基于雙6RA70的超導(dǎo)限流器勵(lì)磁電源設(shè)計(jì)

鄭寧

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津300350)

基于雙6RA70的超導(dǎo)限流器勵(lì)磁電源設(shè)計(jì)

鄭寧

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津300350)

介紹了飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的工作原理，分析了勵(lì)磁過程，為恒壓充磁和低壓恒流供磁提供了理論依據(jù)，提出了直流勵(lì)磁電源的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，選擇6RA70作為電源控制的核心元件，有效地解決了直流電源高壓和大電流的控制問題，描述了控制過程中高壓充磁和恒流供磁的工作要求和切換方法，通過采用西門子S7-300 PLC組成的Profibus-DP控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)控制，為限流器的掛網(wǎng)運(yùn)行提供了參考。

超導(dǎo)限流器；高壓充磁；恒流供磁；網(wǎng)絡(luò)控制

隨著電力系統(tǒng)裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大和并網(wǎng)電站迅速增加，電網(wǎng)不可避免地會(huì)有短路故障發(fā)生，而短路電流水平的上升，嚴(yán)重威脅著電網(wǎng)的運(yùn)行安全。傳統(tǒng)的限流辦法是在電網(wǎng)中串接大型電抗器，這雖然有一定的限流效果，但正常運(yùn)行時(shí)存在能耗大[1]、安全性差等不利因素。具有控制勵(lì)磁回路直流電源的飽和鐵心型超導(dǎo)限流器能有效地解決這一問題，它利用可控直流電源給超導(dǎo)繞組提供勵(lì)磁電流，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，使串接在電網(wǎng)中的交流電抗器處于深度飽和且阻抗接近于零的狀態(tài)，一旦有短路故障發(fā)生即刻退出飽和并恢復(fù)高阻抗的特性，從而達(dá)到充分限流的效果[2]，同時(shí)還保證自動(dòng)重合閘繼保要求。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的直流勵(lì)磁電源和可靠的控制系統(tǒng)是超導(dǎo)限流器安全掛網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 超導(dǎo)限流器工作原理

飽和鐵心型超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由限流器鐵心、直流超導(dǎo)繞組、交流繞組和直流控制回路組成。

限流器在運(yùn)行時(shí)，由直流電源給超導(dǎo)繞組提供勵(lì)磁電流，使鐵心處于深度飽和狀態(tài)，此時(shí)交流側(cè)繞組呈現(xiàn)低阻抗。當(dāng)通過交流繞組的電網(wǎng)電流保持不超過額定值時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)行于非限流的正常狀態(tài)；而當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，直流勵(lì)磁電源立即切斷，限流器的鐵心快速退出飽和進(jìn)入常態(tài)，與此同時(shí)，交流繞組上的阻抗伴隨著由短路故障引起的電流突然增大而迅速增加，從而自動(dòng)限制了電網(wǎng)中短路電流的增加，因此，電感的阻流特性對(duì)限制電網(wǎng)電流在超過額定電流后急劇上升起到了決定性作用。

圖1 飽和鐵心超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)示意圖

可控直流繞組采用超導(dǎo)材料，當(dāng)處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻幾乎為零，主要是避免直流磁化繞組線圈所產(chǎn)生的電阻損耗，而且，超導(dǎo)材料比普通導(dǎo)體的允許電流密度大，在繞組參數(shù)相同的情況下，能夠提供更大的直流磁化場(chǎng)[3-5]。

2 可控直流電源的設(shè)計(jì)

2.1 勵(lì)磁過程研究

直流電源的作用除了提供勵(lì)磁電流外還要滿足電網(wǎng)運(yùn)行及短路故障響應(yīng)的控制要求，同時(shí)還要考慮長(zhǎng)期運(yùn)行的效率問題。電網(wǎng)運(yùn)行的繼電保護(hù)要求電網(wǎng)發(fā)生短路后在1 s內(nèi)重合閘，也就是說直流勵(lì)磁過程要在重合閘前完成。飽和鐵心型超導(dǎo)限流器直流側(cè)繞組是帶有鐵心的超導(dǎo)繞組，其鐵心由軟磁材料制成的可飽和鐵心，這樣，超導(dǎo)繞組實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶鐵心的非線性電感。因此，對(duì)其進(jìn)行勵(lì)磁的過程可通過可飽和鐵心的分段線性化Ψ-i曲線進(jìn)行分析?？娠柡丸F心的Ψ-i曲線如圖2所示。

