（电气工程专业论文）桥路型高温超导限流器的研究.pdf

摘要 本论文以桥路型高温超导限流器为研究对象，进行了限流理论和限流器电路拓扑 研究，研制了一台三相实验室样机，成功地进行了各种短路故障限流实验和限流器 对电网保护实验研究。 本论文主要研究内容及成果如下： 一、桥路型高温超导限流器限流理论和电路拓扑研究。设计了三种桥路型高温超 导限流器电路拓扑互感型、l c 谐振型和放电型高温超导限流器电路拓扑，并对 这三种限流器和阻抗辅助型限流器进行了限流原理分析、仿真建模以及限流器参数 优化等的研究，为实验室样机和示范样机的研制提供了理论依据。 二、新型桥路型高温超导限流器( 即阻抗辅助型) 的控制方法研究。限流器的控 制方法，即限流电阻的投切控制方法。在研究反馈量特点的基础上，设计了三种比 较控制算法单值比较控制法、滞回比较控制法和带预测的比较控制法，并分析 了限流器的控制调节作用和自调节作用的关系，为限流器的控制器研制和实现限流 控制建立了理论基础。 三、新型桥路型高温超导限流器样机研制。目的是将限流器样机开发成为一个集 故障触发、限流为一体的多功能实验平台。进行了限流器的电力电子子系统、检测 子系统、控制器、低温与超导磁体子系统等几部分的硬件开发和控制器软件开发， 以提高限流器的可控性和可操作性。根据样机的设计参数进行了超导磁体电感和电 网电流畸变率的关系、故障响应时间和故障电流第一峰值的关系、限流电阻和限流 器故障稳态限流能力的关系等的仿真研究。迸一步证明系统设计的合理性。 四、新型桥路型高温超导限流器的实验研究。单次故障限流实验，验证了限流 器对各种短路故障的动态响应能力，验证了限流器既能限制故障电流暂态峰值、又 能限制故障电流稳态值的电阻、电抗共同限流特性。二次连续故障限流实验表明限 流器具有自动重合闸能力，能够及时响应二次连续短路故障和多次连续短路故障。 该限流器用于电力系统动模实验，实验结果表明该限流器能够限制各种电路故障电 流，能够与继电保护装置有效配合和实现母线限流保护。 关键词：高温超导限流器，整流桥，控制器，电力系统，a r m ，继电保护 a b s t r a c t b r i d g et y p eh i g h t cs u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( h t s f c l ) i s d e t e r m i n e da st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r , i nw h i c ht h el i m i t i n gp r i n c i p l e i se x p l o r e d t h e o r e t i c a l l ya n dk i n d so fc i r c u i tt o p o l o g i e s o fb r i d g e t y p e h t s f c la r ee s t a b l i s h e d a3 - p h a s eb r i d g e t y p eh t s f c lp r o t o t y p ei s d e s i g n e di nl a b b yw h i c hs h o r t - c i r c u i tf a u l tl i m i t i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e n d o n es u c c e s s f u l l yt h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t h r e ek i n d so ft o p o l o g i e so fb r i d g et y p eh t s f c l m u t u a l i n d u c t o r t y p e ，l cr e s o n a n c et y p ea n de l e c t r i cd i s c h a r g et y p eh t s f c lw i t hd i f f e r e n t s t r u c t u r e sa n dd i f f e r e n to p e r a t i o np r i n c i p l e s ，h a v eb e e nd e s i g n e d ，b yw h i c h t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e sa r ea n a l y z e d ，a n ds i m u l a t i o nm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d ， a n dt h em a i np a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d t h ec o n t r o lm e a n so fn o v e l b r i d g et y p e h t s f c l n a m e l y