一种多功能模块化直流故障限流器拓扑及控制策略

张亮， 李丹栋， 史明明， 葛雪峰 ， 袁宇波

(1. 南京工程学院电力工程学院，江苏 南京 211167；2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏 南京 211103)

0 引言

随着分布式电源的高比例广泛接入，直流配电网因技术上的优势，成为工程示范探索热点。然而，直流短路故障具有短路电流幅值大、上升率高以及直流网压跌落严重等缺点，在直流配电网的推广中须克服该缺点。直流故障限流器(fault current limiter，FCL)能够快速抑制故障电流，是目前实际工程中解决直流短路故障较为常用的设备之一。

近年来，国内外学者针对直流FCL进行了大量研究[1—2]，主要为超导型FCL和电力电子型FCL。其中，超导型FCL[3—4]由于制造工艺和成本问题，尚未得到广泛应用，因此目前重点关注电力电子型FCL的研究。文献[5]提出一种桥式FCL，通过电力电子器件通断实现低频到高频的转换，并通过改变占空比实现过流抑制能力的调节。文献[6]提出一种混合磁饱和型FCL，结合磁饱和特性，在保证限流效果的基础上降低装置成本和损耗。文献[7]研究了混合型直流FCL，基于电流转移原理，使用直流断路器实现故障电路的分断。文献[8]研究了一种固态直流FCL，具有器件少、成本低和工作可靠等优点。此外，还有一些学者关注了复合功能型FCL的研究。文献[9]提出一种新型的电阻式直流FCL，可以提高直流故障电流回路的阻尼，有效抑制故障电流，使得断路器在直流短路发生时，更安全有效地动作，从而隔离故障。文献[10]提出一种具有2种工作模式的新型多功能饱和铁芯FCL，通过模式切换，可实现故障电流限制和潮流控制。文献[11]提出一种具备串联补偿能力的FCL，通过适当的参数配合，在满足故障限流的同时提供串联补偿功能。文献[12]提出一种新型多功能电力电子限流器，通过控制绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)和晶闸管支路实现电能质量优化和故障限流。从FCL研究现状来看，现有FCL大部分功能有限，无法满足直流电网不同故障工况下的复合应用需求[13—16]。

鉴于此，文中提出一种多功能模块化直流FCL新型拓扑，在分析其运行机理的基础上，分别针对故障限流、能耗泄放和直流网压支撑功能，完成控制策略设计与开发。并在Matlab/Simulink中构建仿真模型，验证了所提多功能模块化FCL在交直流混合电网典型故障工况下的应用有效性。

1 模块化直流FCL拓扑及工作机理

1.1 模块化直流FCL拓扑

文中提出一种多功能模块化直流FCL电路拓扑，其连接方式和子模块拓扑如图1所示。

图1 多功能模块化直流FCL电路连接方式及子模块拓扑

图中多功能模块化直流FCL由多个电力电子功率单元子模块串联组成，具有故障限流、短路能量泄放、直流网压支撑功能。功率单元子模块中L为限流电感，R为泄能电阻，C为支撑电容，依靠不同支路电力电子器件的通断，实现上述3种功能。故障限流功能通常在故障发生后投入，及时抑制故障电流。另外，针对交直流电网实际容量和应用需求，FCL依据配置的电阻是否满足系统的能量泄放要求，选择短路能量泄放模式或者直流网压支撑功能来配合限流模式。

为及时响应短路故障，需将多功能直流FCL串联于交直流混合电网电力电子变压器(power electronic transformer，PET)出口与直流电网母线正极之间，具体如图2所示。

图2 直流FCL典型配置

其中，Us为交流电网电压;Is为交流电网输入电流;Idc为PET直流侧电流;Udc为直流电网电压。

1.2 模块化直流FCL运行状态

多功能模块化直流FCL有4种工作模式，分别为旁路运行模式、故障限流模式、短路能量泄放模式以及直流网压支撑模式，具体如图3所示，其中，T1—T4采用IGBT。

图3 多功能模块化直流FCL运行模式

旁路运行模式下，功率子模块中的T1、T4导通，其余IGBT关断，子模块整体旁路。故障限流运行模式下，T3导通，其余IGBT关断，子模块限流电感投入，实现故障限流。短路能量泄放运行模式下，T2导通，其余IGBT关断，子模块泄能电阻投入，实现短路能量泄放，同时在一定程度上稳定直流侧电压。直流网压支撑运行模式下，T4导通，其余IGBT关断，实现直流网压支撑。

