基于新型柔性限流器的直流配網(wǎng)故障特性分析

張 鳳，吳 江，唐莎莎，黃望春子，鄭 勇

（重慶涪陵電力實(shí)業(yè)股份有限公司，重慶 408000）

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流配電網(wǎng)的控制更加靈活[1-3]。在含有分布式電源、電動(dòng)汽車等應(yīng)用場(chǎng)景中，雖然直流配電網(wǎng)可有效提高其電能輸送效率，但由于其“低慣性、低阻抗”的特點(diǎn)，電網(wǎng)系統(tǒng)韌性強(qiáng)度不足，在應(yīng)對(duì)直流故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大故障電流，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，直流配電網(wǎng)故障電流的抑制成為近年來的研究熱點(diǎn)。

當(dāng)直流配網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，其交流系統(tǒng)側(cè)與換流站出口電容均可視為故障點(diǎn)的放電電源。若換流站內(nèi)部全控型晶體管因自保護(hù)而閉鎖，交流系統(tǒng)將直接向故障點(diǎn)放電，故障電流將被進(jìn)一步變大，且因沒有過零點(diǎn)而使直流斷路器難以被開斷[4-5]。雖然現(xiàn)有混合型直流斷路器能夠開斷極間短路的故障電流[6-7]，但需要考慮斷路器的故障響應(yīng)時(shí)間和斷路器的工程運(yùn)用成本，并且混合型直流斷路器通過機(jī)械開關(guān)開斷故障線路時(shí)，要求其內(nèi)部具有較高的絕緣強(qiáng)度，因此無法保證斷路器設(shè)備的速動(dòng)性[8-9]。文獻(xiàn)[10]提出一種通過使用電力電子器件和機(jī)械開關(guān)相配合的固態(tài)斷路器，在一定程度上提高了該斷路器的故障響應(yīng)速度，但該裝置的運(yùn)行成本明顯提升；文獻(xiàn)[11]提出級(jí)聯(lián)全橋斷路器控制策略，通過轉(zhuǎn)移支路降低故障電流，減小了通態(tài)損耗，但因其所含電力電子器件較多，增加了設(shè)備的固有成本且影響其使用壽命。因此，探索一種可提升直流斷路器開斷能力的安全有效、低運(yùn)行成本的方法則具有重要意義[12-14]。

近年來直流故障限流器作為抑制直流系統(tǒng)故障電流的有效手段，得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)限流策略的不同，可將直流故障限流器分為兩大類：超導(dǎo)限流器和固態(tài)限流器[15-17]。文獻(xiàn)[18]分別介紹了電阻型、飽和鐵心型、磁屏蔽性和電橋型超導(dǎo)限流器的技術(shù)原理；文獻(xiàn)[19]研究了飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器的適用場(chǎng)景，通過與傳統(tǒng)超導(dǎo)限流器比較，驗(yàn)證該限流器在直流配電網(wǎng)故障情況下的限流效果，但現(xiàn)有的超導(dǎo)材料運(yùn)行成本較高，且故障切除后需要較大容量的液氮冷卻系統(tǒng)；文獻(xiàn)[20]提出一種自旁路限流器，通過負(fù)載轉(zhuǎn)換開關(guān)和超快速機(jī)械開關(guān)可將故障電流回路切換到限流支路上；文獻(xiàn)[21]基于橫向H橋電路，提出一種新型電容換相混合式直流限流器，通過電容充放電控制橋臂的導(dǎo)通和關(guān)斷。但上述限流器主要由電力電子器件組成，其通態(tài)損耗較高。同時(shí)，電力電子器件的大規(guī)模應(yīng)用，使得限流器故障率明顯提升。

為有效抑制故障電流，簡(jiǎn)化限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文提出一種適用于直流配電網(wǎng)的新型柔性限流器FFCL（flexible fault current limiter）。故障時(shí)，該限流器通過橋型電路自然切換，將其串入直流線路，為故障回路提供可變鉗位電壓，抬升AC/DC換流站出口母線及放電電容電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的有效抑制。為解決該柔性限流器因電感飽和而失效的問題，引入帶有受控源的閉環(huán)鐵芯，延長(zhǎng)其有效作用時(shí)間。通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，驗(yàn)證柔性限流器的可行性和有效性。

