CN102426896A - 包含pwm功率控制单元的超导可控电抗器 - Google Patents

Abstract

包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器，本发明将四个绕组绕于同一铁心（1）上，四个绕组的放置顺序由外到内依次为：一次超导主线圈（2）、二次PWM超导控制绕组c（5）、二次超导控制绕组b（4）、二次超导控制绕组a（3）；一次超导主线圈（2）、二次超导控制绕组a（3）、二次超导控制绕组b（4）、二次PWM超导控制绕组c（5）相互之间独立。本发明通过对该绕组PWM功率控制单元输出功率的调整侧可以实现对电抗值更小范围内更加精确和细微的调整。从而可以实现对电抗值的粗调和细调的结合，更加有效的调整接入线路的电抗值。

Description

包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器

技术领域

本发明属于超导技术应用领域中超导可控电抗器装置，特别涉及一种可控高温超导绕组和PWM功率控制单元，既可以提高对二次超导控制绕组短路与开路的电抗值的粗略调整，又可以通过调整PWM超导功率控制单元实现对电抗值的精细调整，进而实现对电抗值进行更优调整。

背景技术

在超高压、长距离输电系统中，我国目前普遍采用超高压并联电抗器。并联电抗器的结构十分复杂，价格要比同功率级的电力变压器高得多，且其容量不能做成连续可调。特高压或超高压线路的最大传输功率通常接近于线路的自然功率。当传输小功率时例如在水电站的枯水季节，并联电抗器起到充分补偿线路容性无功的作用。但是，当传输功率接近于自然功率时，线路中的容性和感性恰好自我补偿，并联电抗器就将成为多余的装置，它不仅使得线路电压过分降低，且其无功电流会在电网中造成附加的有功损耗，也就降低了电网的经济效益。故在传输大功率时，特高压或超高压并联电抗器应该从线路中切除。然而，如果此时发生线路的故障切除和重合闸，并在此过程中造成短时间的单向供电方式，那么空载线路会因失去补偿而产生不能容许的工频和操作过电压，这是常规电抗器的固有缺点。随着电力工业的飞速发展，特高压或超高压电网相继投入运行，人们对电网的安全稳定运行及电能质量提出了更高的要求。特高压或超高压大电网的形成及负荷变化加剧，要求大量可调的无功功率源以调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损耗，提高供电可靠性。因此，在特高压或超高压、远距离输电系统中，普通并联电抗器由于功率不能自动连续平滑调整，不能很好地满足特高压或超高压、远距离输电网无功平衡的需要。超导技术引入可控电抗器而制成的超导可控电抗器为解决这一问题提供理想的技术方案，其特点在于：（1）超导可控电抗器是利用超导体的超导态(S)/正常态(N)转变特性。线路正常时，超导体处于超导态，具有零电阻和完全排磁通效应（迈斯纳效应），装置阻抗很低；在发生短路故障时，它转为正常态，具有一定的电阻，失去完全排磁通效应，使装置阻抗迅速增大以限制短路电流。

（2）超导型可控电抗器(Super-Conducting Type Controlled Reactor-SCTCR)同样也有饱和铁芯电抗器型、磁通锁型、变压器型、三相电抗器型、混合型、磁屏蔽感应型以及桥路型等结构形式。SCTCR集检测、转换和限流于一体，响应速度快，且具有自恢复功能，与其它装置相比具有无可比拟的优越性，是一种理想的限流装置，具有广阔的应用前景。但由于受到超导体材料和制造工艺的限制，这种形式的可控电抗器仍停留在研究室，没有真正在电力系统中应用。

（3）由于超导材料特有的零电阻、大容量通流的特性，可以使传统可调电抗器中高损耗、直流励磁容量较低等技术瓶颈迎刃而解，使高电压等级的可调电抗器成为可能。

发明内容

本发明提供一种包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器，目的在于解决目前电抗器无法有效调整电抗值的难题，提高对超导电抗器的电抗值调整能力，更加有效而准确的改变电抗器并联接入线路的电抗值。 