2 模块化直流FCL的控制策略设计

2.1 限流模式的控制策略

限流模式通常在故障发生后立即运行，从而快速限制故障激增电流。图4为限流模式的控制策略框图，其中Idc_rated为直流侧电流额定值，当直流侧电流Idc超过Idc_rated时，判断为系统发生故障[17]，FCL运行于限流模式。

图4 限流模式控制策略

2.2 限流结合短路能量泄放模式的控制策略

假定交直流混合系统直流电网等效负载为Rload，在泄放模式下，为使得模块化FCL完全满足故障能量的泄放需求，理论上须保证投入子模块的泄放电阻阻值之和大于Rload，并结合工程要求合理选择电阻功率。

图5为短路能量泄放模式控制策略框图，其中Idc_limit为直流侧故障电流阈值；Vdc_normal，Idc_normal分别为交直流系统正常运行时直流网侧电压和直流侧电流；Rsum为所有模块泄放电阻阻值之和。

图5 短路能量泄放模式控制策略

模块化FCL通过改变子模块投入数量组合出不同阻值的等效阻抗，达到不同的泄放能力，以应对不同限流与能量泄放需求[18]。假设Ri_load为模块化FCL前i个子模块投入后的等效电阻，即Ri_load=R1+R2+…+Ri。当刚好满足Ri_load>Rload时，表示投入i个子模块电阻即满足限流与泄放功率所需。

2.3 限流结合直流网压支撑模式的控制策略

实际工程中FCL子模块和泄放电阻有体积、功率和成本限制，所配置的电阻Rsum可能并不足以泄放全部故障能量。此时，FCL还可以选择工作于直流网压支撑模式，并与系统中其他电力电子设备协同工作实现故障穿越。图6为多功能模块化直流FCL工作于直流网压支撑模式时的控制策略框图。

图6 直流网压支撑功能控制策略

综上所述，故障发生时，多功能模块化直流FCL会及时启动限流功能。当故障持续超出限流能力时，根据所配置的泄放等效电阻进行状态综合判断，从而切换至短路能量泄放模式或者直流网压支撑模式[19—20]。

3 模块化直流FCL仿真分析与验证

在Matlab/Simulink中搭建配置模块化FCL的交直流混合电网仿真模型，其中直流侧电网电压为750 V；交流侧电网电压为10 kV；模块化FCL模块数为5个；单模块限流电感根据工程实际需要选择。开展模块化直流FCL与传统电感型FCL应用对比分析，几种典型工况见表1。模拟的故障类型为直流侧永久性极间短路故障，短路故障发生于0.15 s。

表1 交直流混合电网典型故障工况

工况1：配置传统电感型FCL，系统运行情况如图7所示。

图7 工况1下系统运行情况

由图7可知，采用传统电感型FCL，极间短路故障电流得到一定程度的抑制，故障电流被限制后仍为正常运行时的数倍。

工况2：故障期间多功能模块化FCL选择故障限流结合短路能量泄放模式，系统运行情况如图8所示。

图8 工况2下系统运行情况

由图8可知，故障发生后出现短时过流，判断到超出故障限流能力后，系统选择能量泄放模式，从而有效抑制故障电流，直流网压与交流电压维持稳定。

工况3：故障期间多功能模块化FCL选择故障限流结合直流网压支撑模式，运行情况如图9所示。

图9 工况3下系统运行情况

由图9可知，当泄能电阻小于交直流混合电网的等效负载时，即不满足承担交直流混合电网的功率泄放要求时，选择直流网压支撑模式，此时直流电压能够稳定在额定电压值，换流器运行在空载状态。

对比图7—图9，传统电感型直流FCL在故障发生瞬间仅起到抑制电流激增功能，故障电流仍数倍于正常运行值。多功能模块化FCL不仅可将故障电流控制在安全范围内，还可以实现直流网压在故障期间的稳定，更容易满足故障穿越等高级应用需求。

4 结语

针对传统直流FCL无法满足直流电网不同故障工况下的复合应用需求，提出一种多功能模块化直流FCL拓扑。文中详细分析了其工作原理，并针对性地开展了不同模式切换的控制策略设计，构建多工况仿真模型，开展仿真验证研究。结果表明，文中模块化多功能FCL拓扑和控制方法能够满足交直流混合电网多种故障情况下的故障限流需求。文中研究成果可为后续交直流混合电网的直流故障限流工程实践提供理论参考。

本文得到国网江苏省电力有限公司科技项目(J2019131)资助，谨此致谢！