面向直流配电系统的新型固态故障限流器设计

李浪

（1.西南交通大学，四川成都　610031；2.内江职业技术学院电气电子工程系，四川内江　641000）



面向直流配电系统的新型固态故障限流器设计

李浪1，2

（1.西南交通大学，四川成都610031；2.内江职业技术学院电气电子工程系，四川内江641000）

摘要：与交流配电相比，直流配电具有供电容量大、线路损耗小、电能质量好、有利于分布式电源接入等一系列优点。然而，保护技术的不成熟在很大程度上限制了直流配电系统的发展。针对当前直流配电系统保护技术中存在的问题，提出一种新型固态故障限流器。该限流器采用晶闸管与IGBT相结合的方式，不仅可以快速响应直流电网的故障电流，而且减少了功率损耗。当发生短路故障时，采用峰值电流控制策略可以进行电流控制，将短路电流限制在一定的范围内。

关键词：直流配电；保护技术；固态故障限流器；电流控制

Project Supported by the General Natural Science Research Program of the Education Department of Sichuan Province（13ZC0434）.

交流配电系统由于具有电压变换容易实现等优势，在过去一个多世纪一直都是配电系统的主流。近年来，电源和负载的结构都发生了巨大变化、用户对电能质量的要求也越来越高，传统配电系统如何应对这一系列变化所带来的挑战，是配电系统目前乃至未来很长一段时期需要面对的难题。随着智能电网的不断发展和电力电子技术的日益成熟，人们已经开始重新审视和研究直流配电方式。与交流配电相比，直流配电具有供电容量大、线路损耗小、电能质量好、利于分布式电源的接入等一系列优点[1]。

直流配电系统保护技术的研究是直流配电发展的基础。然而由于缺乏实际运行经验以及技术相对成熟的直流断路器，保护技术的研究一直难有突破[2]。其中，在直流断路器的研究过程中存在两大技术难题：其一是直流电流不存在自然过零点，灭弧较难；其二是直流系统阻抗较小，一旦发生短路故障，短路电流的增长速度将非常快。因此，当前的直流断路器普遍存在容量小的缺陷。结合交流系统的经验，可以在直流配电系统中加入故障电流限流装置（FCL）来限制故障电流上升率，从而在一定程度上弥补直流断路器容量不足的缺陷[3]。

文献[4]提出了基于超导材料的FCL，该装置利用超导材料作为主通路，在正常供电时导通压降很小；一旦发生短路故障，超导材料就会转入非超导状态，阻值变大，从而达到限制故障电流的目的。但是该装置需要配备冷却系统，而且技术尚不成熟，因此没有投入实际应用。文献[5]提出了基于饱和电抗器的FCL，在正常供电时电抗器处于电磁饱和状态，压降很小；一旦发生短路故障，电抗器便退出饱和状态，相当于一个大电感，可以限制短路电流的上升率。但是该装置具有体积大、只能限制短路电流上升率的缺点。文献[6]提出了基于正温度系数（PTC）电阻的FCL，该装置利用了PTC电阻在温度低时电阻值很小，温度升高后电阻值能够在短时间内迅速上升的特性来限制故障电流。但是，目前的PTC电阻还不能应用于大功率场合。文献[7]提出了一种固态FCL，该装置采用了全控型电力电子器件IGBT，体积小、响应快。但是，IGBT导通压降和静态损耗都较大，若用静态损耗和导通压降较小的半控型电力电子器件，则装置难以实现精确控制故障电流的功能。文献[8]提出的固态FCL将半控型器件与全控型器件相结合，不仅能够精确控制故障电流，而且功率损耗小。但是，该方法仅适用于潮流单相流动的场合。

综上所述，当前的FCL存在许多不足之处，而且大部分只适用于交流系统，因此研究一种响应快、能够精确控制故障电流、适用于直流配电系统的FCL具有重大的理论意义和实用价值。

