一種基于飽和鐵心型超導限流器的混合直流限流電路的研究

路佳寧，信 贏，王常騏，楊 超，楊天慧

一種基于飽和鐵心型超導限流器的混合直流限流電路的研究

路佳寧，信 贏，王常騏，楊 超，楊天慧

(天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072)

基于電壓源型換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)的故障電流幅值大、上升速度快，現(xiàn)有直流斷路器的故障電流開斷容量和開斷速度受到很大挑戰(zhàn)。提出一種基于飽和鐵心型超導限流器的混合直流限流電路，利用飽和鐵心型超導限流器及限流電阻共同作用實現(xiàn)阻感復合限流，并借助吸能電阻達到加速故障電流清除、緩解直流斷路器開斷壓力的目的。根據(jù)直流故障暫態(tài)特性，結合該混合直流限流電路與混合式直流斷路器的配合策略，分階段對該混合直流限流電路的工作原理進行理論解析。通過數(shù)學推導給出所提混合直流限流電路的參數(shù)設計原則。最后，在PSCAD/EMTDC仿真平臺中對所提混合直流限流電路的原理正確性和功能有效性進行驗證。結果表明，所提混合直流限流電路能有效抑制故障電流、縮短故障線路隔離時間、減少避雷器吸能并能實現(xiàn)飽和鐵心型超導限流器快速恢復。

直流故障；混合直流限流電路；飽和鐵心型超導限流器；直流斷路器；阻感限流效果

0 引言

基于電壓源型換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC)由于具有控制方式靈活、可以實現(xiàn)有功功率控制和無功功率控制解耦等優(yōu)勢[1-5]，得到廣泛關注。

然而，VSC-HVDC在系統(tǒng)發(fā)生直流側短路故障時，直流故障電流在幾毫秒內快速上升達到額定電流的幾倍甚至幾十倍[6-7]。而現(xiàn)有的混合直流斷路器(Hybrid DC Circuit Breaker, HDCCB)難以在如此短的時間內開斷如此大的故障電流[8]。因此，開發(fā)能夠限制故障電流的直流限流裝置，與現(xiàn)有的HDCCB配合完成對VSC-HVDC系統(tǒng)的保護是十分必要的。

目前的直流故障限流裝置根據(jù)限流方式主要分為：電阻型限流器[9-11]、電感型限流器[12-14]和混合型限流器[15-17]。電阻型限流器能通過增大故障回路等效電阻來改善系統(tǒng)的阻尼特性、減小故障電流幅值。現(xiàn)有的電阻型超導限流器利用超導材料的失超電阻實現(xiàn)對故障電流的抑制作用，具有結構緊湊、原理簡單、制造工藝較為成熟的特點，在全球范圍內已形成多處工程應用示范。相比于電阻型限流器，電感型限流器在抑制故障電流上升率方面更具有優(yōu)勢，能更好地與HDCCB配合清除系統(tǒng)故障[18]。前人在研究電感型故障限流器的實現(xiàn)方面作了大量工作[19-22]，但對于配置HDCCB的直流系統(tǒng)來說，借助大電感限流，會延長故障線路的隔離時間，且電感儲存的能量可能會導致HDCCB中避雷器因熱過載而損壞。

為了減少大電感接入線路帶來的負面影響，文獻[23]提出由限流電感及并聯(lián)吸能支路(由電阻和晶閘管構成)組成的混合限流電路，該方法減少避雷器吸能和加速故障電流衰減的效果明顯，但限流電感始終串聯(lián)在直流線路中，系統(tǒng)穩(wěn)定及控制響應速度受串聯(lián)電感值的影響較大；文獻[24]提出在斷路時限流電感快速旁路的方法，有效降低了避雷器的耗能；文獻[25]提出了一種快速響應直流限流器拓撲，該拓撲在永磁飽和型限流器基礎上，通過磁耦合引入輔助支路，避免了大電感長期投入的問題，但永磁體退磁的問題客觀存在。

飽和鐵心型超導限流器(Saturated Iron-Core Superconducting Fault Current Limiter, SI-SFCL)具有在系統(tǒng)正常時低阻抗不影響系統(tǒng)運行，在系統(tǒng)故障時高阻抗進行限流的重要特點[26-27]，能夠實現(xiàn)電力系統(tǒng)中理想的限流性能。已有部分文獻針對SI-SFCL在柔性直流系統(tǒng)中的應用進行了研究[28-29]。然而SI-SFCL作為電感型限流器，只能限制故障電流的上升速度，無法有效減小直流故障電流的穩(wěn)態(tài)值，且限流電感量越大，SI-SFCL的恢復時間將會越長。

