空心超導(dǎo)變壓器參數(shù)對(duì)電壓補(bǔ)償型超導(dǎo)限流器性能的影響

周羽生，莫穎斌，宋萌，施方圓，胡鑫，唐躍進(jìn)，Sastry Pamidi

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，智能電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙

410004；2.華中科技大學(xué)超導(dǎo)電力科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展中心，湖北 武漢 430074；3.Center for Advanced Power Systems，F(xiàn)lorida State University，2000 Levy Avenue，Tallahassee，F(xiàn)L 32310）

1 引言

超導(dǎo)限流器（SFCL）的應(yīng)用將很大地提高限制電網(wǎng)故障電流的能力，提高電網(wǎng)的安全性。從工作原理方面來(lái)講，超導(dǎo)限流器的主要發(fā)展趨勢(shì)有兩種:（1）電阻型超導(dǎo)限流器是基于超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)/常態(tài)的轉(zhuǎn)換原理，利用超導(dǎo)體的失超特性實(shí)現(xiàn)短路電流的抑制，其優(yōu)勢(shì)在于工作原理和結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)故障自檢；（2）補(bǔ)償型超導(dǎo)限流器充分利用超導(dǎo)體的無(wú)損耗高密度載流能力，與電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論相結(jié)合，在故障時(shí)投入一個(gè)電感來(lái)實(shí)現(xiàn)限流作用，這種限流器具有良好的動(dòng)作特性，靈活可控［1，2］。

本文基于電壓補(bǔ)償型超導(dǎo)故障限流器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，研究了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中空心超導(dǎo)變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)限流器工作性能的影響。首先進(jìn)行了理論分析，然后以電壓補(bǔ)償型SFCL在一個(gè)單相接地系統(tǒng)的應(yīng)用為例，利用Matlab/simulink構(gòu)建仿真模型，比較了不同變壓器參數(shù)對(duì)限流器工作性能的影響。

2 電壓補(bǔ)償型SFCL的結(jié)構(gòu)和原理

電壓補(bǔ)償型超導(dǎo)限流器是一種新型的超導(dǎo)限流器，它由空心超導(dǎo)變壓器和脈寬調(diào)制PWM變流器組成［5］，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)變流器的輸出電流與系統(tǒng)電流滿足一定關(guān)系，使空心超導(dǎo)變壓器一次側(cè)兩端電壓被補(bǔ)償為0，相當(dāng)于短路狀態(tài)，限流器對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行無(wú)影響。發(fā)生短路故障后，當(dāng)檢測(cè)到的I1幅值大于一定閾值IT時(shí)，通過(guò)控制變流器輸出電流的幅值和相位來(lái)調(diào)節(jié)限流器等效接入系統(tǒng)的限流阻抗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)限流目的。

圖1 電壓補(bǔ)償型超導(dǎo)限流器的電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 電壓補(bǔ)償型SFCL的等效電路結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流、電壓滿足如下方程式:

式中:L1和L2分別為空心超導(dǎo)變壓器一、二次側(cè)線圈繞組自感；

M—繞組間互感；

Z1和Z2分別為電源內(nèi)部阻抗和系統(tǒng)負(fù)載阻抗。

因此限流器對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行無(wú)影響，記此工作狀況下PWM變流器的輸出電流為:

限流器接入主系統(tǒng)的限流阻抗ZSFCL為:

代入式（6）推出限流阻抗為:

當(dāng)a=0時(shí)，等效于變壓器二次側(cè)繞組開(kāi)路，一次側(cè)繞組串入主回路限流，限流阻抗為:

從對(duì)上述原理中3種工作模式的分析不難發(fā)現(xiàn):限流阻抗的大小主要受空心超導(dǎo)變壓器一次側(cè)線圈繞組自感L1的影響，隨L1的增大，ZSFCL增大，從而使限流器的限流能力得到增強(qiáng)，而L2的取值并不會(huì)影響限流效果。此外，在變壓器一次側(cè)線圈自感確定的情況下，限流阻抗的大小不受變壓器耦合系數(shù)和變比的影響，進(jìn)而不會(huì)影響限流效果。

3 仿真分析

為驗(yàn)證以上理論研究的正確性，利用Matlab/simulink對(duì)圖1進(jìn)行建模仿真，分析了空心超導(dǎo)變壓器不同參數(shù)時(shí)對(duì)電壓補(bǔ)償型超導(dǎo)限流器性能的影響。

模型參數(shù)為:L1=L2=20mH，Ms=18mH，n=1，k=0.9，f=50Hz，us=220sinωtV，Z1=（0.19+j2.16）Ω，Z2=（20+j2）Ω，Ud=220V，設(shè)置T=0.04s時(shí)發(fā)生短路故障。

電壓補(bǔ)償型SFCL運(yùn)行時(shí)的限流效果如圖3所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電流峰值約為10.7A，SFCL的使用與否對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行沒(méi)有影響。系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，未加有源SFCL時(shí)，故障電流的首峰值上升至177A左右，約為正常電流的16.5倍；當(dāng)串入有源SFCL時(shí)，故障電流的首峰值被有效地抑制在60A的水平，故障限流率達(dá)66.1%，充分表明電壓補(bǔ)償型SFCL具有良好的限流能力。

圖3 SFCL運(yùn)行時(shí)的限流波形

首先，分析空心超導(dǎo)變壓器的耦合系數(shù)（k=0.9）和變比（n=1）一定的情況下，變壓器一次側(cè)線圈自感不同時(shí)對(duì)限流效果的影響，L1分別取20mH、30mH、60mH。由圖4可知:隨著L1的增大，故障電流的峰值呈逐步下降趨勢(shì)，限流能力增強(qiáng)。

圖4 L1對(duì)故障電流限制效果的影響

其次，研究L1=20mH和n=1一定的情況下，耦合系數(shù)k（k分別為0.8、0.85、0.9）的大小對(duì)限流器工作性能的影響。限流波形如圖5所示。由圖可知，在變壓器自感和變比一定，耦合系數(shù)不同的情況下，故障電流的峰值沒(méi)有變化，限流曲線幾乎為同一曲線，這說(shuō)明耦合系數(shù)的變化不會(huì)影響限流效果。

圖5 耦合系數(shù)k對(duì)限流效果的影響

最后，分析在L1及k一定的情況下，變比不同時(shí)對(duì)限流器性能的影響，具體參數(shù)為:L1=20mH，k=0.9變比n分別為1、2、2.5。此時(shí)短路電流的限制波形如圖6所示，從而得出結(jié)論:在一次側(cè)自感L1及耦合系數(shù)k確定的情況下，變比n的變化也不會(huì)影響限流效果。

圖6 變比n對(duì)限流效果的影響

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論研究、仿真分析得到如下結(jié)論:①電壓補(bǔ)償型有源超導(dǎo)限流器對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行無(wú)影響，且能在系統(tǒng)故障時(shí)能迅速投入把故障電流限制在較小范圍內(nèi)，具有良好的限流能力；②通過(guò)調(diào)節(jié)空心超導(dǎo)變壓器二次側(cè)的注入電流，可以控制限流阻抗的大小，從而達(dá)到限制故障電流的目的；③限流效果只與變壓器一次側(cè)自感的大小有關(guān)，L1越大，故障電流的峰值越小，限流能力越強(qiáng)，而空心超導(dǎo)變壓器的變比n和耦合系數(shù)k的變化不會(huì)對(duì)限流能力造成影響。

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