圖2 飽和鐵心分段線性化Ψ-i曲線

從圖中可明顯看出Ψ-i曲線分三段，中間(a-b)段鐵心不飽和，磁通隨電流的增加顯著增加，電感值很大，其余兩段鐵心飽和，電流變化時(shí)磁通變化很小，故電感值近乎為零。直流勵(lì)磁的目的是盡快使鐵心深度飽和，所以勵(lì)磁過程經(jīng)歷了鐵心不飽和到飽和(o-b段)和飽和到深度飽和(b-c段)兩個(gè)階段。鐵心不飽和時(shí)要想使電感中的電流快速上升到較大值，就要在電感兩端加入盡量高的電壓，故采用階躍恒定高壓方式進(jìn)行高壓充磁直到鐵心飽和；在鐵芯深度飽和階段電感幾乎是零，線圈又是超導(dǎo)體繞制，電阻也幾乎為零，如繼續(xù)采用高壓充磁就會(huì)使電流急劇上升，這會(huì)容易引起功耗巨大甚至造成繞組被燒毀的嚴(yán)重后果。為此，采用低壓恒流方式進(jìn)行恒流供磁就變得更加有效，這既能達(dá)到超導(dǎo)繞組鐵心深度飽時(shí)的電流要求又能保證了繞組的安全，同時(shí)提高了運(yùn)行時(shí)的電源效率。

2.2 超導(dǎo)限流器勵(lì)磁過程參數(shù)確定

根據(jù)勵(lì)磁過程的分析，勵(lì)磁分為高壓充磁和恒流供磁兩個(gè)階段。表1為某飽和鐵心型限流器控制參數(shù)，其參數(shù)值只是為本方案設(shè)計(jì)擬定的，現(xiàn)場(chǎng)中的具體控制參數(shù)要結(jié)合飽和鐵心型限流器實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

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根據(jù)參數(shù)表，高壓充磁電流應(yīng)在300 ms內(nèi)上升到50 A。為了防止鐵心飽和后電流的快速上升將繞組燒毀，實(shí)際電路中必須加入限流電阻，限流電阻要保證在最大電壓時(shí)電流不能超過250 A，太大又會(huì)影響充磁時(shí)間，綜合這兩個(gè)因素選定為10 Ω。

在最大電感值為2 H及10 Ω限流電阻條件下，根據(jù)一階電路的零狀態(tài)響應(yīng)計(jì)算出，644 V電壓作用下高壓充磁電流達(dá)到50 A時(shí)可滿足300 ms響應(yīng)時(shí)間要求[6]。進(jìn)入飽和后，恒流供磁是在鐵心深度飽和下的近似無電抗導(dǎo)體的繞組進(jìn)行，則恒流供磁(電流從50 A上升到250 A)時(shí)間幾乎為0，如表2所示。

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由此可知，系統(tǒng)運(yùn)行的響應(yīng)時(shí)間主要由高壓充磁時(shí)間決定，完全滿足1 s內(nèi)重合閘的要求，而且高壓充磁的電壓越高充磁時(shí)間越短。鐵心深度飽和的電流即恒流供磁電流，應(yīng)該穩(wěn)定在200～250 A。

2.3 直流電源的硬件選型

由于目前整流裝置已非常成熟，單獨(dú)開發(fā)一種大容量、控性好的整流裝置會(huì)影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，直接選用一種合適的整流裝置完全可以滿足控制要求。