1 短路故障特征

直流配電系統(tǒng)的短路故障可分為單極接地故障和極間短路故障，圖1給出2種類型故障電流的流通路徑。圖中，①表示單極接地故障電流路徑，②表示極間短路故障電流路徑。直流配電網(wǎng)雙極運(yùn)行，其直流側(cè)電壓可表示為

圖1 故障電流流通回路Fig.1 Flowing circuit of fault current

式中：Udc為直流側(cè)電壓；為直流側(cè)正極電壓；為直流側(cè)負(fù)極電壓。

1.1 單極接地故障

以正極接地故障為例，單極接地故障系統(tǒng)輸出暫態(tài)特性曲線[22]如圖2所示。

圖2 單極接地故障特性Fig.2 Characteristics under single-pole grounding fault

故障期間，故障極的電壓快速跌落至0，正常極的電壓抬升至額定電壓的2倍。根據(jù)式（1）可知，故障前后直流側(cè)兩極壓差與故障電流變化較小。然而，正常極承受較大的過電壓，一旦其絕緣被擊穿，直流側(cè)的正、負(fù)極將通過大地形成極間短路故障，其復(fù)雜程度和影響范圍將大大增加。

1.2 極間短路故障

極間短路故障可分為3個(gè)階段：電容放電階段、二極管依次導(dǎo)通階段和交流側(cè)饋入階段[4]，各階段的暫態(tài)特性如圖3所示，各階段的放電回路如圖4所示。正常運(yùn)行時(shí)換流站出口電容電壓略高于交流電源側(cè)額定電壓，故第1階段僅換流站的出口電容放電，且其放電回路如圖4（a）所示。出口電容電壓隨放電深度增加而降低，當(dāng)其電壓達(dá)到380 V，與交流側(cè)電壓幅值相等時(shí)，極間短路故障發(fā)展到第2階段，交流電源開始向故障點(diǎn)放電，其放電回路如圖4（b）所示。當(dāng)直流側(cè)電壓持續(xù)降低，最終到達(dá)過零振蕩區(qū)間，所有二極管均正向?qū)ǎ涣麟娫粗苯羽伻牍收宵c(diǎn)。此時(shí)對(duì)于交流側(cè)來說，可等效視為三相短路，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)危害較大。且第3階段交流側(cè)與直流側(cè)的等效電路如圖4（c）所示。圖4中，R和L為直流線路電阻和電感，Rs和Ls交流線路電阻和電感。

圖3 極間短路故障特性Fig.3 Characteristics under pole-to-pole short-circuit fault

圖4 極間短路故障的3個(gè)階段Fig.4 Three stages of pole-to-pole short-circuit fault

由圖3可知，電容放電階段的故障回路能夠等效為二階電路，換流站出口電容的放電電壓可表示為

式中：U0和I0為直流電壓和電流的初值；φ為出口電容放電初相位；Uc為換流站出口放電電容電壓；α為衰減系數(shù)，α=R/(2L)；ω為角頻率，ω=。直流側(cè)故障電流可表示為

式中：if為直流側(cè)故障電流；φ-θ為故障電流的初相位；A為中間變量?？梢钥闯?，直流側(cè)故障壓降的大小決定了故障電流的幅值，通過控制故障壓降能夠?qū)崿F(xiàn)故障電流的抑制。因篇幅限制，第2、3階段的輸出暫態(tài)特性[4]將不再贅述。

2 柔性限流器

2.1 橋型電路結(jié)構(gòu)

柔性限流器經(jīng)橋型電路串接于直流線路，且在故障下接入。其中，橋型電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 橋型電路拓?fù)銯ig.5 Topology of bridge circuit

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，Idc＞0，因正向直流偏置電源作用，此時(shí)流過二極管D1、D4的電流為(Ib+Idc)/2＞0，流過二極管 D2、D3的電流為(Ib-Idc)/2＞0，因此4個(gè)二極管均正向?qū)ǎ蘖髌鞅慌月?。?dāng)直流配電網(wǎng)出現(xiàn)極間短路故障時(shí)，線路電流 Idc增大，此時(shí)二極管D2、D3上的電流為(Ib-Idc)/2＜0，所以此時(shí)只有二極管D1、D4導(dǎo)通，中間支路的柔性限流器串入直流線路，從而抑制故障電流。然而，根據(jù)圖2，單極接地故障時(shí)直流側(cè)電流變化較小，可能導(dǎo)致橋型電路的作用失效，為保證限流器在單極接地故障的情況下有效作用，因此將直流偏置電源同全控型晶體管并聯(lián)如圖5所示。單極接地故障情況下，晶體管G1信號(hào)控制導(dǎo)通，將直流偏置電源短路，二極管D2、D3反向阻斷，僅D1、D4正向?qū)?，柔性限流器接入直流線路，抬升故障極的電壓，降低正、負(fù)極電壓的不平衡率。