r e s i s t o r - a s s i s t a n tt y p eh t s f c l ，a r ep r e s e n t e d ，i nw h i c ht h ec o n t r o l l a b l e l i m i t i n ge l e m e n ti sn o tas u p e r c o n d u c t i n gc o i l b u tar e s i s t o r w i t hd i f f e r e n t f e e d b a c kc u r r e n t so rv o l t a g e s ，t h ec o n t r o la l g o r i t h m ，s u c ha ss i n g l ev a l u e r e l a t i v ec o n t r o la l g o r i t h m ，h y s t e r e s i sc o n t r o la l g o r i t h ma n dp r e d i c t e dr e l a t i v e c o n t r o la l g o r i t h m ，a r ee s t a b l i s h e dt om e e tt h ed e m a n d so fv a r i o u sv o l u m e h t s f c l t h ef u r t h e rr e s e a r c hi sa b o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t r o l l a b l e r e g u l a t i o nf u n c t i o na n ds e l f - a d ju s t m e n tf u n c t i o no ft h eh t s f c l t h eh t s f c lp r o t o t y p eh a sb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e db o t hi n h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei no u rl a b w h i c hi n t e g r a t e st h ef u n c t i o n so fb o t h s h o r t c u r r e n tf a u l tt r i g g e r i n ga n df a u l tl i m i t i n g t h eh t s f c li sc o m p o s e do f p o w e r e l e c t r i c a l s u b s y s t e m ，d e t e c t i o ns u b s y s t e m ，c o n t r o l l e r , h ig h t c s u p e r c o n d u c t i n gc o i l sa n dc r y o g e n i cs u b s y s t e m a sar e s u l t ，t h eh t s f c li s m o r ec o n t r o l l a b l ea n do p e r a b l et ou s e b a s e do nt h ed e s i g n e dp a r a m e t e r so f t h ep r o p o t y p e ，t h ed e s i g nr a t i o n a l i t yh a sb e e nc o n f i r m e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s ， w h i c hi n c l u d et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u p e r c o n d u c t i n gc o i l i n d u c t a n c ea n d t h et h do ft h el i n ec u r r e n t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef a u l tr e s p o n s et i m e a n dt h ef i r s tp e a ko ff a u l tl i n ec u r r e n t ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a l u e o fl i m i t i n gr e s i s t o ra n dt h ef a u l tc u r r e n ti ns t e a d ys t a t e e x p e r i m e n t s o ft h eh t s f c lh a v eb e e nd o n es u c c e s s f u l l ya s i n g l ef