西門子6RA70系列直流調(diào)速裝置實(shí)質(zhì)上是一款高性能的可控整流裝置，它主要為直流電機(jī)提供可控且穩(wěn)定的直流電壓和電流，而直流超導(dǎo)繞組與直流電機(jī)繞組一樣都是感性負(fù)載，利用同樣的控制技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)直流繞組供電和控制的目的。6RA70能輸出15～3 000 A的直流電流和達(dá)到1 300 V的直流電壓，正好滿足超導(dǎo)直流勵(lì)磁過程中的高壓和大電流要求，而且6RA70可控性好，通信能力強(qiáng)，可通過設(shè)定各自一組參數(shù)實(shí)現(xiàn)電壓閉環(huán)和電流閉環(huán)方式輸出。因此，選用6RA70作為可控直流電源的核心部件，能有效地解決直流電源高壓和大電流的問題，并可達(dá)到運(yùn)行過程中的控制要求?？煽刂绷麟娫唇Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 可控直流電源結(jié)構(gòu)圖

2.4 高壓充磁

高壓充磁是在直流超導(dǎo)繞組兩端加以644～1 000 V的強(qiáng)迫高壓使繞組中的電流迅速上升，具體電壓值可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)采用升壓變壓器為高壓充磁的6RA70提供1 000 V的輸入電壓，將6RA70電樞輸出端接于直流超導(dǎo)繞組并設(shè)置成電壓閉環(huán)輸出方式，高壓充磁6RA70輸出恒定高壓，使超導(dǎo)繞組中的電流迅速上升，當(dāng)電流達(dá)到50 A時(shí)鐵心趨于飽和，繞組失去了電感特性后電流會(huì)近乎直線上升，這時(shí)已經(jīng)沒有必要再以高壓的方式運(yùn)行，應(yīng)轉(zhuǎn)為恒流供磁。

2.5 恒流供磁

要使超導(dǎo)限流器的鐵心深度飽和，直流超導(dǎo)繞組中的工作電流應(yīng)維持在200～250 A。由于此刻電抗幾乎為0，較低的電壓就可產(chǎn)生250 A的維持電流，故采用低壓大電流的方法，這既提高了電源的效率又滿足了大電流的要求。雖然超導(dǎo)繞組的電阻為0，很低的電壓就能滿足設(shè)計(jì)要求，但是實(shí)際系統(tǒng)中要考慮到線路的電蝕和器件的接觸電阻，電力應(yīng)用中這個(gè)電阻經(jīng)驗(yàn)上一般限制在0.2 Ω以內(nèi)，因此，將低壓恒流供磁的輸出擬定為60 V。系統(tǒng)采用降壓變壓器為恒流供磁的6RA70提供電壓，將6RA70電樞輸出端接于直流超導(dǎo)繞組并設(shè)置成輸出電流在200～250 A的電流閉環(huán)方式。當(dāng)高壓充磁使電流上升到50 A時(shí)，迅速切換恒流供磁使限流器的鐵心進(jìn)入深度飽和狀態(tài)并穩(wěn)定運(yùn)行。

2.6 高壓充磁電流與恒流供磁電流的切換

因?yàn)闄C(jī)械觸點(diǎn)的接觸器動(dòng)作慢，無法滿足在“秒”以下級(jí)別進(jìn)行有效控制，還會(huì)產(chǎn)生電弧和斷流現(xiàn)象，故高壓充磁電流和恒流供磁電流的切換采用無觸點(diǎn)的開關(guān)(電力二極管)來完成。系統(tǒng)采取高壓和低壓并行投入，用二極管隔離的辦法，高壓充磁時(shí)電流由1C發(fā)出，經(jīng)過1D1、1R1、IGBT和超導(dǎo)繞組沿1D返回而2D1反向截止；恒流供磁時(shí)電流由2C發(fā)出，經(jīng)過2D1、IGBT和超導(dǎo)繞組沿2D返回而1D1反向截止；這就省去了機(jī)械的觸點(diǎn)開關(guān)，避免了動(dòng)作時(shí)間慢的缺陷。高壓充磁和恒流供磁的切換由PLC通過Profibus-DP傳送控制信號(hào)完成。

3 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)控制

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用西門子的S7-300 PLC作為主站，兩臺(tái)6RA70整流控制裝置分別作為高壓充磁從站和恒流供磁從站，通過觸摸屏建立了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化控制。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行過程