2.2 整流器的數(shù)學(xué)模型

柔性限流器由限流電感與整流器構(gòu)成，其中整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中ea、eb、ec和ia、ib、ic分別為交流側(cè)三相電壓和三相電流。

圖6 整流器拓?fù)銯ig.6 Topology of rectifier

2.3 控制策略分析

由于直流配電網(wǎng)換流站工作在整流狀態(tài)，柔性限流器中的限流電感受整流器控制，因此二者均采用雙閉環(huán)控制模式。根據(jù)式（4），兩者整流器直流側(cè)的暫態(tài)方程均可表示為

在換流站中，直流側(cè)電壓Udc作為換流站的控制目標(biāo)，則其傳遞函數(shù)為

式中：K為放大增益；Kvf為反饋系數(shù)，Udc_set和id1分別為兩個(gè)控制系統(tǒng)的輸入量和擾動(dòng)量；G1、G2、G3和G4為PI控制器的傳遞函數(shù)。

柔性限流器中，整流器給限流電感提供線性上升的電流，電感的鉗位電壓被控制在穩(wěn)定的數(shù)值。鉗位電壓Ul被作為該整流器的控制目標(biāo)，其傳遞函數(shù)為

式中，Uset和iq2分別為兩個(gè)控制系統(tǒng)的輸入量和擾動(dòng)量。則G1、G2、G3和G4表示為

式中，KPi和KIi分別為PI控制器的比例系數(shù)和微分系數(shù)。根據(jù)式（6）和式（7），整流器的控制框圖如圖7所示。

圖7 雙閉環(huán)控制框圖Fig.7 Control block diagram of double closed-loop

圖中，柔性限流器中整流器的工作狀態(tài)可依據(jù)不同的故障類型進(jìn)行調(diào)整。各類型故障的判斷如下：若直流側(cè)電壓滿足Udc≤0.8Udcn（Udcn為直流系統(tǒng)的額定電壓），則直流系統(tǒng)的故障可以被定義為極間短路故障；若直流側(cè)電壓滿足

式中，m1、m2和m3為系統(tǒng)輸入的控制系數(shù)，mi=0～1（i=1，2，3）。

根據(jù)式（10），故障回路的放電壓降ΔU=Udcn-m1Udcn。在極間短路故障情況下，當(dāng)m1取較小數(shù)值時(shí)，放電電容壓降超過直流配電系統(tǒng)的可承受范圍，故在此選擇m1≥0.5；當(dāng)單極接地故障時(shí)，系統(tǒng)正負(fù)極電壓失衡，故障危害相對(duì)較小，為保證此時(shí)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，延長(zhǎng)可供故障檢測(cè)時(shí)間，選定m2=m3≥0.6。故mi的選取區(qū)間為

通過改變控制系數(shù)mi，能夠靈活改變限流電感提供的鉗位電壓，進(jìn)而控制放電電容壓降，最終實(shí)現(xiàn)故障電流抑制。

系統(tǒng)的整體框架如圖8所示，其中的（A）、（B）、（C）部分的電路給出了不同故障的判斷過程。系統(tǒng)控制流程如圖9所示。圖8（A）部分中設(shè)定了正、負(fù)極接地故障的控制系統(tǒng)輸入值分別為根據(jù)圖9監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)電壓，判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及其故障類型，再依據(jù)故障類型設(shè)定控制系統(tǒng)輸入值。若正極電壓或負(fù)極電壓數(shù)值低于0.8倍的額定值時(shí)，則可認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)單極接地故障，將Uset=Uset1作為圖8（B）部分中的電壓控制參考值，并控制開關(guān)G1導(dǎo)通；依據(jù)圖9判定流程，若直流電壓不滿足單極接地故障條件，則將Uset=Uset2作為圖8（B）部分中的電壓控制參考值；若系統(tǒng)正常運(yùn)行，柔性限流器不接入系統(tǒng)，同時(shí)保持直流系統(tǒng)電壓的監(jiān)測(cè)，將Uset=0作為圖8（C）部分中的電壓控制參考值。

