固态电力电子技术是FACTS(DFACTS)技术发展进程中具有前瞻性的电力前沿技术，固态变电站(Solid-State Substation)可以理解为:采用基于新型电力电子器件的固态电力电子技术、FACTS(DFACTS)技术，通过电力电子控制器、固态电流限制器(Solid-State Current Limiter,SSCL)/固态故障电流限制器(Solid-State Fault Current Limiter,SSFCL)、固态断路器(Solid-State Circuit Breaker, SSCB)/固态切换开关(Solid-State Transfer Switch, SSTS)等电力电子设备实现灵活控制和操作的变电站，使固态变电站成为未来输电系统与配电系统之间的动态“控制点(point-of-con-trol )”的无缝接口。

1固态变电站技术原理与特点

    未来的固态电力电子变电站设备可包括通用的配电变压器或未来的全固态配电变压器、固态电流限制器和各种静止无功补偿器(SVCs)及FACTS设备，通常此类设备实现高电压下的大电流快速切换：预期该变电站的光电电压/电流测量设备将替代铁心充油设备，运行于美国电力研究院(EPRI)制定的变电站和馈线设备通信协议体系UCA ( Utility Communication Architecture)下的局域网链接全电子继电器及量测设备、计算机和电子屏。未来的固态变电站尤其需要按通行的电磁兼容(EMC)标准进行配置。

1.1电力电子控制器

    固态变电站的电力电子控制器目前还在开发之中，在固态变电站中可通过采用各种不同的电力电子技术来提高电能质量，减少瞬时停电、电压突降/突升和谐波等：通过提高运行上的灵活性，电子控制能力可提高物理上或控制上的安全性，缓解电网的拥堵，良好的可控性会减少输电级、变电站级和配电级的电能损耗。

1.2故障限流器(FCL)

    随着电力系统容量的不断增大，电网的短路电流水平也迅速提高，对电力系统安全稳定运行提出了更严格的要求。采用高阻抗设备、加装限流电抗器、母线分段运行等传统的限流措施都是以增加设备成本和降低系统稳定性为代价换来的。随着大功率半导体器件、电力电子技术、高温超导技术和新材料等的发展，各种新型限流装置不断涌现，限制短路电流以减轻断路器开断负担已成为可能。故障限流器FCL应对电力系统的正常运行无影响，一旦发生故障能够立即限制短路电流，理想的限流器应满足如下要求:

    能够限制故障电流的第1个峰值；能够限制稳态故障电流；正常状态下低阻抗、低功率损耗；限制故障电流后快速恢复低阻抗状态；动作时不产生过电压；不影响电力系统原有的自动装置及保护装置的正常动作：能够与常规的电力设备一样具有高可靠性和长的使用寿命。

    目前，故障限流器发展的二个主要方向，一是基于电力电子技术和固态电力电子技术的FCL,具有良好的动作特性，能通过复杂的控制线路将限流和无功补偿甚至潮流控制等融为一体，这类故障限流器的优势在于灵活可控，与FACTS技术相结合有向多功能化发展的趋势；二是基于超导体超导态/正常态(S/N)的转换原理的超导FCL(SFCL)，主要用超导体的失超特性实现短路电流的限制，其优点在于限流作用的启动不依赖于其他控制线路，电流的增大就是超导体失超的命令信号；超导限流器本身失超后给短路系统引人的电阻不同于引人的电感，不仅有利于限流，也有利于对发电机的制动。

    (1)固态电流限制器(SSCL)/固态故障电流限制器(SSFCL)

    未来固态变电站中基于固态电力电子技术的固态电流限制器(SSCL)/固态故障电流限制器(SSFCL)，在一旦发生故障时能减少许多其他部件的故障电流，从而提高其自身的故障限流值，还能在几ms内启动电流限制来提高无故障线路的电能质量，并在第1个电流等于零时清除故障，在试验确认线路故障排除后，并在故障线路上为每一相的合闸选择恰当时间(定时)，几乎在无瞬态的情况下重合闸；如果故障电流大，固态回路能在1 ms内触发电流限制，可确保线路不会遭遇预期的第1个电流峰值。

    (2)超导故障限流器(SFCL)

    随着20世纪80年代后期超导材料的发展，出现了超导故障限流器。利用超导材料制成的限流器在正常运行情况下阻抗几乎为零，当系统因为故障出现的电流大于其临界电流时，超导体产生较大阻抗，从而限制了短路电流，从超导到失超要在1 ms左右内完成。

    SFCL具有损耗低、能自动触发、自动复位、可多次动作等特点，目前，SFCL已经有许多类型，根据结构特点可分为电阻型、桥路型、磁屏蔽型、变压器型、饱和铁心型、三相电抗器型等；按照不同的限流方式，可分为电阻型、电感型以及电阻-电感型；此外，根据是否利用超导体的失超特性限流，又分为失超型和非失超型。随着灵活交流输电(FACTS)技术的发展，超导技术与电力电子技术相结合，使得SFCL在输配电网的应用研究成为21世纪电网技术发展的前沿课题之一。

1.3固态断路器《SSCB )/固态切换开关(SSTS)

    随着配电网容量的日益增大，系统的短路容量也持续增加，这对电网原有的和将投运的开关设备的开断能力都提出了更高的要求。同时，随着用户对供电质量要求的不断提高，如何快速切除短路电流以抑制故障期间电网电压的跌落显得尤其重要。现有的传统机械式断路器因受其自身物理结构的制约，其开断容量很难有大幅度提高，且动、静触头分开时引起的电弧延长了故障电流切除时间，使之难以满足一些电力用户对故障电流开断的速动性要求，因此如何限制、迅速开断故障电流显得日趋重要。