1　新型FCL的拓扑结构

在保留现有直流固态FCL诸多优点的基础上，考虑到晶闸管导通压降和静态损耗小，并结合直流线路在实际运行过程中的潮流双向性[9]，本文设计的固态FCL拓扑结构如图1所示。采用一个组合开关来代替单一的IGBT，晶闸管T1和IGBT T2构成FCL的主要部分，电网正常运行时，电源经由T1向负载供电；在发生短路故障时，电流由T1转移到T2，进行斩波控制，限制短路电流的上升。VD1、VD2、VD3、VD4为实现潮流双向性提供电流通道。C0，D0，R3，D3，T2构成强制关断电路，R3用来限制对C0的充电电流，D3用来阻止在某些状态下的逆电流；C0给晶闸管T1提供逆电压，使T1强制关断；D0在T1截止后为故障电流提供通路。限流电感L、晶闸管DL1、DL2以及吸能电阻RL构成FCL系统内部的限流电路，在发生短路故障时，L能够限制短路电流的上升率，如果故障未能排除需要将FCL断开时，L中存储的能量经由晶闸管DL1、DL2以及吸能电阻RL构成能量释放回路消耗掉。R1与C1构成晶闸管T1的缓冲电路，R2、C2与D2构成IGBT T2的缓冲电路。D4为续流二极管，在需要将FCL断开时，作为电源出口与短路点间线路阻抗中所存储能量的释放通道。

图1　新型FCL的拓扑结构Fig. 1 The topology of the proposed FCL

设定电源向负载端供电的方向为潮流正方向，在潮流正向的情况下，VD2与VD3给系统提供电流通道，当系统正常工作时，晶闸管DL1、DL2始终关断；当发生短路故障时，晶闸管DL1始终导通，晶闸管DL2始终关断。在潮流反向的情况下，VD1与VD4给系统提供电流通道，当系统正常工作时，晶闸管DL1、DL2始终关断；当发生短路故障时，晶闸管DL1始终关断，晶闸管DL2始终导通。

2　新型固态FCL的工作原理

本节以潮流正向时的情况为例，对FCL的工作原理进行简要分析，FCL在潮流正向时的拓扑结构如图2所示。

图2　潮流正向时的等效拓扑结构Fig. 2 The equivalent topology of FCL

2.1正常工作模式

固态FCL在正常工作模式下的分析波形如图3所示。图中：

0～t1：FCL尚未投入运行，各部分电流均为0。

t1～t2：t1时刻，给系统上电，驱动电路向IGBT T2发出导通信号。t2时刻，T2导通完成。

t2～t3：延时一段时间，判断系统是否有短路故障存在。若确定系统正常，在t3时刻，驱动电路向晶闸管T1发出导通信号。

图3　FCL正常工作过程分析波形Fig. 3 Analysis waveform of FCL in the normal working mode

t3～t4：考虑到IGBT的关断时间要小于晶闸管的导通时间，因此在t4时刻向T2发出关断信号。

t4～t5：t5时刻，T2断开，系统电流由T2支路完全转移到了T1支路。

t5时刻以后：电源通过晶闸管T1向负载正常供电。正常供电时的电流流向如图4所示。

图4　FCL在正常工作模式下的电流流向Fig. 4 The current flow of FCL in the normal working mode

2.2故障限流模式

固态FCL在故障限流模式下的分析波形如图5

所示。

图5　FCL限流过程分析波形Fig. 5 Analysis waveform of FCL in the fault current limit mode

图中：

0～t1：系统正常运行，IGBT T2处于关断状态，电源经由晶闸管T1向负载供电，I0=I2=I3。

t1～t2：t1时刻，系统发生短路故障，电流I0=I2=I3开始上升，限流电感L开始作用，抑制短路电流的上升；短路电流在t2时刻上升到一定值后，控制与检测环节判断系统有短路故障发生，驱动IGBT T2导通。

t2～t3：T1与T2同时导通，I0=I3=I1+I2。t2时刻，电容C0上的电压为E，在T2导通之后，C0反并联在晶闸管T1两端，给T1加了一个反向电压，使得I1减小，I2增大。在I1下降到0以后，由于晶闸管有一个反向恢复过程，使T1上的电压呈现为反向电压，同时有一个反向恢复电流，由于T1缓冲电路的存在，I1将很快反向衰减到0。此时由于C0两端存在电压，二极管D0尚不能导通，此时的电流流向如图6所示。