綜合以上問題，本文提出了一種基于飽和鐵心型超導限流器的混合直流限流電路(以下簡稱“限流電路”)，通過阻感復合限流抑制故障電流，配合直流斷路器加速故障線路隔離并減少避雷器吸能。首先，介紹該限流電路的基本結構和工作原理。接著，給出限流電路參數(shù)設計的原則。最后，在PSCAD/ EMTDC中搭建仿真模型，研究該限流電路的有效性及不同電路參數(shù)對其作用效果的影響。

1 基于飽和鐵心型超導限流器的混合直流限流電路拓撲結構

限流電路拓撲結構圖如圖1所示。該限流電路由限流SI-SFCL單元、限流1單元、吸能2單元三部分組成。

圖1 基于飽和鐵心型超導限流器的混合直流限流電路拓撲結構圖

(1) 限流SI-SFCL單元為飽和鐵心型超導限流器，結構如圖2(a)所示。其主要由矩形閉合鐵心、銅繞組、超導繞組及直流電源(DC Source)組成。1、1代表超導繞組的匝數(shù)、電流，2、2代表銅繞組的匝數(shù)、電流。圖2(b)為鐵心的簡化-曲線。鐵心飽和磁感應強度記為k，對應的磁場強度記為k。

圖2 飽和鐵心型超導限流器結構圖及簡化B-H曲線

系統(tǒng)正常運行時，SI-SFCL的銅繞組與直流電網(wǎng)直接相連，直流電源為超導繞組提供偏置電流，使得鐵心處于深度飽和狀態(tài)，即SI-SFCL工作在W點，鐵心磁導率很小，記為L，此時SI-SFCL的電感很小，記為L；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，銅繞組中故障電流迅速增大，迫使鐵心退飽和，SI-SFCL工作點迅速由W轉移至A1，此后故障電流繼續(xù)增大，SI-SFCL進入非飽和區(qū)，此時的鐵心磁導率很大，記為H，SI-SFCL呈現(xiàn)大電感H，限制故障電流上升率。

(2) 限流1單元由限流電阻1及與1并聯(lián)的IGBT組構成。系統(tǒng)正常運行時，IGBT導通，1被旁路并不接入直流回路中；當系統(tǒng)發(fā)生故障時，IGBT關斷，1接入直流故障回路，起到輔助限流的效果。

(3) 吸能2單元由吸能電阻2及二極管組D串聯(lián)構成。由于二極管的單向導通特性，根據(jù)拓撲其正常運行中不會導通，只有當吸能單元承受反向電壓時才會投入電路。

2 限流電路工作原理

通過對該限流電路與混合直流斷路器進行時序配合清除短路故障的全過程進行分析，詳細介紹該限流電路的工作原理。

2.1 混合直流斷路器

典型的混合直流斷路器(HDCCB)拓撲結構[30]如圖3所示。HDCCB由通流支路(LCB)、電流轉移支路(MCB)和耗能支路(EDB)三部分并聯(lián)組成。系統(tǒng)正常運行時負荷電流流經(jīng)LCB，通態(tài)損耗較小。當系統(tǒng)發(fā)生直流故障后，電流轉移開關(LCS)接收到故障信號后關斷，故障電流換流至提前導通的MCB中；當LCB中的電流減小到零時，快速機械開關(FMS)打開，實現(xiàn)了無弧分斷，此時關斷MCB；EDB中避雷器(MOV)由于承受過電壓而動作，吸收故障電流，直到故障電流減小至隔離開關(RCB)能承受的關斷容量后，RCB打開，直流斷路器完成對故障線路的隔離。

圖3 混合直流斷路器拓撲結構圖

2.2 限流電路工作原理分析

VSC-HVDC系統(tǒng)直流側故障中兩極短路故障最為嚴重，故本文對兩極短路故障進行分析。兩極短路故障一般分為三個階段：電容放電階段、二極管全導通階段和不控整流階段。一般要求在電容電壓跌落至零前完成對直流故障的隔離，因此本文只考慮電容放電階段，且忽略交流側電網(wǎng)的影響[31]。