本发明的技术方案如下：

包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器，其原理与普通电力变压器原理类似，包括有铁心、一次超导主线圈、二次超导控制绕组a、二次超导控制绕组b、二次PWM超导控制绕组c，其连接结构为：

四个绕组绕于同一铁心上，四个绕组的放置顺序由外到内依次为：一次超导主线圈、二次PWM超导控制绕组c、二次超导控制绕组b、二次超导控制绕组a；

一次超导主线圈、二次超导控制绕组a、二次超导控制绕组b、二次PWM超导控制绕组c相互独立；    

本发明一次超导主线圈并联接入线路之中，二次超导控制绕组a、二次超导控制绕组b均为由双向可控硅开关控制短路和开路的闭合绕组，二次PWM超导控制绕组c为由PWM功率控制单元控制其输出功率的闭合绕组；

本发明二次超导控制绕组a、二次超导控制绕组b均为由双向可控硅开关控制短路和开路的闭合绕组，二次PWM超导控制绕组c为由PWM功率控制单元控制其输出功率的闭合绕组。

本发明通过双向可控硅开关将二次超导控制绕组短路，则二次超导控制绕组中的磁控被挤出，此时一次超导主线圈中的磁通回路截面积减小，电抗相应减小，可实现对电抗值的大范围调整。而二次PWM超导控制绕组通过对该绕组PWM功率控制单元输出功率的调整可以实现对电抗值更小范围内更加精确和细微的调整。可根据可控电抗器所需的容量调整要求，设计出多组二次超导控制绕组。 

本发明的有益效果在于：包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器由于一、二次超导控制绕组采用高温超导材料，其感应的电压比较低，消耗在绕组上的功率比较小，可以有效减小电抗器的功耗和体积，减少电抗器的散热设备等。本可控电抗器线性度好，适合做成高抗，与中性点小电抗配合，具有限制潜供电流的功能。由于所述的包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器的结构与普通变压器相同，可以做到任何一个电压等级，工艺上不存在任何问题。通过双向可控硅开关将二次超导控制绕组短路，可实现粗略的大范围调整。二次PWM超导控制绕组通过对该绕组PWM功率控制单元输出功率的调整侧可以实现对电抗值更小范围内更加精确和细微的调整。二次超导控制绕组和二次PWM超导控制绕组c二者结合起来使用可实现对电抗值更优的控制。

附图说明

图1为包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器的电路原理图；

图2为短路二次超导控制绕组a（3）时，包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器磁通回路示意图；

图3为同时短路二次超导控制绕组a（3）和二次超导控制绕组b（4）时，包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器磁通回路示意图；

图4为同时短路二次超导控制绕组a（3）、二次超导控制绕组b（4）和二次PWM超导控制绕组c（5）同时短路时，包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器磁通回路示意图；

图5为具有n（n大于2）组双向可控硅开关控制的二次超导控制绕组的包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器电路图。

具体实施方式

见图1，图2，图3，图4，图5，本发明四个绕组绕于同一铁心1上，四个绕组的放置顺序由外到内依次为：一次超导主线圈2、二次PWM超导控制绕组c5、二次超导控制绕组b4、二次超导控制绕组a3；

一次超导主线圈2、二次超导控制绕组a3、二次超导控制绕组b4、二次PWM超导控制绕组c5相互独立；    

本发明一次超导主线圈2并联接入线路之中，二次超导控制绕组a3、二次超导控制绕组b4均为由双向可控硅开关控制短路和开路的闭合绕组，二次PWM超导控制绕组c5为由PWM功率控制单元控制其输出功率的闭合绕组；

本发明二次超导控制绕组a3、二次超导控制绕组b4均为由双向可控硅开关控制短路和开路的闭合绕组，二次PWM超导控制绕组c5为由PWM功率控制单元控制其输出功率的闭合绕组。

