）型直流變壓器，文獻［16］提出一種切除支撐電容并將直流變壓器轉換為電流源控制的方法，但實際應用的檢測速度下能否可靠切除并未得到驗證。對于其他結構簡單的單級換流器如Boost換流器，控制的本質(zhì)為調(diào)節(jié)開關器件的占空比，缺乏有效限流的手段。

直流系統(tǒng)的平波電抗器可被動地抑制故障電流上升率，但電感取值過大會影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，甚至引發(fā)諧振。因此需主動式的保護設備，主要包括直流斷路器（DC circuit breaker，DCCB）和故障限流器（fault current limiter，F(xiàn)CL）。機械式斷路器受開斷速度制約，而固態(tài)式斷路器造價昂貴；結合了機械式和固態(tài)式優(yōu)點的混合式斷路器擁有較低的通態(tài)損耗且經(jīng)濟性較好。故障限流器可分為超導型（superconducting FCL，SFCL）和非超導型。SFCL即利用超導材料特性，在低溫下呈低阻抗，失超后以高阻抗串聯(lián)在故障回路中，實現(xiàn)電流抑制［17-20］。其應用受制于對冷卻設備的高要求，成本昂貴，在對經(jīng)濟性要求較高的場合有較大的局限性。非超導型限流器一般由電力電子開關控制以實現(xiàn)快速限流。文獻［21］提出一種適用于低壓直流配電的限流器，原理為在回路中反向插入電壓源，結構復雜；文獻［22］提出一種具有自適應限流功能的固態(tài)斷路器，但需增加偏置電源和投切控制。

針對智慧建筑直流系統(tǒng)的特點和限流需求，本文提出一種雙向直流故障限流器，介紹了限流器拓撲結構及工作原理，對故障暫態(tài)進行理論分析，使用Matlab/Simulink平臺對限流器的故障限流功能進行仿真驗證，并研究限流器設備關鍵參數(shù)對電壓應力和電流的影響。

1 智慧建筑直流系統(tǒng)與故障特性

1.1 智慧建筑直流系統(tǒng)

智慧建筑逐漸成為發(fā)展的新潮流，直流形式的配電適用于該場景的應用。圖1為某智慧建筑示范工程直流系統(tǒng)的主體架構，該系統(tǒng)主要包括3種直流電壓等級：750、375和48 V。其中，主體直流配電線路為375 V，低壓用電器和光伏、儲能電池經(jīng)過直流變壓器接入直流系統(tǒng)。系統(tǒng)采用不對稱單極接地的接地方式，在負極線路設置接地。這種接地方式具有簡單和經(jīng)濟性較好的優(yōu)勢，適用于低壓直流系統(tǒng)［23］。該示范工程系統(tǒng)內(nèi)包含光充儲用多類型直流設備。光伏發(fā)電配合儲能可實現(xiàn)電價峰谷套利；系統(tǒng)內(nèi)空調(diào)、照明等負載可隨天氣情況、光伏發(fā)電功率和儲能變化實時進行柔性調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性。故障保護主要考慮375 V直流線路短路故障。由于系統(tǒng)含儲能裝置和充電樁，存在功率雙向流動情況，因此對故障電流的抑制也需考慮實現(xiàn)雙向限流。

1.2 Buck/Boost換流器故障特性

考慮到實際應用中的功率等級和成本限制，低壓直流系統(tǒng)中最常見的直流變壓器采用Buck、Boost或結合了二者的雙向換流器。圖2為Buck和Boost換流器的故障示意圖，圖中[Rline，][Lline]分別為線路等效等效電阻和等效電感，Rd為故障點過渡電阻。

對于Buck換流器，在故障后由于線路長度有限，等效電阻和等效電感的值較小，在未配置限流器或額外的電抗器的情況下，電容在極短時間內(nèi)放電，回路如圖2a中虛線所示。通過閉鎖開關管VT，可隔離輸入電源，隔離后電感[Lf]通過二極管和故障回路放電并衰減電流，故障影響相對較小。

對于Boost換流器，故障后電容放電特性與Buck換流器一致。但由于電源部分無法隔離，始終處于故障回路中，故障電流在到達穩(wěn)態(tài)前持續(xù)上升。2個放電回路如圖2b中兩個虛線框所示。故障電流的峰值取決于電源的特性。當輸入電源為電流源（如光伏組件）時，故障電流穩(wěn)態(tài)值即為電流源輸出值；當電源為電壓源（如儲能電池）時，故障電流穩(wěn)態(tài)值[Is]為：

