CN111244921A - 一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法 - Google Patents

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盛超
肖磊石
骆潘钿
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Abstract

本发明公开了一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法，包括一个限流电感、一个定值电阻以及一个超导限流电阻；限流电感与超导限流电阻串联形成通流支路，定值电阻与通流支路相并联。本发明利用超导电阻的失超特性以及电感在直流***中限制电流上升率的特点，使得限流器能够在故障后极短时间内便具有很高的限流阻抗。在***正常运行时，限流器通态损耗极低，对***特性影响较小。在短路故障时，限流器具有毫秒级的响应速度，限流阻抗迅速上升，抑制短路电流上升速度，降低短路电流峰值。解决了现有技术中使用超导故障限流器来限制短路电流时，存在着响应速度慢、限流效果差的技术问题。

Description

一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法
技术领域
本发明涉及电力保护技术领域，尤其涉及一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法。
背景技术
电压源型高压直流输电(VSC-HVDC)又称为柔性直流输电，具有功率调节灵活、无需直流滤波器、能向无源网络供电等优势，在分布式能源并网等方面具有广泛应用。目前，制约柔直技术发展的一个重要瓶颈是直流故障开断困难。直流电网是一个低惯量***，阻尼远低于交流电网。当直流线路发生短路故障时，直流侧电容会沿短路故障点迅速放电。如果不施加任何保护措施，短路电流将在几个毫秒内上升至十几倍的额定电流，对换流阀等设备造成严重破坏。此外，若直流输电线路发生双极短路，直流侧电压会迅速跌落，换流阀无法正常工作导致整个直流电网的电压崩塌，扩大了短路故障传播的范围。为维持直流母线电压稳定、保护直流***重要设备，需要在故障电流上升到最大值之前完成故障线路的切断。然而，目前的直流断路器仍处于研发阶段，开断能力有限、体积大、成本昂贵，不能很好地满足柔直电网故障保护的需求。
针对直流短路电流幅值大、上升快的问题，最为直接有效的方式是加装直流故障限流器。通过故障限流器抑制故障电流的大小和上升速度，就可有效降低直流电网故障对断路器开断容量的要求，提高断路器的速动性和可靠性。理想的限流器应在***正常时应不显示任何阻抗，而在短路故障发生后极短的时间内迅速切换成高阻抗，限制短路电流并且稳定直流电压。
超导故障限流器是一种可广泛应用于电力***短路故障保护的限流装置。得益于超导材料的零电阻特性，超导限流器在正常通流时几乎没有通态损耗，这是其他类型限流装置不可比拟的优势。按照限流阻抗的不同，超导限流器主要分为电阻型、电感型、混合型。电阻型超导限流器是直接以超导材料零电阻特性和失超特性为原理的限流器。正常通流状态下，限流单元处于超导零电阻状态，以实现降低限流器通态损耗的目的。故障限流状态下，短路电流大于超导材料临界电流，限流单元呈现出一个逐渐增加的失超电阻，以达到限流的目的。电感型限流器包括饱和铁心型、磁屏蔽型、桥路型、变压器型等多种结构，其基本原理都是基于超导材料的零电阻特性和完全抗磁性，在故障发生时可视为一个具有一定限流阻抗的可控电抗器。
电阻型限流器虽然可以有效限制短路电流，但是超导材料失超过程需要一定时间，响应速度较慢。而且由于超导材料的不均匀性，难以保证所有限流单元同时失超，使得实际失超电阻可能小于设计的限流电阻。若想取得较好的限流效果只能够使用更多的超导带材，降低了装置整体的经济性。电感型限流器虽然在短路电流开始上升时就可以立即限流，但是在***正常运行时也串入了一个感性分量，会降低***的动态响应速度。另外在模块化多电平MMC-HVDC***中，桥臂电感和平波电抗也会起到一定的限流效果，与电感型限流器作用重复，导致实际限流比率要小于设计值。
综上所述，现有技术中使用超导故障限流器来限制短路电流时，存在着响应速度慢、限流效果差的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法，用于解决现有技术中使用超导故障限流器来限制短路电流时，存在着响应速度慢、限流效果差的技术问题。
