CN110071492A - 一种桥型耦合超导直流限流器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种桥型耦合超导直流限流器及方法，直流限流器由超导线圈桥臂、偏置电压支路和二极管桥臂组成，超导线圈桥臂包括上桥臂和下桥臂，上、下桥臂由反向并联二极管和超导线圈串联组成，上、下两桥臂中超导线圈同匝数且反向绕制，共用同一铁芯。偏置电压支路由偏置电源和阻抗组成。二极管桥臂由两同向二极管串联构成，本发明在正常输电时，分别等电流流过上下桥臂，铁芯无磁通变化，无阻抗，对直流输电无影响。在电网短路故障时，大小不等电流流过两超导线圈，铁芯产生变化磁通，该限流器可以立即响应一定阻抗，既可以限制初始故障短路电流上升率，也可以在故障后期对短路电流水平进行限制，降低了线路中直流断路器对开断容量需求。

Description

一种桥型耦合超导直流限流器及方法
技术领域
本发明属于电力设备领域，更具体地，是涉及中低压直流电网保护的一种超导直流限流器。
背景技术
随着直流电网的发展，直流输配电具有传输容量大、线损低、可靠性高等优势，直流电网越来越受到国内外的重视。但分布式能源的大规模并入、直流负荷的日益增加、直流系统阻尼小等，直流系统发生短路故障将产生数十倍故障电流，严重威胁直流系统设备及运行安全，超出了目前的直流断路器开断水平。因此，急需一种限流设备，降低短路故障电流水平。而超导直流限流器接入直流电网，具有正常运行“低阻抗”，故障时“高阻抗”的特点，可以限制短路电流上升率和后期故障电流水平，满足直流断路器开断容量需求，配合断路器，快速有效切除短路电流，保护直流电网安全稳定运行，具有良好的工业应用前景。
研究较多的直流限流器为电阻型超导限流器，但这种超导直流限流器依靠在短路时失超，产生大电阻来限制短路电流水平，其应用具有很多明显的缺点：
(1)在失超-恢复阶段，其恢复时间和短路电流水平、冲击时间和散热情况等有关，其失超恢复时间甚至可达几秒，对直流电网的应用产生影响。
(2)在其故障响应以后，恢复直流电网供电，需要重新进行安全性评估。
(3)其在失超时，所带来的机械应力增大、绝缘水平下降、过压、发热等问题，没有良好的解决方法。
另外，有提出采用超导电感线圈直接接入电网，利用其故障时刻产生电感进行限流，但这种方法仍存在超导线圈失超问题。因此，对于失超带来的诸多问题没有得到良好解决，所提方案仍无法得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种满足中低压直流电网故障限流的桥型耦合超导直流限流器及方法，其可以在直流电网正常运行时“低阻抗”，对电网压降无影响；故障时，配合偏置电压支路阻抗，超导桥臂产生阻抗，而整体产生“高阻抗”，来限制短路电流上升率和水平，保证直流断路器按照电网的保护程序进行动作。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于中低压直流电网桥型耦合超导直流限流器，由超导线圈桥臂、偏置电压支路和二极管支路组成，所述超导线圈桥臂由第一上桥臂和第一下桥臂通过两个超导线圈相互串联组成，所述第一上桥臂和第一下桥臂分别由两个反向并联的二极管组成；所述偏置电压支路由偏置电源和阻抗串联组成；所述二极管桥臂由同向的两个二极管连接组成，该同向的两个二极管分别组成第二上桥臂和第二下桥臂。
所述两超导线圈共用同一铁芯，且反向绕制，制作超导线圈的超导材料可以为铌钛、铌三锡、铋系、钇系、硼化镁或铁基超导体材料。设计超导线圈同向同名端，在电网故障时，超导线圈同名端可耦合产生耦合电感。
所述超导线圈应置于绝热容器中，通过冷却介质使其在正常工作时处于超导状态。
所述铁芯结构可以为开口型或闭合型。铁芯制作可采用磁导率为10000-20000的材料。
所有的二极管选用正向额定电流500-1500A、反向重叠峰值电压为1500-2500V的器件。
所述偏置电压由三相整流电路获得或通过受控源实现。
所述偏置电压支路中串联阻抗可以为电阻和常规电感、电阻和超导线圈；
所述桥型耦合超导直流限流器整体电感值范围为10-100mH；偏置电压支路电感范围为1-100mH；超导线圈及偏置电压支路电感所并联保护电阻可由电阻器制作，阻值大小为1-10Ω。