圖8 系統(tǒng)的整體框架Fig.8 Overall framework of system

圖9 控制流程Fig.9 Control flow chart

通過圖8和圖9的控制模式，可實(shí)現(xiàn)柔性限流器中整流裝置為限流電感提供線性上升電流以保證其等效鉗位電壓穩(wěn)定，但實(shí)際工程中限流電感存在磁飽和問題，原線性上升電流斜率無法維持，亦導(dǎo)致限流器失效。因此，在柔性限流器作用期間，需考慮其限流電感的磁飽和問題。

3 鐵芯補(bǔ)償作用

圖10給出限流電感磁飽和時(shí)電感電流和電感電壓的變化曲線[23]。閉環(huán)鐵芯能夠有效消除電感磁飽和，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，圖中N1繞組為限流電感，N2繞組為控制側(cè)電感。限流電感磁飽和具體表現(xiàn)為N1繞組電感感應(yīng)磁通在閉環(huán)鐵芯磁回路中達(dá)到飽和。此時(shí)，N2繞組電感可產(chǎn)生反向磁通用于抑制一次側(cè)磁通增加，進(jìn)而解決限流電感磁飽和問題。其中，N2繞組所感應(yīng)的逆磁通由受控電壓源kI1，并且逆磁通的大小可通過kI1靈活調(diào)節(jié)。其中，I1為受控電壓源控制量，k為控制系數(shù)。

圖10 電感飽和特性Fig.10 Saturation characteristics of inductance

圖11 鐵芯磁路Fig.11 Magnetic circuit of iron core

鐵芯基本方程可表示為

式中：φ1為單匝線圈的磁通；ψ1為總磁通；e1為一次側(cè)電壓。閉環(huán)鐵芯去飽和效果如圖12所示。

圖12 補(bǔ)償后的電感特性Fig.12 Inductance characteristics after compensation

從圖12可以看出，N1繞組的電壓、電流有3個(gè)階段性特征。

階段1（0～t1）：該階段系統(tǒng)正常運(yùn)行，直流線路無故障。N1繞組限流電感因橋型電路旁路作用，使其電壓、電流均為0。

階段2（t1～t2）：整流器給N1繞組限流電感提供線性上升的電流，保證其在故障期間電壓能夠被鉗位在設(shè)定值。

階段3（t2～1.2 s）：在 t2時(shí)刻，因 N2繞組通過鐵芯向N1繞組提供逆磁通消除其磁飽和，限流電感鉗位持續(xù)維持。根據(jù)式（12），限流電感電壓為

其中，若e1保持不變，且N1繞組的匝數(shù)為定值，故需L1與I1的乘積呈線性。當(dāng)受控電壓源作用，電感L1自適應(yīng)變化，進(jìn)而保證e1不變。

限流電感等效表達(dá)式為

式中，N1、N2、S2、l和μ分別為一次繞組匝數(shù)、二次繞組匝數(shù)、二次繞組橫截面積、磁路長(zhǎng)度和鐵芯磁導(dǎo)率。N、S和l都為電感線圈的固有屬性，僅鐵芯磁導(dǎo)率μ可變。因此，根據(jù)式（14）可知，N2繞組受控電源作用時(shí)，僅鐵芯磁導(dǎo)率發(fā)生變化，保證限流電感處于不飽和狀態(tài)。圖13為磁感應(yīng)強(qiáng)度B-H、鐵芯材料磁導(dǎo)率μ變化曲線。

圖13 B-H和μ-H曲線Fig.13 B-H and μ-H curves

電感原始的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率如圖13中曲線a所示。磁感應(yīng)強(qiáng)度上升到一定數(shù)值時(shí)，因磁通飽和而不再上升，同時(shí)電感的磁導(dǎo)率變得非常低，電感達(dá)到飽和。受控電壓源動(dòng)作后，磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁導(dǎo)率如圖13中曲線b所示。電感的飽和狀態(tài)被消除，鐵芯的磁導(dǎo)率上升。在受控電壓源的作用下，閉環(huán)鐵芯有自適應(yīng)的調(diào)整能力。若故障過程較長(zhǎng)，每次電感即將飽和時(shí)，N2繞組的逆磁通都將增加，B-H曲線和磁導(dǎo)率的關(guān)系如圖14所示。