 首先，根据需要调整电抗器的电抗值时，通过双向可控硅开关将二次超导控制绕组a3短路或者同时将二次超导控制绕组a3和二次超导控制绕组b4短路，则二次超导控制绕组a3中的磁控被挤出或者二次超导控制绕组a3和二次超导可控绕组b4中的磁控同时被挤出，减小了一次超导主线圈2产生的的磁通回路截面积，减小了电抗器的电抗值，此时可实现对电抗器电抗值大范围的粗略调节。当又通过对PWM功率控制单元输出功率的调整可以实现对电抗值更小范围内更加精确和细微的调整。二次超导可控绕组和二次PWM超导控制绕组二者结合起来使用可实现对电抗器的电抗值可实现更优控制。

具体过程如下：

包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器工作时，将一次超导主线圈2并联接入线路，如果所有的二次超导控制绕组a3、二次超导控制绕组b4和二次PWM超导控制绕组c5均开路，则可控电抗器为一空载的变压器，一次主线圈2流过的电流很小，此时可控电抗器的容量最小空载。

通过双向可控硅开关将二次超导控制绕组a3短路，则二次超导控制绕组a3中的磁控被挤出，形成如图2示的磁通回路，此时一次超导主线圈2中的截面积如图2中 A1部分所示。此时电抗器相当于壳式铁心电抗器，其电抗值由一次超导主线圈2磁通回路截面积A1、高度及匝数所确定。

在将二次超导控制绕组a3短路的基础上，又将二次超导控制绕组b4短路，则二次超导控制绕组a3和二次超导控制绕组b4中的磁控均被挤出，形成如图3示的磁通回路，此时一次超导主线圈2中的磁通回路截面积如图3中A2部分所示。由于A2磁通回路截面积小于A1磁通回路截面积，故此时可控电抗器的电抗值小于将二次超导控制绕组a3短路时的电抗值。

可以在将二次超导控制绕组a3和二次超导控制绕组b4同时短路基础上，通过对PWM功率控制单元输出功率的调整可以实现对电抗值更小范围内更加精确和细微的调整，此时一次超导主线圈的磁通回路截面积如图4中A3部分所示。侧此时A3的截面积略小于A2的截面积，此时电抗值将略小于同时将二次超导控制绕组a3和二次超导控制绕组b4短路时的电抗值，此过程即是对电抗值的微调的实现过程。

包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器其安装位置和普通电抗器安装位置相同并联接入线路电路，只是其电抗值的具体值可以根据需要进行连续和精确的调整。应用该技术时可以根据可控电抗器所需的容量调整范围，设计出如图5示的有nn大于2组二次超导控制绕组的包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器。

Claims (3)

1.包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器，其特征在于，包括有铁心（1）、一次超导主线圈（2）、二次超导控制绕组a（3）、二次超导控制绕组b（4），二次PWM超导控制绕组c（5），其连接结构为：将四个绕组绕于同一铁心（1）上，四个绕组的放置顺序由外到内依次为：一次超导主线圈（2）、二次PWM超导控制绕组c（5）、二次超导控制绕组b（4）、二次超导控制绕组a（3）；一次超导主线圈（2）、二次超导控制绕组a（3）、二次超导控制绕组b（4）、二次PWM超导控制绕组c（5）相互之间独立。

2.如权利要求1所述的包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器，其特征在于：所述的铁心（1）材料为常规铁心材料；所述的一次超导主线圈（2）、二次超导控制绕组a（3）、二次超导控制绕组b（4）和二次PWM超导控制绕组c（5）的材料均为高温超导材料。

3.如权利要求1所述的包含PWM功率控制单元的超导可控电抗器，其特征在于：二次超导控制绕组a（3）、二次超导控制绕组b（4）均为由双向可控硅开关控制短路和开路的闭合绕组，二次PWM超导控制绕组c（5）为由PWM功率控制单元控制其输出功率的闭合绕组。

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