混合式直流故障限流器改进拓扑及其参数设计方法

李 斌，贾涵茹，何佳伟，李清泉，李 晔，吕慧婕

（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

基于电压源换流器的柔性直流电网具有输电损耗小、输送距离远、功率灵活可控、无换相失败等突出技术优势［1-2］，可以为电网提供更高的供电可靠性、设备冗余性及适应性更强的供电模式和灵活安全的潮流控制［3］，并使得新能源大规模集中接入、孤岛供电、区域电网异步互联成为可能［4］。然而柔性直流电网中发生短路故障后，储存在换流站子模块电容中的电能迅速释放，故障发展迅速［5］。为确保柔性直流电网发生故障后换流站、非故障线路等构成的健全网络实现安全可靠的故障穿越，通常要求保护与直流断路器（DC circuit breaker，DCCB）能够在换流站闭锁前快速有选择性地切除故障线路［6］。否则，换流站就会由于绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）自保护动作而迅速闭锁并退出运行。然而，现有直流保护与DCCB 的故障清除时间均在几毫秒级别［7］，无法匹配直流故障发展速度。因此，为降低直流故障的发展速度和危害程度，使系统实现安全可靠的故障穿越，有必要在直流电网中采取有效的故障限流措施［8］。

对于柔性直流电网而言，直流故障限流器的设计必须满足以下要求：①故障后可靠限流；
②DCCB动作后不影响故障清除速度；
③断流后可靠恢复；
④不影响系统的稳定运行。针对上述需求，国内外学者开展了大量直流故障限流器方面的理论研究。其中，直接在线路两端串联限流电感是最为常见的直流故障限流方法［9］。文献［10］针对张北直流电网探讨了限流电感及桥臂电感的优化设计方法，在保障电流抑制效果的基础上降低限流成本。但如文献［11-12］所述，在柔性直流电网中直接安装限流电感将延长DCCB 的故障电流清除时间，降低换流站控制响应速度，甚至引起系统振荡。除直接在系统中串联电感限流，电力电子型故障限流器易于工程实现，在柔性直流电网中具有极为突出的技术前景。当系统发生故障后，通过控制电力电子开关的通断实现限流元件的投入与退出，以满足柔性直流电网对故障限流的技术要求。如文献［13］提出一种互感型直流故障限流器，该直流故障限流器由限流支路（一对耦合电感与一组二极管）、吸能支路（避雷器）与一组可关断晶闸管构成，可在故障后利用耦合电感的互感增强限流效果，并在DCCB 动作后通过导通晶闸管减小直流故障限流器对外等效电感，缩短故障清除时间。文献［12］提出一种桥式直流故障限流器，由二极管组构建的H桥电路、限流电感与直流偏置电源构成。该直流故障限流器仅在故障后自动投入限流电感进行限流，在系统正常运行与DCCB跳闸后限流电感均被偏置电源旁路，以满足故障限流需求。文献［14-15］提出电容换流式直流故障限流器，利用通流支路降低通态损耗，通过故障后直流故障限流器支路中电容的充放电实现限流电感的投入与旁路。上述方法能够实现限流电感的主动投退，发挥故障限流作用，并消除对系统的不利影响，但是拓扑结构较为复杂，成本较高。

文献［16］提出一种由限流电感与能量耗散电路并联构成的限流电路。其中，能量耗散电路由一个吸能电阻与一组反并联的晶闸管构成。能量耗散电路中的晶闸管组在DCCB 跳闸以后迅速导通，此时限流电感中存储的故障能量被吸能电阻吸收，与故障线路的故障储能有效分离，从而大幅降低DCCB中避雷器的耗能需求，缩短故障清除时间。该类型直流故障限流器拓扑结构及控制策略简单，造价成本小、制造难度低，具有极大的技术优势。但该直流故障限流器仅实现前文中提及的故障限流需求①—③，并未考虑限流电感对柔性直流电网运行稳定性的不利影响。