圖14 B-H曲線的自適應(yīng)變化Fig.14 Adaptive adjustment of B-H curve

4 限流器的動(dòng)作特性

4.1 限流動(dòng)作流程

柔性限流器能夠消除單極接地故障正負(fù)極電壓的不平衡，也能降低極間短路故障的故障電流幅值。其操作過程可以分為4個(gè)階段，分別為：正常運(yùn)行階段、故障限流階段、鐵芯飽和消除階段以及恢復(fù)階段。

階段1：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，如圖15（a）所示，橋型電路的4個(gè)二極管均導(dǎo)通，柔性限流器被旁路，不影響直流配電系統(tǒng)的運(yùn)行，且整流器和閉環(huán)鐵芯此時(shí)均處于備用狀態(tài)。

階段2：該階段表征直流配電網(wǎng)單極與極間故障時(shí)限流器的動(dòng)作過程。故障期間，橋型電路只有二極管D1、D4導(dǎo)通，故障電流流經(jīng)中間橋臂。單極接地故障中，以正極接地故障為例，其故障回路如圖15（b）中的①所示，限流電感在該階段開始發(fā)揮作用，但未達(dá)到飽和狀態(tài)，故受控電壓源無需動(dòng)作。限流電感電壓為UL，且UL=m2U+dcn，正極電壓上升至UL，且負(fù)極電壓降低，消除單極接地故障時(shí)正負(fù)極電壓的不平衡。極間短路的故障回路如圖15（b）中的②所示，此時(shí)限流電感電壓UL=m1Udcn，在故障回路中提供了一個(gè)大小可變的鉗位電壓，進(jìn)而能夠控制換流站出口放電電容的電壓。

階段3：限流電感達(dá)到飽和狀態(tài)，則需要通過受控電壓源向鐵芯提供逆磁通來延長(zhǎng)限流電感有效作用時(shí)間。受控電流源裝設(shè)位置如圖15（c）所示。

階段4：故障消失或者被清除時(shí)，橋型電路上的4個(gè)二極管恢復(fù)導(dǎo)通，限流器再次被旁路。同時(shí)，限流電感上的能量通過整流器向電網(wǎng)釋放。此階段主要由主回路與能量釋放回路構(gòu)成，如圖15（d）所示。在主回路中，直流配電網(wǎng)的電壓和電流恢復(fù)至額定值。在放電回路中，柔性限流器中的換流器轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，電感能量通過逆變器流回電網(wǎng)，降低限流器的損耗。

圖15 柔性限流器的動(dòng)作過程Fig.15 Action process of FFCL

4.2 限流電感定值分析

在設(shè)計(jì)傳統(tǒng)限流器時(shí)，需要考慮以下3個(gè)問題：

（1）為配合直流斷路器開斷故障電流，故障電流的最大值應(yīng)小于斷路器的開斷電流；

（2）為保證斷路器的安全運(yùn)行，直流側(cè)電流的變化率應(yīng)小于斷路器的最大變化率；

（3）為保護(hù)換流站的二極管，直流故障的檢測(cè)時(shí)間與故障清楚時(shí)間之和應(yīng)小于直流側(cè)電容的放電時(shí)間。

因此，故障電流與斷路器的約束條件為

式中：ICBmax為斷路器的開斷電流；tFDT為故障檢測(cè)時(shí)間；tCB為故障開斷時(shí)間；tCDT為電容放電時(shí)間。因柔性限流器的作用，各故障類型下直流側(cè)、正極與負(fù)極的電壓分別為

制備選擇性、靈敏度更優(yōu)良的敏感材料和穩(wěn)定性更高的離子—電子傳導(dǎo)材料仍將是全固態(tài)電位傳感器研究的重點(diǎn)。開發(fā)一次性的、微型化、陣列式、可穿戴、自校準(zhǔn)、無前處理的全固態(tài)電位傳感器是未來全固態(tài)電位傳技術(shù)研究的主流趨勢(shì)。全固態(tài)電位傳感器將會(huì)在環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、食品質(zhì)量快速檢測(cè)、農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)、疾病自診斷、無創(chuàng)傷檢測(cè)等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時(shí)代的到來，全固態(tài)電位傳感器作為數(shù)字智能的最前端傳感設(shè)備，其重要性將會(huì)越來越顯現(xiàn)出來，其技術(shù)也定將會(huì)有一個(gè)大的發(fā)展。

