固態限流器發展綜述

劉軼強

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固態限流器發展綜述

劉軼強

（海軍駐湖南地區軍事代表室，湖南湘潭 411101）

本文概括了國內外現有固態限流器發展情況，詳細介紹了串聯開關型及橋式固態限流器工作原理及其演變過程，對不同的拓撲進行了對比，總結了兩類拓撲各自的優缺點及未來的發展趨勢。

故障限流器 固態 串聯開關型 整流橋型

0 引言

隨著現代電力系統規模不斷擴大，各級電網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備的選型及安全穩定運行造成嚴峻挑戰。因此，必須采取措施將短路電流限制在合理的水平之內。傳統限制短路電流的措施可以分為系統以及設備層面兩種。系統層面的措施包括采用高電壓等級電網、環網分裂運行、母線分段運行等；設備層面包括串聯電抗器、采用高阻抗變壓器等。

這些措施雖然可以限制電力系統的短路水平，但是或多或少是以犧牲系統其它方面的性能為代價的。近年來，對系統正常運行影響很小的故障限流器（Fault Current Limiter，FCL）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：

1）正常運行時零阻抗，對系統影響很??；

2）故障發生時立即轉化為高阻抗狀態限制短路電流，并可以根據限流水平設置阻抗的大小；

3）故障切除后可以立即恢復，有利于系統的重合閘操作。

為了達到以上性能，各國學者基于各種材料、電力電子器件、電路拓撲及控制策略對故障限流技術提出了多種故障限流器拓撲。其中，固態短路故障限流器（Solid State Fault Current Limiter）依靠電力電子器件實現正常運行與故障狀態時限流阻抗的切換，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的限流器類型。近年來，隨著電力電力器件及相關控制技術的發展，國內外均對固態限流器開展了大量研究，并取得了一系列的成果。國外結合新型電力電子器件研發方面的優勢，不斷將各種新式器件應用在固態限流器拓撲中；國內方面則利用現有商業化的器件不斷的對固態限流器拓撲進行改進。

本文對目前的固態限流器發展情況進行了總結，通過對不同拓撲基本原理的分析，對各種固態限流器優缺點進行了對比，給出了固態限流器的發展趨勢。

1 固態限流器發展狀況

固態限流器的發展實際上來自于早期美國電力科學研究院（EPRI）關于限流器報告的推動，經過幾十年的發展，有兩類拓撲得到了持續的研究：串聯開關型（Series switch type）及橋式(Bridge type)固態限流器。

1.1串聯開關型限流器

串聯開關型拓撲如圖1所示，其基本原理為直接依靠大功率電力電子器件的硬關斷能力直接將短路電流轉移到并聯電抗器中，通過限流電抗實現對短路電流的限制。這種拓撲原理簡單，響應速度快，但是導通損耗比較大，需要附加的保護電路及散熱設備。受限于電力電子器件的發展水平，目前只能通過器件的串并聯提高整個裝置的功率等級。

國外關于固態限流器的研究大多采用與圖1類似的拓撲，這類限流器的發展本質上取決于大功率電力電子器件的發展，電力電子器件的發展及應用水平決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的電力電子系統研究中心（CPES）、SPCO等單位開展了多個針對電力電子器件有關的項目，這些項目均以提高電力電子系統功率等級及可靠性為目標，采取的具體措施可以分為以下幾個方面：

1）通過將半導體器件、驅動及保護電路按照最優的電路、系統結構集成來實現整個裝置高功率密度、高可靠性的目標，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材料基礎上積極開發新型器件結構，擴大電力電子器件的安全工作區，如ETO、SGTO等；

3）采用寬禁帶半導體材料對現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，串聯開關型限流器基本拓撲變化不大，主要可以分為圖2所示的兩種拓撲。圖2（a）正常狀態時串入系統回路中的器件少于拓撲二，器件總體導通損耗更低，而圖2(b)的優勢在于通過二極管橋式回路減少了主控器件的使用，從而降低系統硬件成本。EPRI按照圖2（a）設計的基于SGTO器件的15.5 kV/1200 A等級固態限流器已經完成樣機實驗，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等級的固態限流器報道，但是由于SIC器件發展水平的限制，額定電流只有50 A。