针对上述问题，本文提出了一种改进型混合式直流故障限流器。该直流故障限流器在故障发生后以电阻与电感并联的形式有效限制故障电流，并与DCCB 相配合加快断流速度；
在系统正常运行过程中，该直流故障限流器利用并联电阻消除限流电感对系统稳定性的不利影响，提高系统的暂态响应速度。此外，与文献［16］中的方法相比，本文所提拓扑能够有效减少晶闸管的使用数量，从而降低造价成本。

本文所提出的改进型混合式直流故障限流器拓扑结构如图1（a）所示。混合式直流故障限流器由限流电感L、能量耗散电路以及并联电阻R2构成。其中，能量耗散电路由吸能电阻R1和电力电子器件串联组成。在文献［16］的基础上，改进拓扑采用一组二极管（D）替代其中的一组晶闸管（T）（导通方向为线路指向换流站），以降低直流故障限流器建设成本。同时，在限流电感两端并联一个电阻R2，以消除限流电感对系统稳定性的不利影响。

以基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的四端中压环形直流配电网为例，本文将所提直流故障限流器（FCL1—FCL4）装设于换流站（S1—S4）出口，具体配置方案如图1（b）所示。根据不同的系统运行状态，直流故障限流器通过晶闸管的导通控制实现其运行状态的快速切换。对于直流故障限流器而言，其直流侧发生故障（故障点为f1）和换流站侧发生故障（故障点为f2）时的运行状态会有所不同。

图1 改进型混合式直流故障限流器拓扑及在直流电网中的配置方案Fig.1 Topology of improved hybrid DC fault current limiter and its configuration in DC grid

当直流系统处于稳态运行时，所提混合式直流故障限流器中的晶闸管T 处于关断状态，由于线路中流过的恒定直流电流（Iline1—Iline4），R2被L旁路，直流电流只流经L。在系统运行过程中发生功率波动的情况下，R2能够提高系统的暂态响应速度及运行稳定性，具体理论分析将在3.2节中详细说明。

1.1 直流侧故障

1）故障限流阶段。

当直流故障限流器直流侧发生短路故障时，直流线路中的故障电流快速上升，限流拓扑中的限流电感L立即发挥限流作用。此时，L上的压降在R2中产生导通电流。需要注意的是，为避免过度削弱直流故障限流器的限流效果，R2的阻值应足够大，以减小经R2支路馈入故障点的故障电流，从而确保L充分发挥限流效果。

2）故障电流清除阶段。

当DCCB 接收到保护信号并跳闸以后，DCCB 中的避雷器投入故障回路中，故障电流快速下降。此时，在限流电感感应电动势作用下，二极管D 被导通，电感中续电流经R1与R2并联的电阻支路形成环流，且由于R1≪R2，续电流主要流经R1。该方式实现了故障断流期间限流电感故障储能与线路故障储能的有效解耦，大幅减小了DCCB 避雷器需要耗散的故障能量，从而提高了故障电流清除速度。

3）直流故障限流器恢复阶段。

在DCCB 避雷器的作用下，直流线路中的故障电流被迅速清除，随后DCCB 中的残余电流开关跳开，实现对故障点的物理隔离。与此同时，限流电感在故障限流过程中储存的能量会被R1与R2吸收，使限流电感中的续电流逐渐衰减至0。至此，直流故障限流器恢复到初始状态。

1.2 换流站侧故障

1）故障限流阶段。

当直流故障限流器的换流站侧发生短路故障后，直流故障限流器背侧换流站迅速向故障点馈流，为保护换流站桥臂中的电力电子器件，换流站迅速闭锁。此时直流电网中未闭锁换流站将继续通过直流线路向故障点馈入故障电流，因此直流线路中电流会迅速上升。对于背侧发生故障的直流故障限流器，故障电流会经过其拓扑中的R1、R2与L支路流向故障点。由于R1阻值较小，大量故障电流经R1支路流向故障点，致使背侧发生故障的直流故障限流器无法可靠限流。但对于装设在其余换流站出口的直流故障限流器而言，故障点均位于直流故障限流器的直流侧。因此根据1.1节所述，直流线路中的故障电流能够被可靠限制，以避免线路中短路电流过大造成直流电网中所有换流站全部闭锁，进而导致全系统功率传输的中断。此时系统中背侧无故障的直流故障限流器工作原理与直流场侧故障情况相同，此处不再赘述。