a u l t l i m i t i n gt e s t i n gc i r c u i ti sd e s i g n e dt ov a l i d a t et h er e s p o n s ec a p a b i l i t yo ft h e h t s f c lt ov a r i o u ss h o r t c u r r e n tf a u l t sa n ds h o w st h a tt h eh t s f c lc a nl i m i t b o t ht r a n s i e n ta n ds t e a d y s t a t ef a u l tc u r r e n t a ni n t e r m i t t e n tf a u l tl i m i t i n g t e s t i n g c i r c u i th a ss h o w nt h e q u i c kl i m i t i n gp e r f o r m a n c et ot w o t i m e i n t e r m i t t e n tf a u l t ，a n da l s oc o n f i r m e dt h ea u t o r e c l o s ef u n c t i o no ft h e h t s f c l t h eh t s f c lp r o t o t y p eh a sb e e nu s e dt oi nd y n a m i cs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s ，i n w h i c ht h ef u n c t i o n so fl i m i t a t i o nt ov a r i o u sf a u l t s ， c o o p e r a t i o nw i t hr e l a yp r o t e c t i v ed e v i c ea n dp r o t e c t i o no fp o w e rb u sa r ea l l v a l i d a t e d k e y w o r d s ：h i g h t cs u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r , r e c t i f i e r , c o n t r o l l e r , p o w e rs y s t e m ，a r m ，r e l a yp r o t e c t i o n 出站报告说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我本人在合作导师指导下进行的研 究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获 得中国科学院电工研究所或其他研究教育机构的学位论文所使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明 确的说明并表示了谢意。 签名1日期：! 圭翌乡：甲! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留、论文使用的规定， 即：电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 电工研究所可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。( 保密的论文在解码后也遵循此规定) 1 绪论 1 绪论 随着高温超导材料技术的迅速发展，超导电力应用已经成为一个热门话题，高 温超导故障限流器衄g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，简称 h t s f c l ) 的研究在世界范围内已引起广泛的关注。高温超导限流技术是一种高新技 术，它是高温超导技术、电力电子技术、计算机技术和新材料等发展的结晶。高温 超导限流技术利用超导体的超导正常( s n ) 态的转变，即由无阻态变到高阻态的 特性，或利用超导体在超导态时零阻抗、且传输电流密度大的特点，利用其它方式 进行状态转换，来实现限制短路故障电流的目的。同时，高温超导体具有体积小、 重量轻、损耗低和传输容量大的特点，成为电力应用和发展的一个重要方向。高温 超导限流技术是超导电力应用的关键技术之一，具有广泛的应用前景【l - 3 。 1 1 电力系统发展现状 随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电力系统的不 断发展，单机和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加，就使得 电力系统之间互联，各级电网中的短路电流水平不断增长。为了保证稳定、安全的 输送大容量和高质量的电能，就要求电网内各种电器设备，如断路器、变压器、互 感器以及变电站的母线、构架、导线、支撑瓷瓶等，必须满足短路电流水平提高所 带来的更苛刻的要求1 4 引。 