本发明提供的一种混合式直流超导限流器，包括一个限流电感、一个定值电阻以及一个超导限流电阻；
限流电感与超导限流电阻串联形成通流支路，定值电阻与通流支路相并联。
优选的，超导限流电阻包括多个无感线圈，多个无感线圈相互串联组成超导限流电阻。
优选的，每个无感线圈包括有两根高温超导带材，两根高温超导带材反向绕制形成一个无感线圈。
优选的，每个无感线圈包括有两根常规铜导线，两根常规铜导线反向绕制形成一个无感线圈。
优选的，混合式直流超导限流器还包括有降温模块，限流电感与超导限流电阻安装于降温模块内。
优选的，降温模块的内部填充有冷却材料。
优选的，降温模块的内部的冷却材料为液氮。
一种短路电流限流方法，所述方法基于上述的一种混合式直流超导限流器，包括以下步骤：
将混合式直流超导限流器安装在直流输电线路的换流阀出线端。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例利用超导电阻的失超特性以及电感在直流***中限制电流上升率的特点，使得限流器能够在故障后极短时间内便具有很高的限流阻抗。在***正常运行时，限流器通态损耗极低，对***特性影响较小。在短路故障时，限流器具有毫秒级的响应速度，限流阻抗迅速上升，抑制短路电流上升速度，降低短路电流峰值。解决了现有技术中使用超导故障限流器来限制短路电流时，存在着响应速度慢、限流效果差的技术问题。
本发明实施例还具有以下另一个优点：
本发明实施例中限流器能够有效降低直流***的短路电流，从而保护换流阀和其他直流设备、提高直流断路器的开断能量、提高多端柔直***供电可靠性，扩大柔性直流输电技术的应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法的混合式直流超导限流器拓扑结构图。
图2为本发明实施例2提供的一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法的混合式直流超导限流器拓扑结构图。
图3为本发明实施例2提供的一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法的直流输电***结构图。
图4为本发明实施例2提供的一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法的直流***发生双极短路时，是否安装该混合式直流超导限流器时的双极短路电流波形对比图。
图5为本发明实施例2提供的一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法的直流***发生双极短路时，是否安装该混合式直流超导限流器时的换流阀直流侧电压波形对比图。
图6为本发明实施例2提供的一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法的混合式直流超导限流器在双极短路下的限流阻抗变化过程示意图。
图7为本发明实施例2提供的一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法的混合式直流超导限流器在双极短路下，各支路的分流状态图。
图8为本发明实施例2提供的一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法的混合式直流超导限流器在双极短路下与纯电阻型限流器、纯电感型限流器的限流效果对比图。
图9为本发明实施例2提供的一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法的混合式直流超导限流器在双极短路下与纯电阻型、纯电感型限流器的限流阻抗对比图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种混合式直流超导限流器及短路电流限制方法，用于解决现有技术中使用超导故障限流器来限制短路电流时，存在着响应速度慢、限流效果差的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
超导限流器最先应用在交流***中，之后针对直流***的限流器设计和研究也逐步开始发展。2005年，西门子公司用YBCO薄膜制作了电阻型超导限流器样机，在900V的电池供电***中进行了试验。2013年，中国科学院电工研究所应用超导重点实验室设计了±200kV/1.5kA的电阻型高温超导限流器，在短路故障时呈现约15Ω的限流电阻。同年，上海交通大学研制的电阻型限流器样机在一个孤立直流电网中进行了测试，对限流器的应用效果进行了验证。2015年，韩国汉阳大学仿真验证了超导限流器在多端柔直***中的应用，通过限流器与断路器的配合，实现了对故障线路的切除和隔离。2017年，法国超级电网研究所讨论了超导限流器的技术经济性，认为加装限流器可以把昂贵的混合式直流断路器替换为机械式断路器，从而大大提高经济性。2018年，西安交通大学设计了用于1.5kV地铁直流供电***的限流断路器，通过超导限流器将短路电流限制在了断路器的最大开断电流以下。