限流電路與混合直流斷路器的配合時序如圖4所示。

圖4 限流電路與混合直流斷路器的配合時序圖

其具體流程如下所述。

(1) 正常運行階段(0—0)：系統(tǒng)正常運行，額定電流為N，該電流不足以使SI-SFCL的鐵心退飽和，SI-SFCL呈現(xiàn)小電感L。此時負荷電流流經(jīng)處于導通狀態(tài)的IGBT組，1被旁路。同時，二極管組D由于承受反向電壓關斷，吸能單元2不會接入電路。這一階段，HDCCB的LCB為負荷電流提供通路。

圖5 SI-SFCL單獨限流階段原理圖

圖6 混合限流階段原理圖

為簡化分析，忽略此階段直流側電壓變化，用恒定直流源min代替電容電壓[22]，并且忽略線路參數(shù)的影響。因此，該電路的KVL方程為可用式(5)表示。

采用回顧性分析方法，應用Excel軟件統(tǒng)計患者的姓名、年齡、臨床診斷、用藥方案、嘔吐反應等情況，以國內外多版本惡心嘔吐防治指南為依據(jù)，建立防治CINV藥物應用的評價標準，見表1。根據(jù)評價標準對患者應用防治CINV藥物的合理性作出評價和分析。

圖7 線路電流清除階段原理圖

由此可求得線路電流衰減到零的時間c(即4—3)：

顯然，吸能電阻2的加入減少了線路故障電流衰減時間，并且2越小，線路電流衰減時間c越短。

當線路故障電流降至RCB可以承受的開斷值，RCB打開，隔離故障線路。但此時SI-SFCL中仍存在剩余電流，記為0。因此，線路故障電流清除階段系統(tǒng)中總能量變化為

則MOV吸收的能量MOV為

式中：1表示限流電阻1吸收的能量；2表示吸能電阻2吸收的能量，可由式(9)求得

可以看出，吸能電阻2及限流電阻1能有效降低MOV的吸能，緩解MOV的吸能壓力。

(6) SI-SFCL恢復階段(4—5)：故障線路隔離后，SI-SFCL中存在的剩余電流0經(jīng)H、1、2形成獨立回路消耗。此階段原理圖如圖8所示，相應的電路方程為

因此，獨立回路電流L由0衰減到can的時間L為

可以看出，電阻2越大，衰減時間L越小，表明回路電流L衰減越快，SI-SFCL恢復越迅速。

3 限流電路參數(shù)設計原則

本節(jié)在上述限流電路拓撲及工作原理的基礎上給出該限流電路參數(shù)的設計原則。

3.1 飽和鐵心型超導限流器的設計

對于SI-SFCL參數(shù)的設計，需滿足以下幾點。

(1) 由于SI-SFCL為非失超型超導限流器，所以SI-SFCL中流過超導繞組的電流必須始終保持小于超導繞組的臨界電流c，一般取1＜c，式中＜1為安全系數(shù)。

(2) SI-SFCL在系統(tǒng)正常運行時，應保證鐵心處于深度飽和狀態(tài)，則根據(jù)安培環(huán)路定理有：

式中，表示磁路長度。

并且SI-SFCL的電感值可以采用式(15)計算[26]：

式中，表示鐵心截面積。

(4) 除此之外，還應當保證SI-SFCL在整個限流過程中始終具有強限流能力，即在限流過程中鐵心不會進入反向飽和區(qū)。

因此，為保證故障過程中鐵心不進入反向飽和區(qū)，需滿足：

3.2 IGBT的設計

設計IGBT最重要的參數(shù)就是其耐壓上限max及額定電流rated。當IGBT開斷后，其應能承受由1導致的壓降，即IGBT組的耐壓值應高于其兩端過電壓，如式(19)。

式中：IGBT為故障期間IGBT組最大過電壓；1為耐壓可靠系數(shù)，通常取0.9～0.95；表示串聯(lián)IGBT個數(shù)；max為單個IGBT的耐壓上限。

3.3 限流電阻R1的設計

因此，1的取值需滿足：

3.4 二極管的設計

在故障限流階段，二極管組D應當能承受系統(tǒng)故障時SI-SFCL和1兩端的過電壓，即

式中：D為單個二極管的最高反向工作電壓；2為耐壓可靠系數(shù)，一般取0.9～0.95；表示串聯(lián)二極管個數(shù)。

3.5 吸能電阻R2的設計

由原理分析部分可知，系統(tǒng)在隔離故障線路后，SI-SFCL中剩余電磁能經(jīng)獨立回路中的1、2消耗，這個過程需要一定的時間L?？紤]到系統(tǒng)重合閘，SI-SFCL的恢復時間應不超過系統(tǒng)重合閘時間reclosing，即L≤reclosing。故2應滿足：