2）故障电流清除阶段。

DCCB 跳闸后，直流线路中的故障电流在DCCB中避雷器作用下迅速下降。此时晶闸管T 被施以触发信号，使得其在限流电感的反电动势作用下导通。考虑到此阶段限流电感L会在DCCB 避雷器的作用下感应出与晶闸管导通方向相同的电动势，故拓扑中的晶闸管控制单元可采用电压取能方式［17］。限流电感L在限流阶段储存的能量会以续电流的形式在直流故障限流器内部形成环流。此时线路中的限流电感被旁路，以实现故障电流的快速清除。

3）直流故障限流器恢复阶段。

直流线路中故障电流在DCCB 中避雷器的作用下下降至0，剩余电流开关跳开。此时，限流电感中的续电流被R1与R2吸收，晶闸管T可靠关断，直流故障限流器完成恢复过程。

由上述工作原理可知，在直流侧发生故障以后，所提直流故障限流器能够立即以电阻与电感并联的形式发挥故障限流作用。而在直流故障限流器背侧发生故障情况下，装设于其余换流站出口的直流故障限流器能够限制对应换流站供给的故障电流，因此从系统层面出发故障电流仍然能够得到有效抑制，实现健全网络的故障穿越。同时，所提直流故障限流器通过在限流电感两端并联大电阻的形式，有效消除了其对系统暂态响应速度和运行稳定性的不利影响。需要指出的是，本文所提直流故障限流器配置方案无需在直流电网的每条线路两端配置直流故障限流器，只需在换流站出口安装直流故障限流器，大幅减少了系统所需的直流故障限流器数量。同时，本文所提直流故障限流器拓扑采用二极管替代部分晶闸管，由于二极管为不控器件，无需驱动电路，且成本较低，故大幅降低了直流故障限流器的造价成本及控制复杂度。

根据上述分析，本文所提出的混合式直流故障限流器的各阶段工作原理见附录A 图A1，控制策略见附录A图A2。

基于上述拓扑结构和工作原理，本节将重点讨论所提直流故障限流器中核心元件（R1、R2及L）的参数设计方法。

2.1 R2参数设计

L和R2决定了直流故障限流器整体的限流效果，可通过限流阶段暂态响应的分析以及过流上限要求确定L和R2的大小。在故障限流阶段，换流站与直流故障限流器的等效电路如图2 所示。图中：uFCL为直流故障限流器两端电压；
Udc为换流站出口直流电压；
Rs、Ls、Cs分别为换流站在放电阶段的等效电阻、电感与电容；
uSM为换流站等效电容两端电压；
idc为故障线路中的电流；
i2为流经R2支路的电流；
iL为流经L支路的电流。

图2 限流阶段等效电路Fig.2 Equivalent circuit of current limiting state

Rs、Ls、Cs与换流站参数间的关系可分别表示为：

式中：CSM为子模块电容；
Larm、Rarm分别为桥臂电感、电阻；
N为桥臂子模块总数。根据图2所示限流阶段的等效电路图可以得到如下关系：

由图2 可知，直流故障限流器在限流过程中，其两端电压uFCL与换流站直流出口直流电压Udc相等。当DCCB动作时，电感支路电流iL_trip可表示为：

式中：iL(0)为故障发生前限流电感中的电流；
ttrip为DCCB 动作时刻。根据式（3），换流站出口处故障电流峰值idc_p可表示为：

式中：Udc/R2表示经R2支路馈入故障点的故障电流；
Udcttrip/L表示经L支路馈入故障点的故障电流。

通常DCCB 在故障后约5 ms 即可动作，因此在限流过程中为便于分析，可以假设换流站直流侧电压维持在直流侧额定电压值UdcN不变。由式（4）可知，其等号右侧第一项会对故障电流峰值的大小产生影响，且可认为其为1 个常数值，等号右侧第二项对故障电流的上升速率起决定性作用。因此为减小R2对故障电流峰值的影响，保障直流故障限流器可靠限流，令：