实施例1
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种混合式直流超导限流器拓扑结构图。
本发明实施例提供的一种混合式直流超导限流器，包括一个限流电感1、一个定值电阻3以及一个超导限流电阻2；
限流电感1与超导限流电阻2串联形成通流支路，定值电阻3与通流支路相并联。正常运行时，由于通流支路的阻抗几乎为零，直流电流全部从通流支路上流过，定值电阻3被短路。当发生短路故障时，限流电感1阻碍短路电流上升，同时超导限流电阻2上流过的电流大于临界值，失超电阻逐渐增加，与限流电感1串联共同限流。在通流支路中，由于采用了电阻和电感串联的结构，因此限流电感1值和超导限流电阻2的失超电阻值较小时也具有良好的限流效果。定值电阻3并联于通流支路两端，在正常工作状态下不通流，在故障限流时并联分流，保护超导限流电阻2不因过电流而损坏，并且提供一个电阻分量进行限流。
作为一个优选的实施例，超导限流电阻2包括多个无感线圈，多个无感线圈相互串联组成超导限流电阻2；无感电阻常用于做负载，用于吸收不需要的电量，或起到缓冲，制动的作用。
作为一个优选的实施例，每个无感线圈包括有两根高温超导带材，两根高温超导带材反向绕制形成一个无感线圈。
作为一个优选的实施例，每个无感线圈包括有两根常规铜导线，两根常规铜导线反向绕制形成一个无感线圈。
作为一个优选的实施例，混合式直流超导限流器还包括有降温模块，限流电感1与超导限流电阻2安装于降温模块内；超导限流电阻2处于低温环境中，使其正常运行时呈现零电阻的超导态；当发生短路故障时，超导限流电阻2上的电流超过临界电流，逐渐由超导态转变为正常态，产生失超电阻从而限制短路电流的幅值。
作为一个优选的实施例，降温模块的内部填充有冷却材料。
作为一个优选的实施例，降温模块的内部的冷却材料为液氮。液氮无色，无臭，无腐蚀性，不可燃，温度较低以及成本低廉。
一种短路电流限流方法，所述方法基于上述的一种混合式直流超导限流器，包括以下步骤：
将混合式直流超导限流器安装在直流输电线路的换流阀出线端，对直流输电线路上发生的单极端路和双极短路进行限流，延缓换流阀上的直流电压发生跌落。
具体的工作过程如下：
将混合型直流超导限流器串接于直流输电线路的换流阀出线端，在直流***正常运行时，直流输电线路的电流小于所述超导限流电阻2的临界电流，超导限流电阻2处在零电阻的超导态，几乎没有通态损耗，限流电感1在***稳定运行时也可视为短路，不会产生电压降，直流电流全部由通流支路流通，对直流***的功率传输不会产生影响。
当直流输电线路发生单极短路或双极短路时，由于直流***惯量小，短路电流会在极短的时间内上升至十几倍的额定电流。在短路故障发展初期，短路电流幅值不大但电流上升速率很大。根据电感元件的特性，电流上升率越快其限流阻抗越大。同时超导限流电阻2仍处于失超过程的初始阶段，失超电阻较小，在此阶段中，主要由限流电感1发挥限流作用，限流电感1能够在短路发生后几毫秒的时间内产生一个较大的限流阻抗，有效抑制短路电流的首峰值。
在短路故障发展至稳态时，短路电流幅值很大而电流不再上升，此时限流电感1已经失去了限流效果。而超导限流电阻2在持续过电流的影响下，热量逐渐积累，超导带材接近完全失超，失超电阻很大，足以限制短路电流稳态值。定值电阻3与失超限流电阻并联分流，对超导带材进行保护，防止长期过电流对超导带材造成永久性的破坏。同时并联的定值电阻3为限流电感1提供了一个放电回路，若线路断开后，限流电感1上储存的磁能可经过并联电阻进行释放。
实施例2
图2为本实施例的混合型直流超导限流器拓扑结构图，包括一个超导限流电阻Rsc，一个限流电感L，一个定值电阻R1。Rsc与L串联构成通流支路，***正常运行时，通流支路上的阻抗非常小，直流电流全部从通流支路上流过，定值电阻R1被短路，i1＝isfcl，i2＝0；短路故障发生后，Rsc失超，电阻增大，与L串联对短路电流进行限流。同时定值电阻R1上的电流逐渐增大，起到辅助限流和保护超导电阻不因过电流而损坏的作用。