通常限制短路电流的措施可从电力网结构、系统运行方式和设备三方面考虑。 在电网结构方面：往往采取高一级电压或采用直流联网等均可控制系统短路电流水 平。在系统运行方式方面：对具有大容量机组的发电厂采用单元接线；对环形供电 网络可以左环网中穿越功率最小处开环运行；在降压变电所中可采用多母线分列运 行或母线分段运行。这两种方法都需要极其昂贵的改造费用。在设备上采取措施： 采用高阻抗变压器、分裂电抗器、分段电抗器和出线电抗器等，这种措施会导致电 压降和网络损耗增加，并降低电力系统运行的稳定性。为了保证电力系统安全稳定 运行，快速限制短路电流水平就成为当前电力系统极其紧迫的问题。超导技术的应 用将有利于各种电气设备的小型化、轻量化和高效化，有效地限制由于系统扩大而 增加的短路电流，解决由于远距离、大容量输电而引起的系统稳定性问题，实现高 可靠性和高密度输电，并可迅速有效地平衡峰值负载，降低电网的造价和改造费用。 随着灵活交流输电技术( f a c t s ) 的发展高温超导故障限流器的电力应用研究已经成 为f a c t s 技术的主要研究课题之一1 6 ，7 。 中国科学院电工研究所博士后研究工作报告 1 2 超导限流器发展现状 在过去的十几年里，基于超导技术、电力电子技术、计算机技术、新材料等的 快速发展，超导限流器在理论研究和工程实践方面都有了突破性的进展。美国、德 国、日本、法国、瑞士、加拿大和中国等都在开展超导故障限流器的研究工作并取 得了成功。 英国于1 9 8 2 年提出设想并试制了3 妯竹6 6 a 的饱和铁心型s f c l 样机。澳大利亚 w o l l o n g o n gu n i v e r s i t y 的超导和电子材料中心及u n i v e r s i t yo f n s w 电力系在1 9 9 4 年完 成了2 0 v 2 a 的h t c s f c l 概念设计，并于1 9 9 7 年研制出套银陶瓷h t c 线材，应用该线 材研制了饱和铁心型h t c s f c l ，在6 9 k v 电网上的实验结果证明，其能有效地抑制故 障电流嗍。 桥路型s f c l 的概念是美国的l a n l 和西屋电力公司在1 9 8 2 年提出的【9 】，并在1 9 9 4 年由l a n l ，a s c ，l m c 完成了1 2 v 3 2 a 桥路型s f c l 模型。他们进一步合作，在1 9 9 5 年1 9 9 7 年用b i 2 2 2 3 a g 分别研制了2 4 0 v 2 k a ，2 4 k v 3 k a 桥路型h t s f c l ：并于 19 9 8 年开始研制了15 k v 2 0 k a 桥路型h t s f c l t m l 2 j 。 1 9 9 3 年，法国研制7 2 k v r m s 1 k a r m s 3 k a p e a k 的电阻型s f c l ，1 9 9 5 年又成功地实 验了4 0 k v r m s 3 1 5 a r m s 1 1 b 郇e a l 【的实验样机【1 3 】，1 9 9 8 年，法国s c h n e i d e re l c t r i c 公 司提出用超导块材研制电阻型s f c l 的设想【1 4 1 。1 9 9 5 年，日本成功地实验了6 6 k v 2 k a 的电阻型s f c l 模型机【”l 。德国西门子公司和加拿大h y d r oq u e b e c 合作研制成功了用 y c b o 作材料的1 0 0 k v a 的电阻型s f c l ，研制1 0 a 电阻型s f c l 于2 0 0 1 年进行电网 实验【1 6 】。 ： 法国g e ca 1 s t h o m 于1 9 9 2 年研匍 t 6 3 k v ( 有效值) 1 2 5 k a ( 有效值) 5 3 k a ( 峰值) 的 变压器型s f c l e 1 7 1 ，实验证明短路电流被限制在3 5 0a 以下，在1 9 9 4 年根据传统的跳 开重合路开( o c o ) 操作规程，又研制了15 0 v 5 0 a 变压器型s f c l 模型【1 8 1 ，解决了快 速恢复超导性问题，并降低了占总损耗大部分的电流引线损耗。 1 9 9 5 年，g e 公司认为用b i 系列h t c s 圆筒来研制磁屏蔽型s f c l 是比较好的方案 【1 9 】，瑞士a b b 公司最早从事磁屏蔽型高温s f c l 的研究，并在1 9 9 4 年研制出1 0 0 k w 限 流器模型，1 9 9 6 年研制成准商业化的1 2 m v a 三相s f c l ，并在瑞士的一个水电厂成 功地进行了1 年的试运行1 2 0 ，以色列于1 9 9 5 年在3 8 0 v 电网上实验了l k v 2 5 a 的样机 【2 1 1 ，日本于1 9 9 7 年实验了6 6 k v 4 0 0 a 的磁屏蔽型s f c l 。 日本s e i k e iu n i v e r s i t y 和c e n t r a lr e s e a r c hi n s t i t u t eo fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y 于19 9 2 年用n b t i 线制备了2 0 0 v 1 3 a 的三相电抗器型s f c l 并进行了电网实验，它可以有效地 限制单相短路电流【2 2 1 。 