[Is=UsRline+Rd+r] （1）

式中：[Us]——電壓源的電壓；[r]——電源內(nèi)阻。因此，當Boost換流器發(fā)生短路故障時，特別是電源部分為電壓源時，故障回路阻抗極低，電流迅速上升，穩(wěn)態(tài)值極高，需及時抑制、避免過電流。

2 具有雙向限流功能的故障限流器

2.1 故障限流器拓撲

本文提出的直流故障限流器拓撲如圖3所示。該限流器外部為二極管VD1～VD4構成的全橋換向閥組，內(nèi)部包括[n]組限流支路（[n]為奇數(shù)），每組支路為電阻[R]和限流電感[L]構成的并聯(lián)結構。本文中，取拓撲中的[n]為3，VT1、VT2為全控型電力電子開關 （組），圖2中為IGBT。限流器安裝在直流線路上時，電流通過換向閥組，單向流通限流器內(nèi)部。正常情況下，開關管VT1、VT2導通，3組限流支路并聯(lián)載流，故限流器對外呈低阻抗態(tài)。關斷各開關管后，此時電流流經(jīng)呈串聯(lián)態(tài)的各組限流支路，限流器對外呈高阻抗態(tài)，以實現(xiàn)故障限流功能。

2.2 工作原理

該限流器拓撲具有以下2種工作模式：

1） 正常模式下，當系統(tǒng)中未檢測到故障時，限流器中的各開關管均為導通狀態(tài)，使得拓撲中的[n]組限流支路呈并聯(lián)連接，承載系統(tǒng)正常工作下的電流。為簡化分析，選取限流器內(nèi)部各限流支路的電阻數(shù)值均為[R]、限流電感數(shù)值均為[L]。限流器等效為全部支路電感與電阻的并聯(lián)，故限流器等效電阻、電感值分別為[R/n]和[L/n]。系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，電阻被電感短路，電流全部由等效電感流過。而當系統(tǒng)中發(fā)生故障時，在故障檢測完成前，系統(tǒng)拓撲不變，由于電感電流不發(fā)生突變，而其上升率發(fā)生變化，因此限流電阻兩端開始承受電壓，電流值從0開始。

2） 故障限流模式，即當系統(tǒng)完成故障檢測后，限流器接收動作信號，開關管VT1、VT2關斷，使得各組限流支路呈串聯(lián)連接，限流器阻抗大幅增加為[n2]倍，抑制故障電流上升。由于全橋換向閥組的作用，故障電流單向流經(jīng)全控開關管，故可被有效關斷。由于各支路并聯(lián)電阻的作用，開關管關斷時流經(jīng)各電感的電流值不發(fā)生突變，而根據(jù)電路原理，流經(jīng)各組限流支路載流均為直流線路電流，因此各支路中流經(jīng)電阻的電流發(fā)生突變。各限流支路中的電阻能防止電感電流突變帶來的沖激性電壓應力，在限流過程中進行分流，并耗散部分故障電流的能量。此后，直流系統(tǒng)中的DCCB完成開斷動作，隔離故障，限流器電感中的電流由電阻進行吸收。

2.3 限流機理分析

直流系統(tǒng)中各處的穩(wěn)壓和濾波電容提供電壓支撐。故障暫態(tài)期間，會經(jīng)歷電容放電和系統(tǒng)中換流器連接的電源對故障回路放電。為簡化故障限流器的作用分析，采用單個恒定直流電壓源代替電容放電，同電壓等級下，實際的故障電流不會高于此情形。采用的FCL測試電路如圖4所示，其中[Udc]為直流電源，[Lline]為直流電感（包括電抗器和線路等效電感），[Rline]為線路等效電阻，[Rload]為等效直流負載。

在智慧建筑直流系統(tǒng)中，最嚴重的故障情形為金屬性短路故障，設此情形下過渡電阻為0。假設直流系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行后，在[t0]時刻發(fā)生極間短路故障，此時限流器為低阻抗狀態(tài)，在[t1]時刻故障檢測完成，限流器動作，開始限流，抑制故障電流上升率。在[t2]時刻，系統(tǒng)中的DCCB動作，斷開故障部分，完成故障隔離。本文針對圖3所示3條限流支路拓撲結構，分析限流器的各種工作狀態(tài)。

1）故障發(fā)生前，當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行。設直流電流為[Idc]，限流電阻被電感短路，各支路電感并聯(lián)載流，得：

