CN100362720C - 有源超导直流限流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种有源超导直流限流器，包括超导变压器、PWM变流器，超导变压器的结构为，在铁芯上绕制二个超导线圈(W1)、(W2)，一次侧超导线圈(W1)串联接入直流系统，二次侧超导线圈(W2)通过PWM变流器与交流系统相连接，超导变压器的铁芯工作在线性区，通过二次侧超导线圈(W2)向交流系统释放有功功率来限制直流系统的短路电流。在直流系统正常运行或发生短路故障时，PWM变流器可以对交流系统的无功需求做出快速响应，为交流系统提供电压支撑，提高交流电力系统运行的安全稳定性；该限流器还可以对于之相连的交流电力系统进行动态的无功补偿。本发明可广泛应用在舰船直流电力系统和高压直流输电系统中。

Description

有源超导直流限流器
技术领域
本发明为直流电力系统的短路限流保护装置。
背景技术
为了限制短路电流，通常采用的方法是安装直流断路器，当系统发生故障时，断路器切断短路电流，达到故障保护的目的。目前，直流断路器主要包括转换电路和交流断路器，故障短路后，通过转换电路产生人为的电流零点，再用交流断路器来断开短路电流。由于断路器的转换电路需要检测到短路信号后才进行动作，所以断路器的反应时间较长，这不利于电力系统的快速保护；因正常运行时，断路器储存的能量很大，所以，在故障保护时，就会出现过电压，并且断路器还存在高损耗，体积大等缺点。
华中科技大学申请的申请号为“200410013346.1”的《直流超导故障限流器》，该直流超导故障限流器在正常运行时，对直流系统的运行没有任何影响；而当系统发生故障时，该直流超导故障限流器能在短路后0.1s时间内将故障电流限制在正常值的2～3倍，具有良好的限流效果，且不会产生过电压。该限流器采用电压源与电阻相串联来提供偏置电流，在运行过程中会产生一定的电阻损耗，该损耗与电流的平方成正比，当直流系统的运行电流水平较高时，偏置源所产生的损耗就会很大，会影响系统运行的经济性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术在直流偏置电流源设计方面的不足之处，提供一种有源超导直流限流器。该限流器利用超导线圈的高效储能特性，通过超导线圈与交流电力系统间的有功功率交换来限制直流电力系统的短路电流，具有运行损耗低，高效利用能量，响应速度快的优点，而且短路电流可灵活控制。此外，该限流器还可以对与之相连的交流电力系统进行动态的无功补偿。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：包括超导变压器、PWM变流器，超导变压器的结构为，在铁芯上绕制二个超导线圈，一次侧超导线圈串联接入直流系统，二次侧超导线圈通过PWM变流器与交流系统相连接，超导变压器的铁芯工作在线性区，通过二次侧超导线圈向交流系统释放有功功率来限制直流系统的短路电流。
本发明相对于现有技术的优点在于：
1.直流电力系统正常运行时，本发明有源超导直流限流器的阻抗很低，对直流系统的运行几乎没有影响。
2.当直流系统发生短路故障时，通过控制变压器二次侧线圈对交流系统放电来限制变压器直流系统的短路电流，根据释放有功功率大小的不同，直流系统的短路电流可以限制在不同水平，甚至可以把短路电流限制到直流系统电流的正常运行水平。
3.PWM变流器可以在5ms以内准确、快速地响应系统的有功功率和无功功率需求，有效保证限流器的动态响应特性。
4.在直流系统正常运行或发生短路故障时，PWM变流器可以对交流系统的无功需求做出快速响应，为交流系统提供电压支撑，提高交流电力系统运行的安全稳定性。
附图说明
图1为本发明有源超导直流限流器的结构示意图。
图2为本发明一种电流型有源超导直流限流器的电路图。
图3为本发明一种电压型有源超导直流限流器的电路图。
图4(a)～4(d)为图2电流型有源超导直流限流器的一种运行波形图。