在單極接地故障電流波動(dòng)較小且極間短路故障情況下，直流側(cè)故障電流以及故障電流的變換率均能夠被限制在較低的數(shù)值。因此，本文所提限流器不受傳統(tǒng)的約束條件限制。能量的損耗在限流電感的選擇中，也被作為一個(gè)重要的指標(biāo)。故障期間，整流器給限流電感L1充電，且電感電流I1以固定斜率上升。假設(shè)故障出現(xiàn)時(shí)間為T1，故障切除時(shí)間為T2，限流電感飽和的時(shí)間為T3,則電感儲(chǔ)存的能量可表示為

式中，Is為限流電感的飽和電流。當(dāng)故障切除時(shí)間大于限流電感的飽和時(shí)間，利用受控電壓源消除電感飽和。由前文可知，限流電感線性增加，電感電流為定值，因此，根據(jù)積分等效原理，電感能量表達(dá)式修改為

綜上，流過電感的最大電流不能超過飽和電流，且電感的最大儲(chǔ)存能量WS應(yīng)小于等于W1，即

故電感的選擇范圍為

5 仿真案例驗(yàn)證

為驗(yàn)證柔性限流器的有效性，本文建立傳統(tǒng)雙極運(yùn)行的直流配電網(wǎng)，限流器的安裝位置以及故障的發(fā)生位置如圖16所示。通過軟件仿真平臺(tái)，分別模擬單極接地故障(f1p)、(f1n)和極間短路故障(f2)，并分析故障情況下柔性限流器的作用效果。

圖16 直流配電網(wǎng)絡(luò)Fig.16 DC distribution network

直流配電網(wǎng)對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 直流配電網(wǎng)參數(shù)Tab.1 Parameters of DC distribution network

5.1 橋型電路電流

圖17 橋型電路二極管D2、D3的電流Fig.17 Current of diodesD2andD3in bridge circuit

5.2 單極接地故障

根據(jù)式（1），單極接地故障期間，直流系統(tǒng)的電壓前后變化較小，但正負(fù)極電壓會(huì)出現(xiàn)不平衡的情況。假設(shè)單極接地故障在T=0.16 s時(shí)出現(xiàn)，其裝配柔性限流器后的故障特性如圖18所示。

圖18 單極接地故障的限流效果Fig.18 Current limiting effect of single-pole grounding fault

從圖18可以看出，限流器作用后，正極、負(fù)極接地故障均能被柔性限流器有效隔，并且限流器鉗位電壓越接近額定電壓，直流側(cè)電壓越穩(wěn)定。若故障極的電壓能夠被鉗位在額定值，故障點(diǎn)被完全隔離，系統(tǒng)運(yùn)行于正常狀態(tài)。然而，為保證單極接地故障的快速檢測(cè)與識(shí)別，柔性限流器中限流電感鉗位電壓與直流電壓額定值間依舊留有一定裕度。

5.3 極間短路故障

極間短路故障電流的上升快，造成的危害較大。且當(dāng)直流系統(tǒng)電壓過零時(shí)，換流站的所有二極管均正向?qū)?，交流系統(tǒng)電源直接給故障點(diǎn)供電，對(duì)交流系統(tǒng)來說可等效視為三相短路故障。限流器作用后的極間短路故障特性如圖19所示，柔性限流器通過抬高直流系統(tǒng)電壓，使得極間短路故障情況下，直流側(cè)電壓未過零點(diǎn)，進(jìn)而防止了故障發(fā)展至第3階段。同時(shí)，因出口放電電容的壓降減小，故障電流也可被有效抑制，交流測(cè)的故障電流幅值也相應(yīng)減小。

圖19 限流器作用后的極間短路故障特性Fig.19 Characteristics under pole-to-pole short-circuit fault with fault current limiter

限流器動(dòng)作后，直流側(cè)電壓被鉗位在Ul，此時(shí)極間短路故障僅兩個(gè)階段。通過調(diào)節(jié)m1，直流系統(tǒng)的電壓、電流可被柔性限流器靈活控制，將限流電感鉗位電壓分別設(shè)定為500、600和700 V，其對(duì)應(yīng)的限流效果如圖20所示。

圖20 柔性限流器的限流特性Fig.20 Current limiting characteristics of FFCL

通過減小出口放電電容壓降，故障電流能夠被有效抑制。故障發(fā)生后，可根據(jù)系統(tǒng)的相關(guān)要求設(shè)定不同的鉗位電壓。故障消失時(shí)，系統(tǒng)的電壓、電流能夠平穩(wěn)恢復(fù)。