将本实施例提出的混合型直流超导限流器的在实际场景中应用，实际场景的结构如图3所示，图3为一个两端柔性直流输电***，由两个电压源型换流站构成，换流站内部为多个半桥子模块组成的模块化多电平结构，换流站的控制方式为主从式控制。混合型直流超导限流器分别安装在换流站的出线端的正负极母线上，正负极母线为架空线，将故障发生时间设定为t＝0，在架空线的首端设置正负极间双极短路，由混合型直流超导限流器进行故障限流。
当直流***发生双极短路时，换流阀出线端的直流电流波形，并与安装了本实施例所提出的混合型直流超导限流器的情况作对比，如图4所示。在没有安装混合型直流超导限流器的情况下，短路电流峰值出现在故障后15.4ms，幅值为18.45kA。安装混合型直流超导限流器之后，短路电流峰值出现在故障发生后的11.5ms，电流幅值为12.94kA。说明本实施例所提出的混合型直流超导限流器对直流侧双极短路有较好的保护效果，限流率为70.14％。
图5为直流***发生双极短路时，换流阀出线端的直流电压波形，并与安装了本实施例所提出的混合型直流超导限流器的情况作对比。未加装混合型直流超导限流器时，直流电压在短路故障发生的瞬间跌落到几乎为零。而加装混合型直流超导限流器之后，直流电压具有一定的抬升。
图6为本实施例所提出的混合型直流超导限流器在双极短路下的限流阻抗变化过程。短路故障初期，电流上升率很大，而超导限流电阻的失超阻值并不大，因此限流阻抗以电感分量为主，限流阻抗最大值为11.8Ω。之后，失超电阻逐渐增大，限流阻抗中的电阻分量逐渐增多，限制短路电流的稳态值并且吸收线路中的短路故障能量。
图7为本实施例所提出的混合型直流超导限流器在双极短路下，各支路的分流状态图。在t＝0时刻短路发生前，混合型直流超导限流器上的电流全部由通流支路流通，并联电阻在稳态下没有线路电流流过。故障发生后，因通流支路上的限流电感对短路电流上升有很强的抑制作用，所以短路电流开始流向并联电阻，防止了超导材料受到短路电流的冲击而发生永久性的破坏。随着短路过程的发展，通流支路上的失超电阻开始增大，最后由超导限流电阻和并联电阻同时限制短路电流的稳态值。
图8为本实施例所提出的混合型直流超导限流器限制双极短路电流的波形图，并与纯电阻型限流器、纯电感型限流器进行对比。电感型限流器限制短路电流初始值的效果最好，但是对短路电流稳态值没有限流效果，线路上储存的电感能量仍然需要其它吸能元件来吸收。电阻型限流器的响应速度最慢，是因为失超电阻的上升需要一定的失超过程。当超导材料完全失超时，短路电流的最大值已过，限流效果差。而混合型直流超导限流器综合了两种限流器的优点，既有快速响应的优势，又能吸收短路能量限制稳态值。
图9为本实施例所提出的混合型直流超导限流器的限流阻抗变化过程，与纯电阻型、纯电感型限流器的对比。电感型限流器在故障初期的限流阻抗非常大，但是之后由于短路电流上升速率变缓，限流阻抗也会逐渐下降到零。电阻型限流器的限流阻抗稳态值最高，但是需要经过十几个毫秒才能使失超电阻达到稳态的限流电阻，响应速度慢。而混合型限流器拓扑能够在故障发生后快速响应，而且稳态限流阻抗与电阻型限流器相近。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种混合式直流超导限流器，其特征在于，包括一个限流电感、一个定值电阻以及一个超导限流电阻；
限流电感与超导限流电阻串联形成通流支路，定值电阻与通流支路相并联。
2.根据权利要求1所述的一种混合式直流超导限流器，其特征在于，超导限流电阻包括多个无感线圈，多个无感线圈相互串联组成超导限流电阻。
3.根据权利要求2所述的一种混合式直流超导限流器，其特征在于，每个无感线圈包括有两根高温超导带材，两根高温超导带材反向绕制形成一个无感线圈。
4.根据权利要求2所述的一种混合式直流超导限流器，其特征在于，每个无感线圈包括有两根常规铜导线，两根常规铜导线反向绕制形成一个无感线圈。
5.根据权利要求3所述的一种混合式直流超导限流器，其特征在于，混合式直流超导限流器还包括有降温模块，限流电感与超导限流电阻安装于降温模块内。
6.根据权利要求5所述的一种混合式直流超导限流器，其特征在于，降温模块的内部填充有冷却材料。
7.根据权利要求6所述的一种混合式直流超导限流器，其特征在于，降温模块的内部的冷却材料为液氮。
8.一种短路电流限流方法，所述方法基于上述权利要求1～7任一项所述的一种混合式直流超导限流器，其特征在于，包括以下步骤：
将混合式直流超导限流器安装在直流输电线路的换流阀出线端。
9.根据权利要求8所述的一种短路电流限流方法，其特征在于，当直流输电线路无短路故障时，超导限流电阻处于超导态；当直流输电线路发生短路故障时，超导限流电阻由超导态转变至正常态。
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