我国在s f c l 方面的研究也有了很大的进展，虽然，由于超导材料方面的限制， 在s f c l 的研究与开发方面起步较晚。中国科学院电工研究自1 9 9 5 年以来，开展了超 2 1 绪论 导限流器的研究，于1 9 9 7 年在国家超导联合中心支持下，开始研制l k v 1 0 0 a 桥路 型s f c l ，已完成了电路的初步设计，并用n b t i 线绕制了内径1 4 2 m m 、外径1 5 8 h m m 、 高2 7 7 m m 的磁体。提出了一种新型高温超导限流器的原理零序阻断型高温超导 限流器。这一新型的高温超导限流器能克服目前国际上流行的桥路型、磁屏蔽型和 饱和电抗器型超导限流器的缺点，而同时又具备桥路型反应速度和恢复速度快的优 点。2 0 0 1 年6 月，成功研制出一台4 0 0 v 2 5 a 的新型混合型三相高温超导限流器样机 【2 3 1 。东北大学在国家自然科学基金的资助下开展了感应型s f c l 的研究工作。华中科 技大学( 原华中理工大学) 研制过一个小型的屏蔽型高温s f c l 模型，在此基础上将开 展s f c l 的实用化工作。 随着灵活交流输电技术和超导技术的发展，超导限流器在输配电网的应用研究 已成为2 1 世纪电网技术发展的前沿课题之一。特别是高温超导故障限流器在电力系 统中具有广阔的应用前景。 1 3 超导限流技术简介 s f c l 的分类方式很多，从其组成结构和工作原理来分，可分为电阻型、变压器 型、磁通锁型、混合型、磁屏蔽型、无感电抗器型、饱和铁芯电抗器型、三相电挠。 器型、谐振型和桥路型等。 1 3 1 电阻型 电阻型s f c l 如图1 3 1 所示，是利用交流超导体从超导态向常态( 商阻) 快速转变 原理来限制电力系统的故障电流，其转变时间为百微秒级。超导电阻可以直接串入 电路，或者与限制线圈或限制电阻并联串入电路。限制线圈可以是常规的，也可以 是失超电流比触发线圈高得多的超导限制线圈，在限制期间不会失超。正常运行期 间，触发线圈处于超导态，由其交流损耗和漏感决定的阻抗很小，线路电流全部通 过触发线圈。在故障情况下，短路电流很快超过触发线圈的临界电流，触发线圈瞬 间变为常态，出现高阻，电流被转换到限制线圈或限制电阻中去，从而限制了故障 电流。电阻型s f c l 具有结构简单、响应时间快、电流过载系数低和正常运行压降低 等优点，但是由于大电流交流n b t i 绞缆在制造中有难以解决的机械和热问题，及其 恢复时间长，至今其额定有效值电流还未超过2 k a l 2 4 - - z 6 1 。 3 中国科学院电工研究所博士后研究工作报告 i t 广一一一l 一一，。一 ： r 1 3 2 变压器型 图1 3 1 电阻型s f c l 的结构图 变压器型超导故障限流器如图1 3 2 所示，其原边绕组与输电线串联，副边超导 绕组s c 短接。正常运行时，变压器因副边绕组短路而表现出低阻抗，因此只有很低 的电压降。发生短路故障时，变压器副边绕组的感应电流超过超导电感s c 的临界电 流而“失超 ，瞬间变为大阻抗，使变压器阻抗增大，从而限制故障电流。变压器 型超导故障限流器的超导电感不需要电流引线，低温损耗较少。变压器型限流器的 超导电感不需电流引线，简化了相关结构，降低了低温损耗。同时，基于此限流原 理研制的四绕组变压器型s f c l 兼有限流器和变压器功能1 2 7 2 9 。 1 3 3 混合型 图1 3 2 变压器型s f c l 的结构图 混合型s f c l 如图1 3 3 所示，由可变耦合磁路的常规变压器和无感绕制的超导触 发线圈组成。超导触发线圈串联在变压器的副边绕组中或并联于副边绕组。正常运 行时，磁路不饱和，原副边绕组间的耦合很好。因为原副边绕组彼此反绕( 串联时) 或副边被超导电感短路( 并联时) ，所以装置的阻抗非常小。当线路发生故障时，副边 绕组电流增大，超导电感因电流达到临界电流而失超，串联时副边自动接入一高电 阻，大部分电流转入原边并为原边电抗所限制；并联时变压器阻抗增大，限制了故 障电流。混合型s f c l 只需采用比线路电流小得多的交流超导电缆，使超导电缆简单 4 1 绍论 易制，并减小超导体重量，大大降低了低温损耗，但是，故障期间有较高的过电压， 故障后磁路饱和会引起电流电压畸变【2 5 , 2 9 , 3 0 1 。 原边线 副边线圈 【a ) 串联量 1 3 4 磁屏蔽型 原1 2 l t t _ 、 人 厂一 尉边线圈 触发线圈 ( b ) 并联量 图1 3 3 混合型s f c l 的结构图 磁屏蔽型s f c l 如图1 3 4 所示，一般由外侧的铜线圈、中间的超导圆筒和内侧的 铁芯同轴配置而成，铜线圈串入电网。正常运行期间，超导圆筒为超导态，铜线圈 产生的磁通被短骼的超导圆筒感应屏蔽电流产生的磁通所抵消，装置的阻抗仅由铜 线圈和超导屏蔽筒间的气隙漏磁通所确定，表现出低阻抗；当发生短路故障时，超 导圆筒感应的电流很快增大到临界值而出现足够大的电阻，使圆筒不再能屏蔽铜线 圈的磁通，引起装置的阻抗增大，限制了故障电流。磁屏蔽型s f c l 所需的高温超导 体用量是各种s f c l 中较少的一种，交流损耗低，且不需电流引线，所以低温热负荷 小。