[iL1=iL2=iL3=Idc3iR1=iR2=iR3=0] （2）

2）[t0]時刻，故障發(fā)生后限流器動作前。在此階段，限流器各限流支路并聯(lián)載流。由于在故障發(fā)生瞬間，各電感電流不發(fā)生突變，即[idc（t0-）=idc（t0+）]，[iLeq（t0-）=iLeq（t0+）]。得到如圖5所示系統(tǒng)等效電路。

在等效電路中，由基本電路原理有：

[Udc=Rlineidc（t）+Llinedidc（t）dt+LeqdiLeq（t）dtidc（t）=LeqReq·diLeq（t）dt+iLeq（t）] （3）

式中：[Leq]——限流器等效電感，[Leq=L/3]；[Req]——限流器等效電阻，[Req=R/3]。

[t0]時刻，電路的初始條件為：

[iLeq（t0+）=IdcdiLeq（t）dtt=t0+=0] （4）

式（3）的特征方程有2個實根，根據(jù)式（4），得到等效電感電流[iLeq]和直流電流[idc]的表達式（[t0≤tlt;t1]）為：

[iLeq（t）=C1eλ1（t-t0）+C2eλ2（t-t0）+UdcR0] （5）

[idc（t）=1+λ1LRC1eλ1（t-t0）+1+λ2LRC2eλ2（t-t0）+UdcR0] （6）

其中，[a=RLlineLRlineLR+Lline+L3，][b=RlineRLlineL，][λ1=-a+a2-4b2，][λ2=-a-a2-4b2，][C1=Idc-Udc/Rline1-λ1/λ2，][C2=-C1λ1λ2。]

3）[t1]時刻，故障檢測完成、限流器動作后，關斷FCL的開關管，使原先3組呈并聯(lián)載流的限流支路變?yōu)榇?lián)連接，限流器動作后的系統(tǒng)電路如圖5所示。限流器各限流支路編號為1、2、3，電壓參考方向如圖6所示，電流取關聯(lián)參考方向。

[t≥t1]時，根據(jù)電路原理以及該拓撲的對稱性，對1、3限流支路，有：

[iL1（t）=iL3（t）iR1（t）=iR3（t）] （7）

對串聯(lián)連接的各限流支路，由電路原理得：

[iL1（t）+iR1（t）=iL2（t）+iR2（t）] （8）

在拓撲改變?yōu)榇?lián)后，每組限流支路[R、L]流過的電流之和相同，由于各電感電流不能發(fā)生突變，故流過[R1、R2、R3]的電流在開關管關斷瞬間發(fā)生階躍跳變，得到電路在[t1+]時刻的初始條件為：

[iL1（t1+）=iL3（t1+）=-iL2（t1+）=iLeq（t1-）3iR1（t1+）=iR3（t1+）=idc（t1）-iLeq（t1-）3iR2（t1+）=idc（t1）+iLeq（t1-）3] （9）

限流器動作后開關器件VT1承受電壓[uVT（t）]為：

[uVT（t）=LdiL1（t）dt+diL2（t）dt=iR1（t）+iR2（t）R] （10）

FCL在故障期間承受電壓應力，換向閥組中的反向二極管承受電壓[uD（t）]即為FCL的電壓[uFCL（t）]：

[uD（t）=uFCL（t）=2iR1（t）+iR2（t）R] （11）

在拓撲改變后，由于等效電路中含有3個儲能元件（1、3組串聯(lián)等效為[2L//2R]），難以求取電路的解析解。因此，該階段采用數(shù)值求解方法進行計算。對于式（10）和式（11），根據(jù)各限流支路元件的電流初值和變化趨勢可得出開關管承受電壓的峰值與換向閥組的二極管承受電壓的峰值均在[t1]時刻，即限流器內(nèi)開關管關斷瞬間出現(xiàn)，并根據(jù)式（9）得到二者的峰值為：