图4(a)为直流侧系统电流is的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为直流侧系统电流is，并将有超导直流限流器与无超导直流限流器作比较。
图4(b)为超导变压器一次侧电压u1的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为超导变压器一次侧电压u1。
图4(c)为超导变压器二次侧电压u2的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为超导变压器二次侧电压u2。
图4(d)为发生故障时，超导变压器一次侧电流i1和二次侧电流i2的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为超导变压器一次侧电流i1(A)和二次侧电流i2。
图5为图2电流型有源超导直流限流器的另一种运行波形图，并将有超导直流限流器与无超导直流限流器作比较。
图6(a)～6(c)为有源超导直流限流器对交流系统的动态补偿特性图。
图6(a)为限流器在正常运行状态和限流状态时，变压器二次侧的超导线圈与交流系统的有功功率交换特性，横坐标为时间(s)，纵坐标为交换的有功功率P。
图6(b)为限流器对交流系统的无功功率补偿特性，横坐标为时间(s)，纵坐标为无功功率Q。
图6(c)为限流器对交流系统进行无功补偿时，PWM变流器交流侧三相线电流的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为交流侧线电流i(A)。
具体实施方式
由图1所示，本发明有源超导直流限流器包括超导变压器1、PWM变流器2，超导变压器1的结构为，在铁芯上绕制二个超导线圈W1、W2，一次侧超导线圈W1串联接入直流系统，二次侧超导线圈W2通过PWM变流器2与交流系统相连接，超导变压器1的铁芯工作在线性区，通过二次侧超导线圈W2向交流系统释放有功功率来限制直流系统的短路电流。us为直流系统的等效电压源，RLoad为直流系统的等效负载电阻。根据超导线圈所采用的不同材料，超导变压器1置于不同的低温系统中。
为了提高限流器的限流效果，无论在正常运行状态或者是限流状态，超导变压器的铁芯必须工作在线性区，在变压器设计过程中，线性区最大运行电流应大于系统短路电流。由于超导变压器的变比与有功功率的传输无关，所以变比的参数设置对短路电流的限制没有影响，通常设为1∶1。
本发明的基本原理就是利用超导线圈W1、W2的高效储能特性和PWM变流器2快速的功率响应特性，在直流系统发生短路故障时，通过超导线圈和交流电力系统之间的功率交换来限制系统的短路电流。PWM变流器2在控制有功功率交换的同时，还可以为交流电力系统提供动态无功功率补偿。
当直流系统正常运行时，通过PWM变流器2调节超导变压器1的二次侧超导线圈与交流系统之间的有功功率交换，控制超导变压器1的二次侧输出电压u2为零，则超导变压器1一次侧输出电压u1为零，即限流器对直流系统电流is不产生任何影响。从直流系统的角度来看，限流器对外几乎不呈现阻抗，对直流系统的运行没有影响。
当直流系统发生短路故障时，通过PWM变流器2调节超导变压器1的二次侧超导线圈与交流系统之间的有功功率交换，控制超导变压器1的二次侧输出电压u2为不同的水平，则超导变压器1的一次侧输出电压u1也被控制在相应的水平，从而直流系统电流is可以根据系统需求被限制到不同的水平。由于PWM变流器2的响应速度快，可以达到5ms以内，当短路故障发生时，本发明有源超导直流限流器可以在5ms以内把短路电流限制在系统可以承受的水平。通过有功功率交换的调节，短路电流甚至可以被控制在正常运行水平。