但是恢复时间很长，要做两套装置才能用于快速重合闸，并需转换开关。此外， 限流期间有暂态过电 2 4 , 2 5 , 3 1 , 3 2 j 。 低置喜墨 铜线一尚 嘲 超导体 图1 3 4 磁屏蔽型s f c l 的结构图 1 3 5 饱和铁芯电抗型 饱和铁芯电抗器型s f c l 如图1 3 5 ，由一对铁芯电抗器组成，每个铁芯上有一个 铜的交流限制绕组和一个直流超导绕组。两个交流限制绕组极性相反地串联，直流 中国科学院电工研究所博士后研究工作报告 超导绕组串联并加偏压。正常运行期间，调节直流偏压使两个铁芯饱和，于是装置 呈现低阻抗。当线路故随时。短路电流使两个铁芯在一周期内交替地去饱和，装置 的阻抗增大，从而限制了故障电流。饱和铁芯电抗器型s f c 眩故障限制期间超导电 感不失超，有多次自起动能力，适于多次重合闸运行；正常运行与故障状态间的转 变是渐变的，过电压小。但是，正常运行期间铁芯处于饱和状态，有显著的漏磁场； 限流期间铁芯因反复饱和与去饱和会产生显著的电压谐波 2 4 2 5 3 3 j 。 图1 3 5 饱和铁芯电抗型s f c l 的结构图 1 3 。6 三相电抗型 三相电抗器型s f c l 如图1 3 6 所示，由绕在单铁芯上的3 个匝数相同的超导绕组 组成。正常运行时，三相电流平衡，其和为零，铁芯中无磁通变化，装置呈现低阻 抗：当发生单相接地短路时，三相电流失衡，阻抗变得非常大，故障电流被s f c l 的 较大的零序阻抗所限制，超导绕组不会“失超”。当发生两相或三相短路故障时，装 置的阻抗不增大，当故障电流达到超导绕组的临界电流时，超导绕组“失超”，故障 电流被大的常态阻抗所限制。三相电抗器型s f c l 的优点是单线对地故障时超导绕组 不失超，所以这种s f c l 能不失超地限制绝大多数故障电流。同时，在正常运行期间， 三相电流之和为零，无磁通变化。但是，它需要通过线路全电流的交流超导电缆； 因为有铁芯，所以重量较重，总损耗较大 2 4 , 2 5 , 3 3 1 。 图1 3 6 三相电抗型s f c l 的结构图 6 1 绪论 1 4 桥路型高温超导限流器的研究现状 桥路型h t s f c l ( 也称作直流电抗器型h t s f c l ) 是超导限流器的一个研究重点， 它是由整流桥、超导电感和偏压电源等组成。偏压电源为超导电感提供偏流。正常 运行期间，线路电流的峰值达到超导电感电流，于是桥路始终导通，除了桥路四个 桥臂上有很小的正向压降外，装置对线路电流不表现任何阻抗。在故障状态下，当 线路电流幅值增大到超导电感的电流时，因为只有正向二极管( 或反向二极管导通) 超导线圈就被自动地串入线路，故障电流就被超导电感所限制。桥路型s f c l 具有独 特的优点；能在o 5 秒内从第二次故障中恢复而不需第二套系统，适于重合闸运行； 超导电感是直流的，因此没有交流损耗及非金属杜瓦的难题；由于没有铁芯及铜绕 组部件，故总重量轻且费用低；正常运行期间，装置的电压降小且不会引起谐波和 瞬变；可以调节故障电流的缩减率。但是正常运行期间，超导电感通过等于线路电 流幅值的直流，因此由电流引线引进的低温损耗较大。此外，还需电力二极管( 或 功率开关管) 及偏压电源，系统比较复杂0 4 - - 5 6 1 。 近几年来，电阻型、变压器型、磁通锁型、混合型、磁屏蔽型、无感电抗器型、 饱和铁芯电抗器型、三相电抗器型、谐振型s f c l 的限流原理和桥路型s f c f 限流原 理相互融合而产生了几种新型的桥路型h t s f c l 。其中一部分仍然保持超导磁体在 限流过程中不失超的特点，利用了超导体在超导态时电流密度临界值大、无电阻( 即 无热量损耗) 的特点来传输大电流，产生桥路型h t s f c l 需要的恒流源，并通过对 整流桥的开关控制和桥路上的电感型器件的控制来产生较大阻抗( 电抗和电阻) 来 限流。直流饱和电抗型s f c l 和把桥路型h t s f c l 的特点和饱和电抗器型h t s f c l 的特点相结合来实现限流；直流阻抗型h t s f c l 则在三相桥路型h t s f c l 中引入了 电阻来实现电阻和电抗共同限流。而另一部分则属于失超型的，它们借助超导体的 失超特性，即超导体由超导态和稳态的转换，或由无阻态和高阻态的转换的特点， 通过超导体失超产生较大阻抗( 电抗和电阻) 和桥路的特点来限流。直流失超电抗 型h t s f c l 在整流桥中把超导磁体失超引入了限流过程：磁屏蔽直流电抗型h t s f c l 把磁屏蔽限流技术应用到整流桥中；非感性电抗型h t s f c l 在整流桥中应用了触发 磁体，通过失超来调节线路的阻抗。 1 4 1 直流饱和电抗型 直流饱和电抗器型h t s f c l 如图1 4 1 所示，把带铁芯的饱和电抗器用在直流电 抗型h t s f c l 中，饱和电抗器有两个超导绕组：主绕组和控制绕组。主绕组代替原 超导电感，而控制绕组和一个直流源串接形成回路。两个绕组的磁极方向相反，通 过改变控制绕组的电流可以达到控制电抗器饱和程度，从而达到调节其绕组电感量 7 中国科学院电工研究所博士后研究工作报告 的目的【5 刀。 图1 4 1 直流饱和电抗器型h t s f c l b 。 cba 厂 h d 、j 。 