式中：kp为比例系数，且kp＜1，表示经R2支路流通的故障电流与系统允许最大故障电流的比值；
Idc_max为保障换流站不闭锁允许流经换流站出口的最大电流值，可根据式（6）求得［14］。

式中：M为调制比；
cosφ为功率因数；
IdcN为额定直流电流值；
k1为换流站桥臂电流的过载系数，且k1＞1；
k2为换流站桥臂中所选IGBT 的额定电流与换流站桥臂额定电流的比值，且k2＞1。

根据式（5）及式（6）即可得R2需满足的条件为：

2.2 L参数设计

为避免故障后换流站闭锁，应将换流站出口故障电流峰值限制在系统允许最大电流值以下，即：

结合式（4）及式（6）整理可得，限流电感L需满足：

从故障限流的角度考虑，R2与L的取值应尽量大，但若R2与L的取值过大，则会对系统稳定性造成不利影响，本文第3 节中将对此进行详细分析，并给出取值具体确定方法。

本文采用±35 kV 柔性直流电网（参数见附录A表A1），将系统参数及DCCB 跳闸的时刻t=ttrip（本文中ttrip=5 ms）代入式（2）中的微分方程组求解，即可得到换流站出口故障电流峰值idc_p与R2及L取值之间的关系，见附录A 图A3。由数值计算结果可得，R2与L应满足：

2.3 R1参数设计

根据直流故障限流器的工作原理，在线路中DCCB 动作同时，晶闸管T 被导通，直流故障限流器进入故障清除阶段。此时L在限流过程中储存的能量将以环流的形式被R1与R2吸收。在理想状态下，忽略晶闸管的导通压降，此阶段的等效电路如图3所示。图中：icir为限流电感在直流故障限流器内部的环流；
UA为避雷器残压；
Req为R1与R2并联的等效电阻，Req=R1R2/(R1+R2)。

图3 故障清除阶段等效电路Fig.3 Equivalent circuit of fault clearing state

在故障清除阶段，假设断流过程中电流下降速率不变，则避雷器投入后，线路中的电流idc可以表示为：

由式（11）可得线路中电流由idc_p下降至0 所需的时间T为：

则避雷器投入后从换流站馈出的能量E1可表示为：

从DCCB 动作至直流故障限流器完成恢复的过程中，直流故障限流器电阻吸收的能量EReq可表示为：

故障清除阶段避雷器吸收的能量EM为［18］：

由式（14）、（15）可知，Req越小，电阻支路吸收的能量越多。而在R2取值确定的情况下，R1取值越小，Req越小。因此从故障电流清除的角度考虑，应尽可能减小R1，从而进一步减少避雷器所需吸收的能量，加快故障电流清除。

在直流故障限流器恢复阶段，限流电感中的续电流在电感与电阻构成的一阶RL回路中渐渐衰减，其衰减时间常数τ为L/Req。若电阻取值过小，则将延长直流故障限流器的恢复时间。若直流故障限流器无法在DCCB重合前恢复至初始状态，则将导致线路再次故障后直流故障限流器无法正常投入工作。在工程实际中，经过5 个衰减时间常数后即可认为RL 回路中的电流衰减至0。因此，为确保直流故障限流器在DCCB 重合前完成恢复，应当使限流电感中的续电流在DCCB重合前被电阻吸收至0，即：