PWM变流器2是整个限流器能量转换的控制中心，通过脉宽调制(PWM)来调节变流器2交流侧输出电流i，变流器2可以在四象限与系统进行有功功率和无功功率交换，其响应速度一般在5ms以内，可以有效保证限流器的动态响应特性；而且有功功率和无功功率基本上可以实现解耦控制。因此，本发明不仅具有直流系统短路电流限制的功能，还具有对交流系统动态无功补偿的功能，动态无功补偿对直流系统的正常运行和短路电流的限制都没有影响。
根据PWM变流器2的结构的不同，一般可以分为电流源型PWM变流器和电压源型PWM变流器，这两种PWM变流器都可以有效地限制直流电力系统的短路电流。
图2所示为采用电流源型PWM变流器3的有源超导直流限流器，电流源型PWM变流器3的结构为：三个晶体管G1、G2、G3的发射极分别与三个晶体管G4、G5、G6的集电极相接，三个晶体管G1、G2、G3的集电极相接、且与二次侧超导线圈W2的负端相接，三个晶体管G4、G5、G6的发射极相接，且与二次侧超导线圈W2的正端相接，三个电容C1、C2、C3的一端相接，电容C1的另一端与晶体管G1的发射极、电感L1的一端相接，电容C2的另一端与晶体管G2的发射极、电感L2的一端相接，电容C3的另一端与晶体管G3的发射极、电感L3的一端相接，三个电感L1、L2、L3的另一端分别与交流系统相连接。本例中的开关器件必须选择可关断器件才能满足要求，所用六个晶体管G1、G2、G3、G4、G5、G6均为可关断器件，可选用绝缘栅极晶体管(IGBT)。
电流源型PWM变流器3的六个绝缘栅极晶体管(IGBT)G1-G6组成三相桥式电路，L1 L2 L3表示变流器3与交流电力系统之间的连接电抗。由于反馈无功能量时，变压器二次侧超导线圈W2中的电流方向不发生变化，所以设置三个电容器C1、C2、C3用来吸收换相时负载电感积蓄的能量；此外，电容器C1、C2、C3还有滤除变流器3交流侧输出电流的高次谐波的功能。根据系统的有功功率和无功功率需求，通过脉宽调制(PWM)来调节电流源型变流器3中六个开关管G1-G6的导通和关断状态，可以准确、快速地响应系统的功率需求。
当直流系统正常运行时，通过脉宽调制(PWM)来调节变流器3中六个开关器件G1～G6的导通和关断状态，控制超导变压器1的二次侧超导线圈W2与交流系统之间的有功功率交换，使超导变压器1的一次侧输出电压u1为零，限流器对直流系统电流is不产生任何影响，即限流器不影响直流系统的正常运行。
当直流系统发生短路故障时，通过脉宽调制(PWM)来调节变流器3中六个开关器件G1～G6的导通和关断状态，控制超导变压器1的二次側超导线圈W2与交流系统之间的有功功率交换，控制超导变压器1的二次侧输出电压u2为不同的水平，则超导变压器1的一次侧输出电压u1也被控制在相应的水平，从而直流系统电流is可以根据系统需求被限制到不同的水平。超导变压器1的二次侧电流i2在限流过程中不断下降，限制了超导变压器1的一次侧电流i1的上升，直流系统电流is与超导变压器1的一次侧电流i1相等，从而限制了直流系统的短路电流。
图3所示为采用电压源型PWM变流器4的有源超导直流限流器，电压源型PWM变流器4的结构为：三个晶体管G7、G8、G9的发射极分别与晶体管G10、G11、G12的集电极相接，三个晶体管G7、G8、G9的集电极相接，三个晶体管G10、G11、G12的发射极相接，六个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6的两端分别接在晶体管G7、G8、G9、G10、G11、G12的发射极与集电极之间，三个晶体管G7、G8、G9的发射极分别与三个电感L4、L5、L6的一端相连接，三个电感L4、L5、L6的另一端分别与交流系统相连接，晶体管G13的集电极与晶体管G9的集电极、二极管D8的负端相连接，晶体管G13的发射极与二极管D7的负端、二次侧超导线圈W2的正端相接，晶体管G14的发射极与晶体管G12的发射极、二极管D7的正端相接，晶体管G14的集电极与二极管D8的正端、二次侧超导线圈W2的负端相接，电容C4的一端接在晶体管G9的集电极与晶体管G13的集电极之间，电容C4的另一端接在晶体管G12的发射极与晶体管G14的发射极之间。本例中的八个晶体管G7、G8、G9、G10、G11、G12、G13、G14均为可关断器件，可选用绝缘栅极晶体管(IGBT)。