1.2橋式固態限流器

橋式限流器拓撲首先由浙江大學提出，并在此拓撲基礎上申請了多項專利，這種拓撲對電力電子器件的要求不高，不需要快速故障檢測系統，早在2006年10 kV/500 A等級樣機的研制工作就已經完成，但是由于體積成本的限制，沒有完成工程化的目標。

以圖3所示的橋路型單相拓撲說明該類限流器的原理：正常狀態時晶閘管-觸發信號常加，限流電感經過短暫的充磁狀態后電流基本穩定在系統電流峰值。由于、為限流電感提供了續流回路，正常狀態時限流電感相當于被短接，對系統正常運行沒有影響。

當短路故障發生時，限流電感將會自動串入系統回路對短路電流進行限制。如圖4所示，短路故障在發生，時刻時短路電流上升系統額定電流的峰值，限流電感串入系統。此時，根據晶閘管控制信號不同，可以實現續流模式及有源逆變兩種限流模式。若只封鎖晶閘管、的觸發信號，在其電流過零的時刻，限流電感通過、續流，系統側與故障側實現隔離。若在電源電壓正向時控制、導通，電源電壓反向時控制、導通，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撲具有以下優點：1）在系統正常運行時使限流電感流過直流電流，等效為被短接，不會產生附加壓降；2）故障發生時限流電感自動串入，不需要額外的故障檢測電路；3）通過對晶閘管觸發信號的控制，既可以通過續流方式也可以通過有源逆變的方式關斷。但是，橋路型拓撲也存在一些問題：如采用線性直流電感所導致的系統整體體積、重量過大，電感充磁過程導致的電網諧波污染以及三相拓撲電網接入的問題。為減小這些問題對實際應用帶來的限制，國內學者拓撲進行了大量研究，具體可以分為以下幾個方面：

1）加裝旁路電感

旁路電感型拓撲如圖5（a）所示，正常工作時旁路電感被短接，故障發生時與限流電感一起承擔短路電流，晶閘管過零時則完全承擔短路電流。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致失去限流作用的問題，從而降低整個系統的體積成本。

2）加裝耦合變壓器

變壓器耦合型拓撲最初是為了解決三相橋式限流器的電網接入問題提出的，其基本原理圖如圖5（b）所示。采用耦合變壓器的限流器拓撲接入電網時不受一次側線路接線方式的影響，無論系統側是星型、三角形接法都可以方便接入。同時，這種拓撲通過改變耦合變壓器的變比，可以降低整流橋側的電壓等級，降低對電力電子器件及直流電感的設計要求。但是，由于變壓器本身勵磁電抗參數較大，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設定實現，但是，耦合變壓器以及旁路電感進一步增大了系統的體積、成本。為此又出現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斷的缺點，有學者提出采用IGCT構成整流橋的方案，圖7（a）為基于IGCT的全控橋型拓撲，該拓撲避免了故障狀態時整流橋的失控狀態，從而可以降低直流電感短路電流水平，減小整個系統的體積。圖7（b）為該種拓撲的優化，通過半控橋減少昂貴IGCT器件的使用。

限流電抗控制型拓撲如圖7（b）所示，該拓撲直接將晶閘管換為二極管，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實現對限流電抗充磁，穩定時流過恒定直流，故障發生時自動投入。通過控制耗能電阻R投入的時間可以實現對故障限流的限制。而且，由于不控整流橋的使用，進一步降低了可控器件的數量，減小了故障切除后限流器恢復時間。

通過采取以上措施，可以對橋式固態限流器存在的電網接入、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無法解決。為此，也有學者提出將固態限流器與現有設備進行融合，如文獻指出的具有限流功能的UPFC，既可以實現對系統潮流的控制，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備的經濟性，從而減小對固態限流器直接應用的限制。

2 結論

固態限流器在兩個方向上仍然在不斷發展，一是串聯開關型拓撲，通過使用潛在的耐高溫、高壓、大電流的新型電力電子器件，盡可能的提高固態限流器的功率密度及可靠性；二是橋式拓撲，通過對現有電路拓撲結構的優化以及與其他電氣設備的融合，充分發揮現有器件及其他電氣設備的能力，提升整個裝置的性能。

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

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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。