4 仿真驗證

圖9 VSC-HVDC系統(tǒng)

表1 VSC-HVDC系統(tǒng)運行參數(shù)

4.1 限流電路有效性仿真驗證

表2給出了限流電路仿真參數(shù)。為驗證所提限流電路的有效性，進行了以下四組系統(tǒng)短路仿真：

(A) 無限流電路；

(B) 僅有限流SI-SFCL單元；

(C) 含有限流SI-SFCL單元和限流1單元；

(D) 采用本文所提限流電路，即包括限流SI-SFCL單元、限流1單元和吸能2單元。

結果如圖10所示。

由圖10(a)可以看出，在無限流電路情況下，故障電流在3 ms內由額定值1 kA上升至最大值42 kA，遠超出了HDCCB的最大開斷電流9 kA，HDCCB不能完成故障線路隔離。SI-SFCL及1接入故障回路后，故障電流的上升速度被顯著抑制了，并且故障電流幅值也被限制在HDCCB的開斷容量之內。通過對比B、C、D三組仿真結果可以看到，接入吸能電阻2后，故障線路隔離時間(即4-0)縮短約2 ms。

表2 限流電路參數(shù)

圖10 限流電路有效性驗證仿真結果

由以上分析可知，在無限流電路(A組)情況下，HDCCB未能完成故障切除，因此不考慮該情況下SI-SFCL兩端電壓、HDCCB中避雷器吸收的能量以及HDCCB的過電壓。

對于SI-SFCL而言，加入吸能電阻2后，在故障線路切除過程中其最大過電壓由264 kV下降至161 kV，下降率達39%，顯著降低了SI-SFCL的絕緣設計要求，如圖10(b)所示。

B、C、D三組仿真的避雷器吸能如圖10(c)所示。僅有SI-SFCL時，避雷器吸能為4.2 MJ，加入1后，避雷器吸能減少至2.9 MJ，再加入2，避雷器吸能僅0.38 MJ?？梢钥闯?，限流電阻1和吸能電阻2(尤其是2)能有效減少避雷器吸能。

由圖10(d)可見，本文所提限流電路有助于降低HDCCB的過電壓，從而減少HDCCB的制造成本。

4.2 限流電路中電阻的影響

本節(jié)主要探究不同阻值的限流電阻1與吸能電阻2對所提限流電路作用效果的影響，SI-SFCL參數(shù)與4.1節(jié)中保持一致。

4.2.1 限流電阻1的影響

設置2為30 Ω，圖11為不同阻值1對限流電路作用效果的影響仿真結果。當1從0 Ω增大到20 Ω時：HDCCB所需開斷的故障電流幅值由6.9 kA降低至5.4 kA，但是故障電流下降到零的時刻基本一致，表明故障線路隔離時間基本相同；避雷器吸能由548 kJ減少到288 kJ。顯然，隨著1阻值的增大，故障電流的上升率、幅值和避雷器吸能均減小了，但是增大1對于加快故障線路隔離作用不大。

4.2.2 吸能電阻2的影響

設置1為10 Ω，不同阻值2對限流電路作用效果的影響仿真結果如圖12所示。當2分別為10 Ω、20 Ω、30 Ω、50 Ω、100 Ω時，故障線路隔離時間分別為4.3 ms、4.35 ms、4.5 ms、5.3 ms、6 ms，避雷器吸收的能量分別為289 kJ、327 kJ、388 kJ、683 kJ、1 433 kJ。可見，2越小，故障線路隔離時間越短，避雷器吸能越少。然而，由圖12(c)吸能2單元電流持續(xù)時間可知，2越小，SI-SFCL恢復時間越長，這與第2部分理論分析一致。

圖11 不同阻值R1對限流電路作用效果影響仿真結果

圖12 不同阻值R2對限流電路作用效果影響仿真結果

4.3 與其他直流限流電路的對比驗證

在相同故障條件下，將本文所提限流電路與文獻[19]所提限流電路、文獻[23]所提限流電路在所搭建的直流系統(tǒng)中進行對比仿真。仿真參數(shù)如表3所示，結果如圖13所示。

表3 三種限流電路仿真參數(shù)

圖13 對比仿真結果

由圖13(a)和圖13(b)可以看到，相比于文獻[19,23]的故障電流開斷值6.83 kA，在本文所提限流電路的作用下，其相應值僅為6.11 kA。同時相比于文獻[19]的故障隔離時間7.25 ms、文獻[23]的故障隔離時間5.95 ms，本文提出的限流電路故障隔離時間僅4.5 ms，時間縮短率分別約為37.9%和24.4%。并且本文所提限流電路在故障開斷過程中避雷器的吸能壓力更小一些。