在图3中，采用电压源型PWM变流器4作为超导变压器1与交流系统的界面。由于超导线圈呈现的电流源特性，为了控制超导线圈与交流系统的能量交换，必须控制超导线圈所承受电压的大小和方向，电容C4后由晶体管G13、G14和二极管D7、D8组成的电路就是用来实现这一功能的，电容C4用来给其提供支撑电压。由于反馈无功能量时，电容C4的输出电压和电流反向，所以在六个绝缘栅极晶体管(IGBT)G7～G12处反并联二极管，使能量经二极管反馈回电源。根据系统的有功功率和无功功率需求，调节八个开关管G7～G14的导通和关断状态，可以准确、快速地响应系统的功率需求。
当直流系统正常运行时，通过脉宽调制(PWM)来调节变流器4中八个开关器件G7～G14的导通和关断状态，控制超导变压器1的二次侧线圈与交流系统之间的有功功率交换，使超导变压器1一次侧输出电压u1为零，限流器对直流系统电流is不产生任何影响，即限流器不影响直流系统的正常运行。
当直流系统发生短路故障时，通过脉宽调制(PWM)来调节八个开关器件G7～G14的导通和关断状态，控制超导变压器1的二次侧超导线圈与交流系统之间的有功功率交换，控制超导变压器1的二次侧输出电压u2为不同的水平，则超导变压器1的一次侧输出电压u1也被控制在相应的水平，从而直流系统电流is可以根据系统需求被限制到不同的水平。
本发明有源超导直流限流器的效果举例。
直流系统的电压用理想直流电压源表示，如图1所示，电源u＝300V，负载电阻RLoad＝10Ω；超导直流限流器：变压器额定容量200kVA/1000V，线性区励磁电抗0.8H；变流器采用电流源型PWM变流器，开关频率1050Hz，额定容量100kVA。与限流器相连的交流系统用理想三相电压源替代，频率50Hz，相电压220V。
图4所示为图2电流型有源超导直流限流器的一种运行波形图。在0～0.02s时间内，直流电力系统正常运行，在0.02～0.1s时间内，直流电力系统发生短路故障。
如图4(a)所示，曲线e表示无超导直流限流器3时直流系统的电流，曲线f表示有超导直流限流器3时直流系统的电流。直流系统的正常运行电流为30A，当系统发生短路故障时，如果系统中没有安装有源超导直流限流器，如曲线e所示，直流系统运行电流在短路后迅速上升到稳态值300A；如果系统中安装了有源超导直流限流器，如曲线f所示，在断路故障发生后的5ms左右，限流器可将直流系统电流限制在60A左右。可见限流器的限流效果明显。
图4(b)和图4(c)所示分别为超导变压器一次侧输出电压的平均值u1和二次侧输出电压的平均值u2。从图中可以看出，当直流系统正常运行时，变压器一次侧和二次侧输出电压的平均值u1和u2基本上为0，对直流系统的正常运行没有影响；当直流电力系统发生短路故障时，变压器一次侧和二次侧输出电压的平均值u1、u2为240V。从直流系统侧看进去，限流器相当于一个可控电压源，调节其输出电压u2的大小，就可以被直流系统的短路电流限制在不同的水平。
图4(d)所示为超导变压器1的一次侧电流i1和二次侧电流i2，从图中以看出，当直流系统正常运行时，变压器1一次侧电流i1就相当于直流系统的正常运行电流is；当系统发生短路故障时，直流系统电流is迅速增大，变压器1一次侧电流i1也相应迅速增大。此时，超导变压器1二次侧线圈通过PWM变流器3对交流系统放电，则超导变压器1二次侧电流i2不断下降，从而抑制了一次侧电流i1的上升，使直流系统电流is保持在一定水平。