整個(gè)直流勵(lì)磁電源控制系統(tǒng)的開始、停止信號(hào)來自電網(wǎng)的短路電流監(jiān)控裝置[7]。在停機(jī)時(shí)，各開關(guān)打開，控制器不工作。為節(jié)省高壓充磁和恒流供磁的切換時(shí)間，6RA70的運(yùn)行過程分為開啟和使能兩步，開啟是6RA70進(jìn)線接觸器合閘和裝置的初始化過程，使能是給晶閘管發(fā)觸發(fā)脈沖，開啟并使能后6RA70才有輸出。當(dāng)PLC收到開始信號(hào)時(shí)，通過Profibus-DP向2號(hào)從站6RA70(1#)發(fā)送開啟控制字和使能控制字，同時(shí)也對(duì)3號(hào)從站6RA70(2#)發(fā)開啟控制字，這樣6RA70(1#)以電壓閉環(huán)方式輸出直流高壓，使超導(dǎo)直流繞組中的電流迅速上升，6RA70(2#)等待使能信號(hào)。當(dāng)電流達(dá)到50 A時(shí)，PLC向高壓充磁6RA70(1#)發(fā)送使能禁止控制字充磁停止，同時(shí)向恒流供磁6RA70(2#)發(fā)送使能控制字，這時(shí)6RA70(2#)以電流閉環(huán)方式輸出，使電流快速達(dá)到設(shè)定值并長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流監(jiān)控裝置同時(shí)給IGBT和PLC發(fā)送關(guān)斷信號(hào)，IGBT立即關(guān)斷，超導(dǎo)限流器繞組的直流勵(lì)磁電源被切斷，且直流超導(dǎo)繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)由壓敏電阻RV0釋放[8]，PLC發(fā)送使能禁止，控制字使6RA70停止輸出后等待重合閘信號(hào)。系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)通過觸摸屏設(shè)定的6RA70電壓、電流值和啟?？刂谱郑蒔LC經(jīng)Profibus-DP傳送給6RA70，6RA70的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和故障信號(hào)以及實(shí)際電壓值或電流值以狀態(tài)字的方式經(jīng)Profibus-DP回送給PLC，并都在觸摸屏上顯示。

4 結(jié)論

系統(tǒng)以6RA70的電壓閉環(huán)輸出作為高壓充磁直流勵(lì)磁電源，以高壓的方式解決了超導(dǎo)繞組電感特性對(duì)充磁時(shí)間的影響，滿足了充磁快速性的要求；以6RA70電流閉環(huán)輸出低壓恒流的方式供磁，既保證了超導(dǎo)繞組的安全又提高了電源的效率；以無觸點(diǎn)開關(guān)提高了高壓充磁電流和恒流供磁電流的切換速度；通過S7-300 PLC以Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)控制既省去了復(fù)雜接線，又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力；電壓電流的可調(diào)節(jié)性增加了系統(tǒng)的靈活性。在電力系統(tǒng)容量不斷擴(kuò)大，超導(dǎo)限流器面臨產(chǎn)業(yè)化之際，此方案設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。

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Design of excitation power for superconductor fault current limiter based on double 6RA70

ZHENG Ning
(Tianjin Sino-German University of Applied Sciences,Tianjin 300350,China)

The working principle of the saturated core superconducting fault current limiter(SCFCL)was introduced;the magnetizing process was analyzed;the theoretical basis for high-voltage magnetization and low-voltage constant current excitation was provided.The design structure of the DC excitation power supply was proposed,and 6RA70 was used as the central control unit.The controlling problem of the high voltage and large current of a DC power supply was solved effectively.The requirements for the control of high-voltage magnetization and constant current excitation and the switch method between the two states were described.The Profibus-DP control system established by S7-300 PLC was used to achieve digital network control.It provides reference for the SCFCL being put into operation.

superconducting fault current limiter;high-voltage magnetization;constant current excitation;network control

TM 725

A

1002-087 X(2016)08-1679-04

2016-01-21

鄭寧(1961—)，女，天津市人，副教授，主要研究方向?yàn)殡姎饪刂频慕虒W(xué)和研究。