由于本文及文獻[23]增加了吸能電阻，會導致在HDCCB隔離故障線路后，SI-SFCL或電感中仍存在剩余能量，該能量需經(jīng)過吸能電阻2釋放。圖13(c)給出了流經(jīng)吸能電阻2的電流R曲線。顯然，本文所提限流電路的剩余能量釋放更加迅速。這是由于相比于文獻[23]：(1) 本文所提限流電路在SI-SFCL釋能階段形成的獨立環(huán)路中，除存在吸能電阻2外，還包括限流電阻1，1加速了能量釋放；(2) 由于本文采用SI-SFCL，當剩余電流降至1.1 kA時，鐵心進入正向飽和區(qū)，SI-SFCL由大電感恢復小電感運行，SI-SFCL電感值的變化也加速了剩余電流的衰減。三種限流電路性能比較如表4所示。

表4 三種限流電路性能比較

因此，相比于文獻[19,23]，本文所提限流電路在系統(tǒng)故障時，限流能力更強、故障切除速度更快、避雷器開斷壓力更小，并且SI-SFCL恢復迅速。

5 結論

本文提出一種基于飽和鐵心型超導限流器的混合直流限流電路，介紹該限流電路的工作原理、參數(shù)設計方法，并對其作用效果在VSC-HVDC系統(tǒng)中進行了仿真驗證，得到如下結論：

(1) 本文所提限流電路在系統(tǒng)正常運行時呈現(xiàn)低阻抗，在系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠迅速呈現(xiàn)高阻抗，且實現(xiàn)阻感復合限流，既能抑制故障電流上升率，又能限制故障電流幅值；

(2) 在配合混合式直流斷路器開斷過程中，所提限流電路可以加速故障線路隔離速度，減少避雷器需要耗散的能量，并且限流電阻1越大、吸能電阻2越小，效果越明顯；

(3) 故障線路隔離后，飽和鐵心型超導限流器可以借助限流電阻1和吸能電阻2泄能，實現(xiàn)快速自恢復。

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Research on an SI-SFCL-based hybrid DC current-limiting circuit

LU Jianing, XIN Ying, WANG Changqi, YANG Chao, YANG Tianhui

(School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

The fault current of a voltage source converter-based high voltage direct current (VSC-HVDC) system has the characteristics of high amplitude and fast-rising speed. Therefore, the available hybrid DC circuit breaker (HDCCB) faces great challenges in breaking capacity and breaking speed. A saturated iron-core superconducting fault current limiter-based hybrid DC current-limiting circuit (SI-SFCL-HDCCLC) is proposed. This uses the saturated iron-core superconducting current limiter and current-limiting resistor to realize the resistive-inductive compound current-limiting. It also uses an energy absorbing resistor to accelerate the fault current clearing and relieve the breaking pressure of the HDCCB. This paper introduces the working principle of the SI-SFCL-HDCCLC theoretically in stages in combination with the coordination strategy of the proposed SI-SFCL-HDCCLC and hybrid HDCCB (HDCCB) based on the transient characteristics of a DC fault. Then the principles of the parameter design of the SI-SFCL-HDCCLC are analyzed with mathematical derivation. Finally, the theoretical correctness and functional effectiveness of the proposed SI-SFCL-HDCCLC are validated in a PSCAD/EMTDC based environment. The simulation results indicate that the proposed SI-SFCL-HDCCLC combined with HDCCB can effectively suppress fault current, shorten the isolation time of the fault line, reduce the energy absorption of the arrester and realize the rapid recovery of the SI-SFCL.

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No.52107023).

DC fault; hybrid DC current-limiting circuit; saturated iron-core superconductive fault current limiter; DC circuit breaker; effect of resistive-inductive compound current-limiting

10.19783/j.cnki.pspc.210688

國家自然科學基金項目資助(52107023)

2021-06-09；

2021-10-25

路佳寧(1996—)，女，碩士研究生，研究方向為超導限流器、柔性直流輸電技術；E-mail: 975308494@qq.com

信 贏(1953—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向為超導限流器、超導儲能、超導磁懸?。籈-mail: yingxin@ tju.edu.cn

王常騏(1990—)，男，博士，講師，研究方向為超導限流器、柔性直流系統(tǒng)保護與控制。E-mail: wangchangqi79@ 126.com

(編輯 葛艷娜)