固态限流器发展综述

刘轶强



固态限流器发展综述

刘轶强

（海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭 411101）

本文概括了国内外现有固态限流器发展情况，详细介绍了串联开关型及桥式固态限流器工作原理及其演变过程，对不同的拓扑进行了对比，总结了两类拓扑各自的优缺点及未来的发展趋势。

故障限流器 固态 串联开关型 整流桥型

0 引言

随着现代电力系统规模不断扩大，各级电网中短路电流不断增长的问题日益突出。过大的短路电流将会对其他设备的选型及安全稳定运行造成严峻挑战。因此，必须采取措施将短路电流限制在合理的水平之内。传统限制短路电流的措施可以分为系统以及设备层面两种。系统层面的措施包括采用高电压等级电网、环网分裂运行、母线分段运行等；设备层面包括串联电抗器、采用高阻抗变压器等。

这些措施虽然可以限制电力系统的短路水平，但是或多或少是以牺牲系统其它方面的性能为代价的。近年来，对系统正常运行影响很小的故障限流器（Fault Current Limiter，FCL）日渐成为一个研究热点。这主要与理想故障限流器所具有的以下性能有关：

1）正常运行时零阻抗，对系统影响很小；

2）故障发生时立即转化为高阻抗状态限制短路电流，并可以根据限流水平设置阻抗的大小；

3）故障切除后可以立即恢复，有利于系统的重合闸操作。

为了达到以上性能，各国学者基于各种材料、电力电子器件、电路拓扑及控制策略对故障限流技术提出了多种故障限流器拓扑。其中，固态短路故障限流器（Solid State Fault Current Limiter）依靠电力电子器件实现正常运行与故障状态时限流阻抗的切换，是目前在快速性及控制灵活性上比较接近理想限流器指标的限流器类型。近年来，随着电力电力器件及相关控制技术的发展，国内外均对固态限流器开展了大量研究，并取得了一系列的成果。国外结合新型电力电子器件研发方面的优势，不断将各种新式器件应用在固态限流器拓扑中；国内方面则利用现有商业化的器件不断的对固态限流器拓扑进行改进。

本文对目前的固态限流器发展情况进行了总结，通过对不同拓扑基本原理的分析，对各种固态限流器优缺点进行了对比，给出了固态限流器的发展趋势。

1 固态限流器发展状况

固态限流器的发展实际上来自于早期美国电力科学研究院（EPRI）关于限流器报告的推动，经过几十年的发展，有两类拓扑得到了持续的研究：串联开关型（Series switch type）及桥式(Bridge type)固态限流器。

1.1串联开关型限流器

串联开关型拓扑如图1所示，其基本原理为直接依靠大功率电力电子器件的硬关断能力直接将短路电流转移到并联电抗器中，通过限流电抗实现对短路电流的限制。这种拓扑原理简单，响应速度快，但是导通损耗比较大，需要附加的保护电路及散热设备。受限于电力电子器件的发展水平，目前只能通过器件的串并联提高整个装置的功率等级。

国外关于固态限流器的研究大多采用与图1类似的拓扑，这类限流器的发展本质上取决于大功率电力电子器件的发展，电力电子器件的发展及应用水平决定了整个装置的功率密度及可靠性。为此，国外首先进行的是针对电力电子器件本体的研究。美国海军研究局（ONR）曾资助过弗吉尼亚理工大学的电力电子系统研究中心（CPES）、SPCO等单位开展了多个针对电力电子器件有关的项目，这些项目均以提高电力电子系统功率等级及可靠性为目标，采取的具体措施可以分为以下几个方面：

1）通过将半导体器件、驱动及保护电路按照最优的电路、系统结构集成来实现整个装置高功率密度、高可靠性的目标，早期开展的PEBB（电力电子集成模块）项目即是这一思路的代表；

2）在Si材料基础上积极开发新型器件结构，扩大电力电子器件的安全工作区，如ETO、SGTO等；

3）采用宽禁带半导体材料对现有器件进行升级换代，如可以显著提升器件耐压水平、高温条件工作能力的SiC材料。

一直以来，串联开关型限流器基本拓扑变化不大，主要可以分为图2所示的两种拓扑。图2（a）正常状态时串入系统回路中的器件少于拓扑二，器件总体导通损耗更低，而图2(b)的优势在于通过二极管桥式回路减少了主控器件的使用，从而降低系统硬件成本。EPRI按照图2（a）设计的基于SGTO器件的15.5 kV/1200 A等级固态限流器已经完成样机实验，成功将23 kA(有效值)故障电流限制在9 kA(有效值)。国外也有基于SiC SGTO器件10 kV等级的固态限流器报道，但是由于SIC器件发展水平的限制，额定电流只有50 A。

1.2桥式固态限流器

桥式限流器拓扑首先由浙江大学提出，并在此拓扑基础上申请了多项专利，这种拓扑对电力电子器件的要求不高，不需要快速故障检测系统，早在2006年10 kV/500 A等级样机的研制工作就已经完成，但是由于体积成本的限制，没有完成工程化的目标。