[uVTmax=2idc（t1）R] （12）

[uDmax=R3idc（t1）-iLeq（t1-）3] （13）

3 仿真驗證與參數(shù)分析

3.1 仿真驗證

在Matlab/Simulink中建立圖4所示測試電路。結合圖1示范工程，取直流電壓為375 V，儲能額定功率為30 kW，可得額定工況下直流電流值為80 A。在本文系統(tǒng)中，直流線路的單位長度電阻和電感值分別為0.05 Ω/km和0.23 mH/km。在本文示范工程中，線路長度不超過200 m，取長度為100 m的直流線路，等效電阻為5 mΩ，等效電感為230 μH。考慮在實際應用中，可在換流器端口配置電抗器實現(xiàn)平波和被動限流功能，線路本身的電感值較小，在本文測試電路中，取總直流電感值為5 mH。系統(tǒng)的故障檢測時間通常為毫秒級，而混合式直流斷路器通常在5～6 ms完成開斷故障電流。設置仿真中的檢測時間為2 ms，斷路器在故障發(fā)生后6 ms完成開斷。仿真參數(shù)如表1所示，仿真結果如圖7所示。

根據(jù)仿真結果，可得到以下結論：

1）故障發(fā)生后，故障電流呈近似線性上升，在故障完成檢測前，因限流器中各組友路并聯(lián)載流，故呈現(xiàn)低阻抗狀態(tài)。經(jīng)計算，低阻態(tài)的限流器對電流的抑制能力與增加約0.3 mH的直流電感相當，表明此故障限流器對處于正常運行的直流系統(tǒng)動態(tài)性能影響較小。

2）在故障后2 ms時刻，限流器接收檢測系統(tǒng)的信號，開關管關斷，使各組支路變?yōu)榇?lián)連接，此時呈高阻態(tài)的限流器能有效抑制故障電流的上升率。本組故障限流器參數(shù)可實現(xiàn)故障電流的短暫下降，之后電流以較低的速率增長。在動作瞬間，二極管和開關管承受的電壓均達到峰值，與理論分析一致。在實際應用中，電力電子器件的選型需考慮電壓應力峰值的耐受能力要求。

3）在限流器內(nèi)各組支路中，限流器動作后電流主要流經(jīng)各組支路的電阻。限流支路2由于故障前后流經(jīng)電流相反，電阻的載流峰值在各組中為最高。在實際應用中，電阻需滿足流通該電流值的需求。而1、3組支路的電感電流變化率為正，電流幅值在DCCB開斷前高于第2組支路中的電感電流。

3.2 參數(shù)分析

3.2.1 電壓應力分析

本文提出的故障限流器的參數(shù)包括限流支路的[R]和[L]值。若限流器不含電阻，t1瞬間限流器動作僅將3個并聯(lián)載流的電感變?yōu)榇?lián)，這時電感電流會發(fā)生突變，根據(jù)基本電路理論，有：

[Lline+L3idc（t1-）=（Lline+3L）idc（t1+）] （14）

在開關管關斷的數(shù)微秒時間內(nèi)，F(xiàn)CL會產(chǎn)生極高的過電壓。而當此過電壓為合理范圍內(nèi)時，此時限流支路的電感值取值過小，難以起到限流作用。因此，并聯(lián)的電阻可避免沖激性電壓應力，且在開斷故障電路后，電阻可吸收電感的殘余能量。

限流器動作前，電流持續(xù)上升。由式（12）、式（13），開關管和二極管的電壓應力峰值與限流器[R]取值、動作瞬間的線路電流值及等效電感的電流值相關。經(jīng)計算，限流支路的[R]和[L]取值與動作瞬間的線路電流值以及等效電感的電流值的關系如圖8所示。

可見，在故障限流器動作前，由于限流器處于低阻抗狀態(tài)，電流主要由直流電感抑制，限流器R值影響較小，[L]值對線路電流值幾乎無影響。根據(jù)式（12）、式（13）計算得到限流器中開關管和二極管的電壓應力峰值如圖9所示。

由圖9可得，限流器中電力電子器件的電壓應力峰值幾乎只與限流支路中的電阻[R]取值相關，幾乎為線性關系，電感[L]取值影響極小。因此，電力電子器件的耐壓值主要根據(jù)電阻[R]取值確定。

3.2.2 電流抑制分析

限流的目的是保證電力電子器件在斷路器開斷前不被過電流損壞。假設換流器器件的額定參數(shù)選取在額定工作電流的基礎上留有50%的余量。考慮到電力電子設備的過電流耐受能力一般為其額定值的2倍，因此故障限流的目標為3倍額定電流值以內(nèi)，本例中即為240 A。

由于限流器在低阻態(tài)時限流作用不明顯，因此，過高的[R]和L取值在限流器動作前意義不大。因限流器動作后難以求取解析解，取若干組故障限流器參數(shù)分析，研究[R、L]參數(shù)選取帶來的影響。開關管和二極管的電壓應力峰值、電流峰值如表2所示，不同組參數(shù)的故障電流波形對比如圖10所示。