饱和区 非饨和区饱和区 图1 4 2 铁心的磁化曲线( b h ) 图1 4 2 为铁芯的理想的磁化曲线。稳态时，电抗器的主绕组通过线路电流的峰 值，控制直流源使铁芯工作在其饱和区a 点，这时电抗器等效为一个小电感，来维 持h t s f c l 正常运行。故障发生后，随着通过主绕组的电流增大，铁芯的工作点由 b 寸c 寸o 专d 移动，进入非饱和区是较大的电感限制故障电流。 直流饱和电抗器型h t s f c l 是随主绕组的电流变化而改变了电抗器的工作区间， 从而改变了电抗器的电感。在本质上是电感限流，缺点是需要外加较大的控制电流 源。 1 4 2 直流阻抗型 直流阻抗型h t s f c l 原理图如图1 4 3 ，一个三相二极管整流桥的直流端串联超 导磁体和保护电阻，保护电阻并且与固态开关相并联组成【5 8 1 。h t s f c l 通过三个单 相变压器耦合到电网中去1 3 8 1 。稳态时，固态开关导通，超导磁体串入整流桥来维持 系统的正常运行。故障发生后，通过超导磁体的电流增大，这时，固态开关关断， 形成了超导磁体和保护电阻串联，共同限制故障电流的上升。 8 1 绪论 图1 4 3 直流阻抗型h t s f c l 原理图 直流阻抗型h t s f c l 可以有效限制故障电流的峰值和稳态值。串联保护电阻， 有效地减小了超导磁体的电感量和额定电流，可以较长时间限制故障电流和实现重 合闸。但是，在限流过程中，消耗了部分有功功率。 1 4 3 直流s n 转换型h t s f c li 直流s n 转换型h t s f c l i 是一种超导限流断路器，由三极管组成其三相整流桥， 桥路直流端串联一个由超导块材制成的隈流器件和一个偏压电源，h t s f c l i 通过三 个单相变压器和电网串联。稳态时，三极管受高电平触发，一种处于导通状态，选 择偏压电源的电压使其电流大于线路电流峰值，整流桥的续流回路导通，便可维持 限流器的正常运行。这时，超导限流器件处于超导态，限流器中没有能量损耗。短 路故障发生后，一旦线路电流的峰值达到偏压电源的电流，续流回路就截止，超导 限流器件就串入线路，当通过偏压电源的电流超过限流器件的临界电流时，限流器j - 件失超产生很大的电阻限制故障电流，并起到了断路器的作用 5 9 1 。 图1 4 4 直流s n 转换型h t s f c l i 原理图 直流s n 转换型h t s f c l i 能够很好地限制故障电流，但是它直接起到了断路器 的作用。但是，超导限流器件失超恢复时间较长，另外，正常运行时需要偏压电源。 9 中国科学院电工研究所博士后研究工作报告 1 4 4 磁屏蔽直流电抗型 ( a ) 电路原理图( b ) 屏蔽磁体结构图 图1 4 5 磁屏蔽直流电抗型h t s f c l 磁屏蔽直流电抗型h t s f c l 由整流桥和屏蔽磁体组成 6 0 , 6 t 】，屏蔽磁体代替直流 电抗型h t s f c l 的超导磁体。屏蔽磁体由两个线圈、超导筒和闭合铁芯组成。超导 筒、线圈l 和2 串联，其中线圈l 和超导筒同轴并套在其外部。稳态时，超导筒处 于超导态，超导简的磁场和线圈l 、线圈2 的磁场相互抵消，线圈l 和线圈2 无电感， 这种磁屏蔽装置对电路不产生电压降。故障发生后，当流过超导筒的电流超过其临 界电流时，超导筒失超，其屏蔽作用消失，线圈l 和线圈2 的电感限制了故障电流 的上升。稳态时，通过超导筒的电流是线性电流，故障发生后，由于等效电感较大， 桥路中的电流由零开始逐渐上升。 磁屏蔽直流电抗型h t s f c l 充分利用了超导体失超的特点和磁屏蔽技术，有效 地减小了超导磁体的体积和制造成本。 1 4 5 非感性直流电抗型 非感性直流电抗型h t s f c l 的原理图如图1 4 6 所示，在混合桥路中并联了两个 超导线圈：主线圈和触发线圈。两个超导线圈的机械参数相同，主线圈的临界电流 高于触发线圈的临界电流。稳态时，通过两个超导线圈的电流相等，磁场相互抵消， 互感为零，只有比较小的漏电感维持限流器的正常运行。故障发生后，当触发线圈 的电流达到其临界电流时失超产生电阻，电流部分转移到主线圈，同时，主线圈的 电感也增加，形成了两线圈同时限流 6 2 - 6 3 1 。 l o 图1 4 6 非感性直流电抗型h t s f c l 电路原理图 非感性直流电抗型h t s f c l 采用了两个超导线圈，有效地限制了故障电流。 1 5 研究目的及主要研究内容 本研究工作得到国家自然科学基金“超导限流一储能系统研究一( 项目编号 5 0 2 2 5 7 2 3 ) 的资助。 根据超导限流器的研究现状、根据项目的要求、基于应用超导实验室的研究基础， 本人以桥路型高温超导限流器为研究对象，进行了限流器的限流理论和电路拓扑研 究，进行了限流器样机研制和实验，本报告主要包括以下几方面的研究内容： 1 高温超导限流器的限流理论探索和电路拓扑研究。从桥路型h t s f c l 的阻抗 变化特点入手，设计了几种桥路型h t s f c l 电路拓扑，对它们的工作原理、 优缺点进行分析，并对主要限流参数进行设计和优化。 2 新型桥路型h t s f c l 的控制方法研究。