    基于功率半导体开关器件的固态断路器/固态切换开关(SSCB/SSTS)因其卓越的电流关断性能使其自问世以来便引起广泛的关注。SSCB/SSTS是基于固态电力电子技术和FACTS(DFACTS)技术实现对电力系统参数和网络结构快速、灵活、准确控制的关键设备，也是保障现代电力系统安全、可靠运行的重要设备。随着易于串并联、驱动功率小的大功率电力电子器件的出现，SSCB/SSTS的关断容量有望得到较大的提高；随着基于新型碳化硅(SiC)等材料的功率半导体器件制造技术的不断发展，大功率SSCB/SSTS的通态损耗问题也将得到有效解决。SSCB/SSTS可以提高开断速度，提高稳定性；能够准确控制开关时刻，选择在电流过零时动作，降低过电压；在两个互为备用的馈线端都采用SSCB/SSTS，就可在任一馈线故障时，将停电或异常时间限制在1周波之内，可保证对敏感用户的供电。

    固态变电站中的固态断路器采用的新型电力电子器件主要是采用集成门极换流晶闸管(IGCT)、发射极关断晶闸管(ETO),MOS控制可关断晶闸管(MTO)、碳化硅(SiC)、金刚石(Diamond)等制成的大功率半导体开关器件。其中，碳化硅基片不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高的特点，可以作为大功率开关器件用来制造固态断路器：金刚石和类金刚石碳(DLC)基片具有高热导率、低的热胀系数、高电阻率、低的介电常数和很高机械强度的特点。利用碳化硅基片或金刚石、类金刚石碳基片作为大功率开关器件制成的固态断路器将具有很高的控制大电流能力，可保护用户免遭停电和其他电能质量问题的干扰，而且大大提高电网控制的灵活性。

2固态电力电子技术的研发和应用

    基于固态电力电子技术的固态变电站还处于研究开发阶段，美国电力研究院(EPRI)于2006年开始研究开发基于先进电力电子技术的固态变电站，包括固态变电站的电力电子控制器、固态电流限制器/固态故障电流限制器(SSCL/SSFCL),固态断路器(SSCB )、全固态配电变压器、多功能低成本固态开关群、配电故障预测器等电力电子设备的开发，使固态变电站无缝成为未来输电系统与配电系统之间的动态“控制点”接口，以迎接未来输电系统的挑战，但固态变电站的应用尚需时日。

    对于故障限流器，国外对电力电子FCL和超导FCL的研究较多，已有实用化、商业化成果。1993年初，美国军事电力中心研制了由GTO构成的固态限流器，工作电流为800A。1995年EPRI与西屋公司合作，制造出1台短路限流装置(13.8 kV/675 A )，并在PSE&G的变电站投入运行。日本东北电力公司及日立公司研制了DCLD ( Distribution Current Limiting Device)限流装置，并进行了试验研究。20世纪90年代末，ACEC-Transport和GEC-Alsthom共同开发并已商业化生产了交直流两用的混合式故障限流器。对于超导限流装置，日本于1992年用NbTi制备了200 V/13 A的三相电抗型超导限流器，并在试验中证实它可以有效地限制单相短路电流。1994年，ABB公司研制出1.2 MVA的限流装置，并于1996年成功投入实际应用。1999年，俄罗斯研制出1台三相饱和铁心电抗器型SFCL样机，它能将110 A左右的短路电流限制在30 A以内。2000年，日本研制了6.6 kV等级的桥路型高温SFCL，能将12.5 kA的短路电流限制到1.2 kA。目前引人注目的一个研究项目是美国通用原子公司GA等6家公司的联合研制的容量达15 kV/1 200 A的SFCL，且已经在某变电站投入使用。

    我国也开展对各种限流装置的研究，并取得了一定的进展。华中科技大学研究的基于串联补偿的FCL使用了真空触发空间隙或高速斥力机构操作的合闸开关，具有动作时间快、成本较低的优点。华东冶金学院提出了无损耗电阻器(LLR)型短路限流器：浙江大学提出了一种固态短路限流器并都进行了较深入的研究。目前中国科学院电工研究所与北京开关厂、北京紫微星实业有限公司等合作开展了7.2kV/400 A和20 kV/1.5kA高温超导限流装置的研制，2002年3月，已成功研制出了1台400 V/25 A的样机，其短路电流缩减率达到了80%。同时，东北大学物理系也开展了屏蔽型高温超导限流装置研究，并完成了1台实验室样机。华中科技大学研制了1个小型屏蔽型高温超导限流器，在此基础上开展了超导限流器的实用化研究。其余国内的研究大多停留在对超导限流器的理论分析和仿真上。

    对于固态断路器，美国西屋电气公司研制成功的强迫空冷户外式SSCB (13.8 kV, 675 A)于1995年2月安装于美国新泽西州 PSE&G变电站运行。与故障电流限制器FCL组合，其中固态断路器(SSCB )的门极可关断晶闸管(GTO)回路额定电流为675 A，通过硅整流管(SCR)的故障电流为8 kA： EPRI已开发出由碳化硅(SiC)晶体制成的大功率开关，可承受1 750 V电压和250 A电流，可耐受结温高达139度。

    尽管10多年来国外对高压固态断路器的研制取得了较大的突破，并有实际的工程应用，但因受到固有缺点的制约，迄今固态断路器尚未广泛应用。

3小结

基于固态电力电子技术的固态变电站及其电力电子控制器、固态电流限制器/固态故障电流限制器(SSCL/SSFCL )、固态断路器(SSCB )、全固态配电变压器的研究和开发，可提高电能质量，减少瞬时停电、电压突降/突升和谐波等的影响，提高电网控制的灵活性提供了广阔的应用前景。