t3～t4：T1上的反向电压在此期间不断衰减，t4时刻变为0，恢复对正向电压的阻断能力。通过T2的短路电流不断增大，电流流向如图7所示。

t4～t5：对短路电流设定一个峰值电流If，在t5时刻出现I0=I2=I3=If。此时的C0两端电压为0，二极管D0导通，电流流向如图8所示。

图6　T1关闭阶段的电流流向（1）Fig. 6 The current flow in the process of T1turning-off（1）

图7　T1关闭阶段的电流流向（2）Fig. 7 The current flow in the process of T1turning-off（2）

图8　斩波模式下的电流流向Fig. 8 The current flow of FCL in the chopper mode

t5时刻以后：控制T2的通断，系统处在斩波状态，使短路电流不再上升。如果在系统规定时间内将故障排除，则采用与2.1相同的步骤，使电流从IGBT支路转移到晶闸管支路，FCL恢复正常工作状态；如果在系统规定时间内未能将故障排除，则彻底切断IGBT，此时电网中的能量流动如图9所示。

3　斩波状态下的控制策略

电网在发生短路故障后，对电流的控制精度和调节速度提出了很高的要求。峰值电流控制法对输入输出的瞬态响应较快，控制环的设计比较容易，最主要的是可以限制瞬态峰值电流，因此非常适合于在斩波状态下对限流器的控制。但是考虑到占空比在大于50%的情况下，系统有开环不稳定和次谐波振荡等现象，因此引入了斜坡补偿环节[14]。具体控制原理如图10所示。

图9　FCL断开后的电流流向Fig. 9 The current flow of the FCL halt mode

图10　FCL的电流控制方案Fig. 10 Current control scheme for the proposed FCL

该控制模式采用电压外环、电流内环的双环控制。EA放大器将基准电压UREF与输出反馈电压UFB的差值放大，输出误差信号UEA。对电感电流峰值采样之后与斜坡补偿信号相叠加，得到USUM。将UEA与USUM作为PWM比较器的两个输入，然后经过逻辑驱动，产生脉宽信号来控制IGBT T2的通断。

4　结论

本文所设计的FCL采用晶闸管与IGBT相结合的方式。与已有的FCL相比，该固态FCL的突出优点是：

1）电网正常运行时通过晶闸管给负载侧供电，当电网发生短路故障时切换到IGBT一路，进行电流斩控，限制短路电流。这样的设计不仅可以快速响应直流电网的故障电流，而且减少了功率损耗。

2）适用于直流配电系统潮流双向流动的场合。

3）在限流器中又加入一个限流环节，降低了对故障判断灵敏性的要求和装置工程化实现的难度。

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李浪（1981—），男，硕士，讲师，主要研究领域为电力系统输配电。

（编辑李沈）

A Novel Solid State Fault Current Limiter Applied to DC Distribution System

LI Lang1，2
（1. Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China；2. Department of Electrical Engineering，Neijiang Vocational & Technical College，Neijiang 641000，Sichuan，China）

ABSTRACT：Compared with the AC power distribution，DC power distribution system has a series of advantages，such as large power supply capacity，low line loss，better power quality，easier access to distributed generator，etc. However，the immature protection technology limits the development of DC power distribution system to a great extent. For the problems existing in protection technology for DC distribution system，a novel solid state fault current limiter is proposed in this paper. This limiter uses a combination of SCR and IGBT and can not only achieve fast response to the fault current in the DC power grid，but also reduce the steady power loss. When short-current fault occurs，the peak current control strategy can be used in the current control and strictly limits the fault current below a certain desired range.

KEY WORDS：DC power distribution；protection technology；solid state fault current limiter；current control

作者简介：

收稿日期：2015-11-06。

文章编号：1674- 3814（2016）03- 0087- 05

中图分类号：TM774

文献标志码：A

基金项目：四川省省教育厅自然科学一般项目（13ZC0434）。