式中：kt为可靠系数，且kt＜1。

根据式（16）可计算得到R1的取值需满足的条件为：

在上述参数设计方法的基础上，本节将从直流故障限流器的经济性和对系统稳定性影响2 个层面，对本文所提直流故障限流器与传统直流故障限流器（文献［16］）进行详细对比分析。

3.1 经济性对比分析

由于直流故障限流器拓扑中电力电子开关器件的成本远远高于其他元件，直流故障限流器的建设成本主要取决于拓扑中的电力电子开关器件的成本。因此可通过分析计算2 种直流故障限流器拓扑中所需的电力电子开关器件数量和成本判断直流故障限流器成本的高低。

3.1.1 直流故障限流器背侧故障短路电流计算

文献［16］针对在直流侧发生故障的情况下分析计算了其直流故障限流器拓扑中所需的晶闸管数量，但未考虑直流故障限流器换流站侧故障情况下晶闸管可能流过的最大电流。假设图1 所示的四端环形柔性直流电网中换流站S4出口处发生短路故障，故障后电流将通过背侧故障的直流故障限流器中二极管支路直接流向故障点。而对于装设在其他端口的直流故障限流器，故障电流经R2与L支路流通，使得线路中的故障电流能够被有效限制。根据文献［19］及本文直流故障限流器的配置方案，可得出其等效RLC 电路的计算模型，并列写基尔霍夫电压、电流矩阵方程组，求解得到换流站出口故障情况下注入故障点的故障电流值。受篇幅限制，具体计算方法见附录B。

3.1.2 电力电子器件的成本对比分析

根据文献［16］所提出的直流故障限流器在限流过程中的工作原理，在限流过程中，晶闸管组两端承受的电压UT满足：

在直流故障限流器直流侧发生短路故障的情况下，DCCB动作后流过晶闸管组的电流IT满足：

式中：If1—If4分别为接入直流故障限流器后换流站S1—S4直流出口发生短路故障情况下的故障电流峰值。

根据式（18）与式（19），可求得文献［16］所提出的直流故障限流器中需串联的晶闸管数量ks及所需并联的晶闸管数量kp应分别满足：

式中：VTN为所选晶闸管的额定电压；
ITN为所选晶闸管的额定电流。

根据改进混合式直流故障限流器的工作原理，在故障限流阶段电力电子开关两端承受的电压UPN需满足：

则拓扑中所需串联的晶闸管数量nsT与二极管的数量nsD需分别满足：

式中：VDN为所选二极管的额定电压。

在直流故障限流器直流侧发生短路故障情况下，拓扑中的晶闸管在被触发后始终承受反压，因此流过晶闸管的电流为0；
拓扑中二极管可能流过的最大电流为直流线路故障电流峰值idc_p。当直流故障限流器背侧发生故障时，直流故障限流器背侧换流站立即闭锁，故障电流经直流故障限流器中的3条支路共同馈入故障点，因此二极管中流通的最大电流IDmax满足：

式中：I′f1—I′f4分别为接入本文提出的改进混合式直流故障限流器后换流站S1—S4直流出口处发生短路故障情况下的故障电流峰值。

因此改进混合式直流故障限流器中需并联的二极管数量npD需满足：

式中：IDN为所选二极管的额定电流。

当DCCB 动作后，晶闸管中流过电流的最大值ITmax满足：

式中：iL1—iL4分别为接入改进型混合式直流故障限流器后换流站S1—S4直流出口故障时直流故障限流器中限流电感中流过的故障电流峰值，可在换流站出口短路故障电流计算过程中求得。