图5所示为图2电流型有源超导直流限流器的另一种运行波形图，曲线g表示无超导直流限流器3时直流系统的电流，曲线h表示有超导直流限流器3时直流系统的电流。在0～0.02s时间内，直流电力系统正常运行，在0.02-0.1s时间内，直流电力系统发生短路故障。如图5所示，直流系统的正常运行电流为30A，当系统发生短路故障时，如果系统中没有安装有源超导直流限流器，则如曲线g所示，直流系统运行电流is在短路后迅速上升到稳态值40A；如果系统中安装了有源超导直流限流器，如曲线h所示，则短路故障发生后的5ms左右，限流器3可将直流系统电流is限制在直流系统的正常运行水平30A左右。本例说明通过超导变压器1的二次侧超导线圈同交流系统之间的有功功率交换，直流系统的短路电流可以被限制到直流系统的正常运行水平。
图6为图2有源超导直流故障电流限制器对交流系统的动态补偿特性图。
图6(a)为限流器的变压器二次侧超导线圈与交流系统的有功功率交换，从图中可以看出，限流器在直流系统正常运行和发生短路故障时，超导变压器1的二次侧超导线圈与交流系统的有功功率交换，结合图4可以说明有功功率交换在限制直流系统短路电流过程中所起的作用。
图6(b)为限流器对交流系统的无功功率补偿特性，从图中可以看出，限流器可以准确快速的响应交流系统的无功功率需求，响应时间在5ms以内，而且交流系统的无功功率补偿对直流系统的运行不会产生任何影响。
图6(c)为限流器对交流系统进行无功补偿时，PWM变流器交流侧三相线电流i的波形，从图中可以看出，限流器在进行有功功率交换和动态无功功率补偿时，动态效应速度快，而且交流侧输出电流基本上为正弦波，谐波含量很低，不会对交流系统的电能质量产生不利影响。

Claims (3)

1.一种有源超导直流限流器，其特征在于：包括超导变压器(1)、PWM变流器(2)，超导变压器(1)的结构为，在铁芯上绕制二个超导线圈(W1)、(W2)，一次侧超导线圈(W1)串联接入直流系统，二次侧超导线圈(W2)通过PWM变流器(2)与交流系统相连接，超导变压器(1)的铁芯工作在线性区，通过二次侧超导线圈(W2)向交流系统释放有功功率来限制直流系统的短路电流。
2.根据权利要求1所述的有源超导直流故障电流限制器，其特征在于：所述PWM变流器为电流源型PWM变流器(3)，其结构为，三个晶体管G1、G2、G3的发射极分别与三个晶体管G4、G5、G6的集电极相接，三个晶体管G1、G2、G3的集电极相接、且与二次侧超导线圈(W2)的负端相接，三个晶体管G4、G5、G6的发射极相接，且与二次侧超导线圈(W2)的正端相接，三个电容C1、C2、C3的一端相接，电容C1的另一端与晶体管G1的发射极、电感L1的一端相接，电容C2的另一端与晶体管G2的发射极、电感L2的一端相接，电容C3的另一端与晶体管G3的发射极、电感L3的一端相接，三个电感L1、L2、L3的另一端分别与交流系统相连接。
3.根据权利要求1所述的有源超导直流故障电流限制器，其特征在于：所述PWM变流器为电压源型PWM变流器(4)，其结构为，三个晶体管G7、G8、G9的发射极分别与晶体管G10、G11、G12的集电极相接，三个晶体管G7、G8、G9的集电极相接，三个晶体管G10、G11、G12的发射极相接，六个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6的两端分别接在晶体管G7、G8、G9、G10、G11、G12的发射极与集电极之间，三个晶体管G7、G8、G9的发射极分别与三个电感L4、L5、L6的一端相连接，三个电感L4、L5、L6的另一端分别与交流系统相连接，晶体管G13的集电极与晶体管G9的集电极、二极管D8的负端相连接，晶体管G13的发射极与二极管D7的负端、二次侧超导线圈(W2)的正端相接，晶体管G14的发射极与晶体管G12的发射极、二极管D7的正端相接，晶体管G14的集电极与二极管D8的正端、二次侧超导线圈(W2)的负端相接，电容C4的一端接在晶体管G9的集电极与晶体管G13的集电极之间，电容C4的另一端接在晶体管G12的发射极与晶体管G14的发射极之间。
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