以图3所示的桥路型单相拓扑说明该类限流器的原理：正常状态时晶闸管-触发信号常加，限流电感经过短暂的充磁状态后电流基本稳定在系统电流峰值。由于、为限流电感提供了续流回路，正常状态时限流电感相当于被短接，对系统正常运行没有影响。

当短路故障发生时，限流电感将会自动串入系统回路对短路电流进行限制。如图4所示，短路故障在发生，时刻时短路电流上升系统额定电流的峰值，限流电感串入系统。此时，根据晶闸管控制信号不同，可以实现续流模式及有源逆变两种限流模式。若只封锁晶闸管、的触发信号，在其电流过零的时刻，限流电感通过、续流，系统侧与故障侧实现隔离。若在电源电压正向时控制、导通，电源电压反向时控制、导通，限流电感中电流可以通过有源逆变的方式快速衰减到零。

通过以上的分析可以看出，基于晶闸管整流桥的桥式限流器拓扑具有以下优点：1）在系统正常运行时使限流电感流过直流电流，等效为被短接，不会产生附加压降；2）故障发生时限流电感自动串入，不需要额外的故障检测电路；3）通过对晶闸管触发信号的控制，既可以通过续流方式也可以通过有源逆变的方式关断。但是，桥路型拓扑也存在一些问题：如采用线性直流电感所导致的系统整体体积、重量过大，电感充磁过程导致的电网谐波污染以及三相拓扑电网接入的问题。为减小这些问题对实际应用带来的限制，国内学者拓扑进行了大量研究，具体可以分为以下几个方面：

1）加装旁路电感

旁路电感型拓扑如图5（a）所示，正常工作时旁路电感被短接，故障发生时与限流电感一起承担短路电流，晶闸管过零时则完全承担短路电流。这样，整流桥可以及时的退出运行，由交流电感承担大部分的短路电流，直流电感流过的短路电流大大减小，避免了因为直流电感磁路饱和导致失去限流作用的问题，从而降低整个系统的体积成本。

2）加装耦合变压器

变压器耦合型拓扑最初是为了解决三相桥式限流器的电网接入问题提出的，其基本原理图如图5（b）所示。采用耦合变压器的限流器拓扑接入电网时不受一次侧线路接线方式的影响，无论系统侧是星型、三角形接法都可以方便接入。同时，这种拓扑通过改变耦合变压器的变比，可以降低整流桥侧的电压等级，降低对电力电子器件及直流电感的设计要求。但是，由于变压器本身励磁电抗参数较大，在整流桥退出后故障电流将会很小，不利于继电保护装置进行判断。图6（a）将旁路电感与耦合变压器结合，整流桥退出后由交流旁路电感限制短路电流，限流水平可以对交流电感参数设定实现，但是，耦合变压器以及旁路电感进一步增大了系统的体积、成本。为此又出现了直接采用饱和变压器对旁路电感及耦合变压器替代的方案。

3）全控器件的使用

针对晶闸管器件不能立即关断的缺点，有学者提出采用IGCT构成整流桥的方案，图7（a）为基于IGCT的全控桥型拓扑，该拓扑避免了故障状态时整流桥的失控状态，从而可以降低直流电感短路电流水平，减小整个系统的体积。图7（b）为该种拓扑的优化，通过半控桥减少昂贵IGCT器件的使用。

限流电抗控制型拓扑如图7（b）所示，该拓扑直接将晶闸管换为二极管，而限流回路中则串入全控器件控制的耗能电阻。限流电抗正常运行时由不控整流桥实现对限流电抗充磁，稳定时流过恒定直流，故障发生时自动投入。通过控制耗能电阻R投入的时间可以实现对故障限流的限制。而且，由于不控整流桥的使用，进一步降低了可控器件的数量，减小了故障切除后限流器恢复时间。

通过采取以上措施，可以对桥式固态限流器存在的电网接入、体积、成本及故障电流控制等问题进行改进，但是耦合变压器、直流限流电感带来的体积成本问题短期内无法解决。为此，也有学者提出将固态限流器与现有设备进行融合，如文献指出的具有限流功能的UPFC，既可以实现对系统潮流的控制，又可以限制短路电流。这种方案可以通过功能的增加提高整体设备的经济性，从而减小对固态限流器直接应用的限制。

2 结论

固态限流器在两个方向上仍然在不断发展，一是串联开关型拓扑，通过使用潜在的耐高温、高压、大电流的新型电力电子器件，尽可能的提高固态限流器的功率密度及可靠性；二是桥式拓扑，通过对现有电路拓扑结构的优化以及与其他电气设备的融合，充分发挥现有器件及其他电气设备的能力，提升整个装置的性能。

但是，现阶段串联开关型固态限流器仍然受限于大功率半导体器件的发展水平，过高的成本也不具有竞争优势；桥式固态限流器由于直流电感及耦合变压器存在导致整体体积重量偏大，也需要不断改进。一些固态限流器在电力系统中应用时对继电保护及其他设备影响等问题可先行进行研究。一旦宽禁带半导体材料的电力电子器件的发展，固态限流器将充分展现其高功率密度、动作速度快及高度灵活等优势，得到更为广阔的应用。

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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

刘轶强(1974-)，男，工程师。研究方向:电气工程。