因此改进型混合式直流故障限流器中需并联的晶闸管数量npT需满足：

针对本文中图1 所示的四端环形柔性直流电网，在2 种直流故障限流器中选用T1081N65TOH 型号的晶闸管与D4600U45X172 型号的二极管。所选用晶闸管的额定电压为6.5 kV，额定电流为2.9 kA；
所选用二极管的额定电压为4.5 kV，额定电流为4.78 kA。经计算，为满足直流故障限流器中晶闸管的耐流及耐压需求，直流故障限流器中每组晶闸管并联数量为4，串联数量为11；
而在本文提出的改进混合式直流故障限流器中，减少了一组晶闸管，增加了一组二极管。经分析计算，为满足耐流及耐压需求，本文所提直流故障限流器中每组二极管并联数量为1，串联数量为16。经调研，对于本文中所选型号，单只二极管成本较晶闸管下降约27.7%。则最终计算可知，与文献［16］中限流器相比，本文所提直流故障限流器中电力电子器件总成本下降了36.8%，极大地降低了直流故障限流器的建设成本。

3.2 对系统稳定性影响对比分析

为了研究直流故障限流器的接入对系统稳定性的影响，本文对含直流故障限流器的MMC 电气及控制系统建立小信号模型。不同于等效于直流电抗的各类直流故障限流器，改进混合式直流故障限流器在系统正常运行时以1 个电阻与电感并联的形式接入系统。为分析其对系统稳定性的影响，需根据其等效电路模型建立相应的小信号模型并入系统中。

3.2.1 含改进型混合式直流故障限流器的MMC 系统小信号模型的建立

图4为接入改进混合式直流故障限流器的MMC拓扑结构。根据图4 可以建立含改进型混合式直流故障限流器的MMC直流侧的动态模型为：

图4 接入改进混合式直流故障限流器的MMC拓扑结构Fig.4 Topology of MMC with improved hybrid DC fault current limiter

根据式（28）可得含改进混合式直流故障限流器的MMC系统直流侧的动态模型为：

结合文献［20］中建立的MMC 动态模型及式（29），建立含改进混合式直流故障限流器的MMC 小信号模型为：

3.2.2 直流故障限流器接入对MMC 系统稳定性的影响

当系统状态空间矩阵中特征根的实部全部处于负半轴时，MMC 系统处于稳定状态。可以通过求解MMC 系统状态空间方程矩阵的特征根来判定系统的稳定状态。

在系统正常运行时，文献［16］中的直流故障限流器可等效为直接接入系统的直流电抗器，而本文所提出的直流故障限流器则以电阻与电感并联的形式接入系统。本文分别讨论了线路中接入2 种直流故障限流器情况下MMC 系统的稳定性以及改进型混合式直流故障限流器中R2值变化对系统稳定性的影响。

以±35 kV的MMC系统为例，在不同情况下空间状态矩阵中的特征根轨迹变化如图5所示。

图5 不同参数变化时的MMC小信号模型状态矩阵根轨迹Fig.5 Root loci of MMC small-signal model state matrix with different parameters

图5（a）为MMC 直流侧分别接入等效于常规直流电抗的各类直流故障限流器与本文所提直流故障限流器2 种情况下不稳定模态的根轨迹。其中，直流故障限流器中电感值由0.01 H 变化至0.1 H，步长为0.002 H。由计算结果可看出，当电感值较小时，接入2 种直流故障限流器情况下，状态矩阵中不稳定模态的特征根实部均为负值，即MMC 系统能够保持稳定。然而，随着电感值的增加，2 种情况下特征根的实部均逐渐向正半轴移动。接入等效于常规直流电抗的各类直流故障限流器的情况下特征根实部将逐渐进入正半轴，而接入改进型混合式直流故障限流器的情况下特征根实部始终位于负半轴，说明随着L值的不断增大，接入等效于常规直流电抗的各类直流故障限流器的MMC 系统将渐渐失稳，而接入改进型混合式直流故障限流器的MMC 系统能够始终保持稳定。