从限流保护的一般原则和基本要求的 研究出发，分析各反馈量的特点及其在故障发生过程中的变化特点，基于这 些变化特点，设计基于不同反馈量的三类比较控制算法来适应不同精度的控 制要求。研究h t s f c l 的限流自调节作用，并比较分析控制调节作用和自调 节作用的关系。 3 新型桥路型h t s f c l 的系统设计。设计和开发了三相新型桥路型h t s f c l 的实验室样机。研究和设计电力电子子系统、检测子系统、控制器、低温与 超导磁体子系统等几部分。特别是对控制器进行了硬件和软件的设计。根据 样机的设计参数进行了超导磁体电感和电网电流畸变( t 皿) 、电感电流波 动量的关系、故障响应时间和故障电流第一峰值的关系、限流电阻和h t s f c l 故障稳态限流能力的关系等主要性能指标的仿真研究。从而验证系统设计合 理性。 4 新型桥路型h t s f c l 样机测试和实验研究。单次故障限流实验测试实验室样 中国科学院电工研究所博士启研究工作报告 机的限流能力及其限流理论的正确性；二次连续故障限流实验研究h t s f c l 的自动重合闸能力，和快速响应二次短路故障和多次短路故障的能力。在分 段母线结构电路中，研究h t s f c l 对母线的限流保护作用、研究h t s f c l 连接位置与其限流对非故障母线的保护和影响。在双回路多供电系统中，研 究h t s f c l 与继电保护装置相配合，实现对电网的限流保护作用。 1 2 2 桥路型h t s f c l 的理论研究 2 桥路型h t s f c l 的理论研究 以超导电感为主要限流器件的桥路型h t s f c l 的基本电路拓扑是在直流电抗 器型h t s f c l ，其整流桥可以是不可控的二极管桥路，也可以是g t o 、i g b t 等组成 的可控全桥和由它们组成的混合桥路。直流电抗器型h t s f c l 有许多优点：超导电 感可以自动投入故障线路限流，限流响应时间快且不需要外加控制电路。限流过程 中，超导电感工作在超导态，无需失超和失超恢复。可以较好地配合重合闸操作。 超导电感是直流的，因此没有大电流交流损耗及非金属杜瓦的难题。 目前，直流电抗型h t s f c l 已经得到了快速发展。在超导限流技术上，不仅仅 利用了超导体在超导态时零阻抗、且传输电流密度大的特点，而且利用了超导体的 超导正常( s n ) 态的转变，即由无阻态变到高阻态的特性，产生了基于整流桥的 直流磁屏蔽型、直流饱和铁芯阻抗器型，直流无感阻抗器型：以及开关阻抗型等多 种桥路型h t s f c l l 嘲】。 在深入研究各种桥路型h t s f c l 的基础上，本人提出了一些桥路型h t s f c l 电 路拓扑，并对这些电路拓扑的限流理论、超导磁体工作特点、电路限流特征及其对 电网的影响等进行了深入的理论分析和仿真研究。 2 1 桥路型h t s f c l 的限流理论基础 桥路型h t s f c l 是通过对电网产生阻抗( 感抗和电阻) 来限制电网的短路故障 电流的。桥路型h t s f c l 接入电网( 以单相为例) 中，稳态时，相电压平衡方程式 u s = i ( z s + z f ) ( 2 1 1 ) 其中如和压分别为相电压和相电源等效阻抗，刁为辅助阻抗，j 为相电流。再理想 情况下，桥路型h t s f c l 对电网不产生影响。一旦发生短路故障，桥路型h t s f c l 便产生阻抗厶舰，相电压平衡方程式 u s = i ( z s + z p c l ) ( 2 1 2 ) 在实际电网中，考虑到压 z 觚，则 ，洳z 砒 ( 2 1 3 ) 通过式( 2 1 3 ) 可以看出：在短路故障产生后，只有通过增大h t s f c l 的阻抗 z f c l ( 即z 砒= + ) ，才能有效地限制故障电流。因此，桥路型h t s f c l 能否在故障过程中及时产生较大的阻抗，是限流的关键。 桥路型h t s f c l 的电路拓扑中必须存在恒流源或反向恒压源，才能保证整流器 中国科学院电工研究所博士后研究工作报告 正常工作。超导电感是储能元件，连接在整流桥的直流端，可以产生等效的恒流源 来保证系统正常运行。因此，桥路型h t s f c l 的电路拓扑中，必须存在产生恒流源 的超导电感。但是，超导电感限流( 非失超状态下) 存在一定的局限性，只能限制 故障电流峰值，无法限制故障电流稳态值。 舌 星 兰 垂 8 辖 求 n 卷 u 爨 1 0 t i m e s 图2 1 1 超导电感的电流波形对比 感抗限流 电阻和感抗 共同限流 一 电抗限流 i ， 1 0 7 6 - _ 一_ 一 02 55 07 51 0 01 2 51 5 01 7 5 电阻抗限流 f 搬 脚 = o 3 图2 1 2 电感电流的典型频谱分析 无论桥路型h t s f c l 的桥路直流端的电路结构多么复杂，都可以等效为变电感 和变电阻的桥路型h t s f c l 结构，即整流桥的直流端并联可变电阻和可变电感的串 并联回路。桥路型h t s f c l 的工作特点分析如下：稳态时，整流桥直流端等效为电 感，一方面保证产生恒流源，维持系统的正常工作，另一方面避免对线路产生影响， 防止电阻消耗焦耳热。故障态时，可以是电感( 即电抗) 限流、电阻限流，也可以 是电抗和电阻的串联来共同限流。虽然，式( 2 1 3 ) 表明：在故障过程