圖21給出極間故障期間，連續(xù)調(diào)節(jié)m1時(shí)對(duì)故障電壓、電流實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)整的特征波形。在該過程中，若系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到故障電壓的幅值依舊低于相應(yīng)閾值，將在控制系統(tǒng)中自動(dòng)調(diào)整m1的數(shù)值，提高直流側(cè)故障電壓，減小了出口放電電容的壓降，最終降低故障電流的幅值，進(jìn)一步驗(yàn)證了限流器的柔性調(diào)節(jié)能力。同時(shí)，本文所提柔性限流器具備較好的故障隔離能力。若發(fā)生極間短路故障，將限流電感鉗位電壓提高至直流電壓額定值，則故障情況下，直流側(cè)電壓可被控制在額定值，根據(jù)式（10），m1=1時(shí)其電壓、電流波形如圖22所示。故障點(diǎn)被有效隔離，非故障部分能夠正常運(yùn)行，因限流器的隔離作用故障點(diǎn)下游的負(fù)荷被切除，負(fù)荷減小，此時(shí)的直流電流較原正常運(yùn)行狀態(tài)下更低，且故障切除后，電流仍可平穩(wěn)恢復(fù)。

圖21 電壓、電流的連續(xù)調(diào)整Fig.21 Continuous adjustment of voltage and current

圖22 m1=1時(shí)的電壓、電流波形Fig.22 Waveforms of voltage and current whenm1=1

根據(jù)圖10，若沒有閉環(huán)鐵芯的去飽和作用，飽和的限流電感無法提供鉗位電壓。為驗(yàn)證閉環(huán)鐵芯的有效性，對(duì)比分析了有、無鐵芯情況下的故障特性。閉環(huán)鐵芯作用效果分析如圖23所示，無閉環(huán)鐵芯的限流電感在一定時(shí)間內(nèi)能夠?qū)⒅绷鱾?cè)電壓維持在穩(wěn)定且較安全的數(shù)值，但電感飽和后沒有對(duì)應(yīng)的處理措施，直流側(cè)電壓突降且因一定慣性而過零，故障電流迅速增加，給直流系統(tǒng)帶來較大的沖擊。

圖23 閉環(huán)鐵芯作用效果分析Fig.23 Effective analysis of closed-loop iron core

5.4 限流電感電流的恢復(fù)

限流電感串聯(lián)在直流線路中，其各階段的電流特征如圖24所示。

圖24 限流電感的電流Fig.24 Current of current-limiting inductor

限流電感的充放電過程可以被分為3個(gè)階段：

（1）在第1階段，因?yàn)橄蘖骰芈返呐月纷饔茫蘖麟姼械碾娏骱苄?，同時(shí)其斜率幾乎為0，故此時(shí)電感能量為0。

（2）短路故障發(fā)生在第2階段，在單極接地和極間短路故障時(shí)，限流電感電流上升斜率穩(wěn)定，將提供穩(wěn)定的鉗位電壓。

（3）當(dāng)故障消失之后，限流電感上的能量通過逆變器向電網(wǎng)釋放。最后，電流電感電流降為0，并恢復(fù)至初始狀態(tài)。從圖24可以看出，第2階段限流電感儲(chǔ)存的能量和第3階段釋放的能量近似相等，儲(chǔ)存能量和釋放能量分別用S1、S2表示，其關(guān)系可表示為S1≈S2。

6 結(jié)論

直流配電網(wǎng)具有“低慣性，低阻抗”的特點(diǎn)，因此其短路故障發(fā)展迅速，危害程度較高，給直流系統(tǒng)的保護(hù)帶來巨大的挑戰(zhàn)。本文通過理論、仿真驗(yàn)證所提柔性直流限流器在處理直流系統(tǒng)短路故障時(shí)的正確性與有效性，并將其優(yōu)點(diǎn)歸納如下。

（1）柔性限流器能夠抑制極間短路故障的故障電流，還可完全消除單極接地故障時(shí)正負(fù)極電壓的不平衡。

（2）在有效限流的基礎(chǔ)上，通過本文所提限流器鉗位電壓的靈活調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了故障區(qū)域與非故障區(qū)域的完全隔離，并在后續(xù)與直流斷路器配合的研究中提供新的思路。

（3）柔性限流器動(dòng)作期間，限流電感從交流系統(tǒng)采電并儲(chǔ)存能量，故障切除后，儲(chǔ)存的能量通過逆變回路流回電網(wǎng)，減小了能量的損耗。