3.1節(jié)中仿真為表2中第2組參數(shù)，取此組參數(shù)為基準，第1～4組參數(shù)中電感為0.5L等差遞增，第5、2、6、7組中電阻為0.5R等差遞增。

由圖10和表2可見，限流器的R、L取值在限流器動作前影響極小。對于限流器動作后至DCCB開斷前的電流變化過程，當限流器的L值在0.5～2倍基準值范圍內(nèi)變化時，在DCCB開斷時刻電流被抑制的程度存在較明顯的飽和趨勢，如圖10a所示，故無需過大的電感值；當R值在0.5～2倍基準值范圍內(nèi)變化時，在此階段電流變化趨勢受明顯影響，如圖10b所示。當R取值過小時，限流器抑制故障電流峰值的作用較弱，而當R取值較高時，雖然在限流器動作后電流被大幅抑制，但會帶來幾乎呈線性增加的電壓應力。由于低壓DCCB對開斷電流不存在苛刻的要求，因此R的取值主要考慮開斷前直流電流是否超過限流目標值。本文的故障測試電路中，綜合考慮下，結合電壓應力峰值的變化規(guī)律，取第2組參數(shù)，故障電流抑制效果好，對二極管和開關管的耐壓要求相對較低。

4 結 論

本文針對智慧建筑直流系統(tǒng)的特點和保護需求，提出一種雙向故障限流器拓撲，采用二極管構成換向閥組，使電流單向流經(jīng)限流器內(nèi)部，通過關斷單向載流的開關管以改變拓撲，大幅增加阻抗以實現(xiàn)故障電流抑制。通過Matlab/Simulink平臺對所提限流器進行了仿真驗證，得到如下主要結論：

1）在智慧建筑直流系統(tǒng)的應用場景下，實現(xiàn)了故障電流的雙向限流功能，采用數(shù)量較少的全控開關管實現(xiàn)限流器的控制，無需反向串聯(lián)的開關管，且該拓撲對系統(tǒng)動態(tài)性能影響較小。

2）分析了故障限流器的工作原理和限流機理，得出限流器中開關管和二極管的電壓應力峰值出現(xiàn)在限流器動作瞬間。通過仿真驗證了限流器工作過程的理論分析。

3）對限流器參數(shù)對電壓應力和電流抑制的影響進行了分析，得到以下結論：故障限流器電阻[R]、電感[L]取值對動作前的電流抑制影響較??；動作瞬間，二極管和開關管承受的電壓應力和[R]取值幾乎呈線性關系；限流器動作后電流的變化趨勢由[R、L]共同決定，[L]增加時電流抑制效果趨于飽和，且影響幅度相對較??；R增加時電流抑制程度明顯但會帶來電壓應力增大的負面影響。在以限制故障電流峰值為目標的前提下，應根據(jù)電流峰值的變化規(guī)律和電壓應力限制條件選擇[R、L]的值。

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RESEARCH ON TOPOLOGY AND PARAMETER DESIGN OF FAULT CURRENT LIMITER IN SMART BUILDING DC SYSTEM

Hou Jie1，Gong Chunyang2，Bao Jun3，Wang Zhixin1

（1. School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China；

2. College of Electrical Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai 200090， China；

3. Shanghai Xilong Technology Co.，Ltd.， Shanghai 201517， China）

Abstract：To protect the smart building DC system from overcurrent after short-circuit faults， a DC fault current limiter（FCL） topology is proposed in this paper. The current is rectified by the full-bridge valve and unidirectionally flows through the full-controlled power electronic switches and parallel branches. The impedance is increased by turning off the switches after fault， enabling the FCL to suppress bidirectional fault currents. The influences of FCL resistance and inductance parameters on voltage stresses and current suppression ability are analyzed. The resistance and inductance parameters of the FCL have minor effect on current limiting before operation； peak voltage stresses of diodes and power electronic switches are almost linear with FCL resistance； after the FCL operation； the current suppression effect tends to saturate with higher inductance， while increases significantly with higher resistance but is restricted by voltage stresses. The application of proposed FCL in 375 V DC system is verified via simulation in Matlab/Simulink. The results show the proposed topology can meet the fault current suppression requirements of smart building DC system.

Keywords：short-circuit fault； fault protection； fault current limiter（FCL）； BIPV； smart building； low-voltage DC