图5（b）展示了直流侧串联改进型混合式直流故障限流器的情况下，L取0.075 H 时，R2由50 Ω 变化至500 Ω（步长为1 Ω）时不稳定模态的根轨迹。由计算结果可以看出，随着R2的增大，不稳定模态特征根的实部逐渐向正半轴移动，当R2逐渐增加至大于300 Ω 时，不稳定模态的根轨迹进入正半轴，说明混合式直流故障限流器改进拓扑中R2取值不宜过大，否则特征根实部将逐渐由负变正，造成系统失稳。但是，需要指出的是，在本文分析的案例场景中，为确保故障限流作用，R2只需大于40 Ω。由小信号分析可知，在该情况下R2能够有效保障系统的稳定性。而且，为了尽可能提升限流作用，R2可以在一定程度上大于下限值（本文分析算例中为40 Ω）。

为验证本文所提改进混合式直流故障限流器的限流效果及参数设计合理性，在PSCAD／EMTDC中搭建如图1 所示的四端中压直流环网，仿真参数见附录A表A1。

4.1 限流效果的仿真验证

在仿真算例中考虑一定的裕度，改进混合式直流故障限流器的参数取为L=0.075 H，R2=100 Ω，R1=10 Ω。假设故障发生在t=2 s，DCCB 在故障后5 ms动作切除故障。

4.1.1 直流故障限流器直流侧故障

假设图1所示的四端MMC直流系统中f1处发生双极短路故障，图6 中展示了系统无任何限流措施、装设改进混合式直流故障限流器以及直接在线路中串联限流电感3 种场景下故障线路电流Iline1、换流站S2出口电压Udc2与换流站S2有功功率P2的仿真结果。

图6 含改进混合式直流故障限流器与无限流情况下直流侧故障仿真结果Fig.6 Simulative results after DC-side fault with improved hybrid DC fault current limiter and without limit situation

如图6 中无限流情况波形所示，当柔性直流电网中没有限流措施时，直流线路故障电流在发生故障以后快速上升，在DCCB 跳闸以前，线路1 中直流电流过流峰值达到42.7 kA，换流站出口电压迅速下降至0，可能会造成整个系统的崩溃。需要指出的是，本算例中为了完整展示过流程度，并未设置MMC 的闭锁环节。在工程实际中，当线路中的过流超过换流站可承受最大电流值后，换流站将快速闭锁，导致换流站退出运行。

不同的是，装设改进混合式直流故障限流器以后，直流侧发生短路故障后，在DCCB 动作跳闸时的直流线路中的最大故障电流峰值可被限制至6.3 kA，且换流站出口电压在故障后最低下降至57.5 kV，可有效避免换流站的闭锁及整个系统电压的崩溃。

在故障清除阶段直接在线路中串联限流电感的情况下，线路中的故障电流在DCCB 动作后约4.5 ms下降至0，而在线路中接入改进型混合式直流故障限流器的情况下，线路中的故障电流在DCCB动作后约13 ms 下降至0。与直接在线路中串联限流电感的传统方法相比，改进型混合式直流故障限流器能够在DCCB 跳闸的同时导通晶闸管，将限流电阻旁路，使故障清除时间减少约65%，有效提高了故障清除速度。

4.1.2 直流故障限流器背侧故障

假设图1 所示四端MMC 柔性直流电网中的f2处发生双极短路故障，观测各换流站出口电流及DCCB 中消耗能量，如图7所示。根据改进型混合式直流故障限流器的工作原理，当FCL4背侧发生故障以后，换流站S4闭锁，直流线路中的故障电流由装设在未闭锁换流站出口的直流故障限流器FCL1—FCL3进行限制。

图7 改进混合式直流故障限流器背侧故障仿真结果Fig.7 Simulative results after back-side fault of improved hybrid DC fault current limiter

由图7（a）所示仿真结果可见，故障后改进型混合式直流故障限流器能够将换流站S1—S3出口的故障电流峰值限制在系统允许的最大电流值Idc_max以下，以保障系统中换流站S1—S3不发生闭锁。由此说明，装设在无出口短路故障换流站端口的直流故障限流器能够保障其背侧换流站的可靠故障穿越，避免功率传输的中断。图7（b）、（c）分别展示了直流故障限流器在换流站侧故障后投入晶闸管T 与不投入晶闸管T 这2 种情况下换流站S4出口电流IS4波形以及DCCB 在断流过程中避雷器吸收的能量。需要指出的是，图7（b）中，在不投入晶闸管的情况下，二极管中电流于2.0068 s下降至0，此时电感中剩余能量无法继续被电阻R1吸收。2 组仿真对比数据如表1所示。

表1 晶闸管T对故障清除阶段的影响Table 1 Influence of Thyristor T on fault clearing stage

由表1中的仿真结果可知，与不投入晶闸管T相比，投入晶闸管T 后故障清除时间缩短了43%。这是由于在不投入晶闸管T 的情况下，二极管中的电流在DCCB 中避雷器残压的作用下迅速下降至0。当二极管中电流下降至0 后，若不触发导通晶闸管T，则R1支路不再对L起到旁路作用，导致电流下降速率变缓，从而延长故障清除时间。根据表中2 种情况下DCCB 吸收能量的对比可知，投入晶闸管T后，DCCB 在断流过程中避雷器所需吸收能量与不投入晶闸管T 的情况相比减少了57%。显然，直流故障限流器在投入晶闸管T后能够利用R1吸收电感中储存的故障能量，进而降低DCCB 中避雷器的耗能需求。

4.2 稳定性影响对比仿真验证

设换流站S2的有功功率为70 MW，假定在t=3 s的时刻换流站S2的有功功率值阶跃变化为35 MW，即发生50%的阶跃变化。图8为换流站S2发生功率波动后系统中分别接入常规直流故障限流器（限流电抗或文献［16］等直流故障限流器）与本文所提出的改进型混合式直流故障限流器2 种情况下换流站S2的直流电压Udc2、直流电流idc2及接入常规直流故障限流器的桥臂电流Iarm1与接入改进混合式直流故障限流器的桥臂电流Iarm2的仿真结果。根据图8 可以看出，当系统中发生功率波动后，常规直流故障限流器的换流站出口电压、母线电流及换流站桥臂电流会发生振荡，这是由于在系统正常运行时，直流故障限流器中的限流电感始终接入线路中，导致系统的稳定性被破坏。

图8 含常规直流故障限流器与改进混合式直流故障限流器的系统功率波动仿真结果Fig.8 Simulative results after power flow change with conventional DC fault current limiter and improved hybrid DC fault current limiter

本文所提出的改进型混合式直流故障限流器在系统正常运行时，以限流电感与电阻并联的形式接入系统。在系统发生功率波动时，换流站出口电压、电流以及换流站中的桥臂电流能够迅速恢复稳定。图8 中的仿真结果充分证明，本文所提出的改进型混合式直流故障限流器能够有效避免限流电感的直接接入对系统稳定性造成的不良影响，在系统发生功率突变以后提高暂态响应速度，防止系统发生振荡。

本文提出了一种改进型混合式直流故障限流器，并讨论了该直流故障限流器的参数设计方法。在直流故障限流器直流侧发生故障后，所提直流故障限流器中的限流电感与电阻共同投入，实现无延时限流；
在直流故障限流器背侧发生故障以后，故障电流由对端换流站出口的直流故障限流器进行抑制，同样能保证系统的故障穿越。与典型直流故障限流器相比，本文所提方法以二极管替换部分晶闸管，在系统层面保证故障限流作用的前提下，有效降低了直流故障限流器配置数量以及直流故障限流器自身所需的晶闸管数量，从而降低了造价成本和控制复杂度。此外，小信号分析与仿真均表明，本文所提直流故障限流器在限流电感两端并联大电阻以后，能够有效消除限流电感对柔性直流电网暂态响应速度和运行稳定性的不利影响。

附录见本刊网络版（http：//www.epae.cn）。

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