在使用时，桥型耦合超导直流限流器串接于换流器端和直流断路器之间，正常工作时，超导线圈处于超导状态，电网电流分别从超导限流器上桥臂和下桥臂两条路径流通，共用铁芯中磁导率变化为零。在直流电网发生右侧短路故障后，短路电流使第二上桥臂二极管截止，不等的电流分别从第一上桥臂和偏置电压支路、第一下桥臂支路两条路径流通(直流电网左侧短路故障，短路电流使第二下桥臂二极管截止，不等的电流分别从第一上桥臂支路、偏置电压支路和第一下桥臂支路两条路径流通)，铁芯中产生变化磁通，超导线圈同名端耦合进一步增大阻抗，限制故障初期短路电流，也能限制故障后期短路电流水平，配合直流断路器，有效切除短路故障。直流输电线路切断后，检测直流输电电路电流为0，则控制整流输出偏置电压为0；直流线路切断后，超导线圈和阻抗中电感储能分别通过其所并联电组释放；故障消除后，调整偏置电压到额定，直流限流器正常工作，不对直流电网产生安全影响。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明中两超导线圈及其所并联的保护电阻与反向并联的二极管串联构成的桥的第一上桥臂和第一下桥臂，同向连接的二极管构成第二上桥臂和第二下桥臂，由电感及其并联电阻串联电源构成偏置电压支路两端分别接于桥的两上桥臂和下桥臂之间。在使用时，本发明串联在中低压直流电网换流器和直流断路器之间，在使用时，直流电网换流器出线端接于两个超导线圈之间，直流断路器一端连接于二极管桥臂之间，在正常输电时，超导线圈上桥臂和二极管上桥臂、超导线圈下桥臂和二极管下桥臂分别流过等大电流，超导线圈处于超导状态，且两超导线圈反向绕制，共用铁芯磁通变化为零，超导直流限流器零阻抗。在线路发生短路故障时，直流电网电流可以在超导直流限流器中自动改变流通路径，该限流器可以自动产生高阻抗，将在故障初期抑制故障电流上升率，且整体阻抗在故障后期可以有效降低故障电流水平，配合直流断路器，有效时间内切除故障，保证电网安全。并且，桥型耦合超导限流器利用线圈耦合原理，增大了其故障时阻抗大小。另外该限流器可以实现限流器两侧短路的双向限流功能。
附图说明
图1为本发明桥型耦合超导直流限流器的主体拓扑结构示意图。
图2为直流电网正常输电时直流限流器工作原理图。
图3(a)和图3(b)分别为直流输电线路左、右两侧发生短路时，超导直流限流器的工作原理图。
图4为本发明超导直流限流器接入中低压直流电网状态示意图。
图5为故障前后，直流输电线路电流变化仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
随着直流电网的快速发展，其传输容量的提高和阻尼系数较小，发生短路故障带来故障电流急剧攀升，严重影响直流电网设备及运行安全。为满足切断较大的故障电流，急需限流装置，配合直流断路器，切除短路故障，保护电网安全。
本发明中，如图1所示，利用超导线圈桥臂(第一上桥臂：L1，VD1-1，VD1-2；第一下桥臂：L2，VD2-1，VD2-2)、偏置电压支路(Z，E)、二极管桥臂(第二上桥臂：VD3；第二下桥臂：VD4)构成新型超导直流限流器。本超导直流限流器，利用二极管桥臂中其一桥臂二极管关断，故障电流改变流经路径，超导线圈桥臂两超导线圈等匝数、反向绕制，结合图3(a)和图3(b)，流经两超导线圈的电流不等，在铁芯上产生变化磁通，利用线圈耦合，产生阻抗M，超导线圈桥臂产生较大阻抗，偏置电压支路中阻抗Z和偏置电压E的接入，阻性成分增加，进而限制故障电流上升率和水平。偏置电压支路阻抗Z可以选择电阻/常规电感、电阻/超导线圈不同组合。如图1所示，桥型耦合超导直流限流器由超导线圈桥臂、偏置电压支路构成限流部分。
图2为正常直流电网正常输电时，超导直流限流器工作方式，直流电流I分成等大电流流过L1，L2，此时铁芯无磁通变化(0磁通)，整体无阻抗。
图3(a)和图3(b)分别为直流输电线路左、右两侧发生短路时，超导直流限流器的工作原理图；当直流输电线路某部分发生短路故障，以短路情况图3(a)说明，短路发生在限流器右侧，短路电流I1超过二极管VD3的导通电流，VD3截止，I1经第一上桥臂流过偏置电压支路，第二短路电流I2仅流过第一下桥臂，第一短路电流流过路径阻抗大于第二短路电流路径阻抗值，故I1小于I2，则铁芯有磁通变化，产生电感，通过耦合M，和阻抗Z，直流限流器自动产生大阻抗来限制故障电流上升率和幅值。若直流限流器左侧发生短路故障，如图3(b)，短路电流分别以不等数值流过VD3→VD1-2→L1、VD3→Z→VD2-1→L2支路，铁芯中产生变化磁通，产生较大阻抗。
直流电网发生短路故障时，桥型耦合超导直流限流器工作方式，不同大小的电流流经超导线圈桥臂和偏置电压支路，不等的电流在超导线圈中产生不等磁通，铁芯产生变化磁通，超导线圈耦合，结合偏置电压支路阻抗，直流限流器产生较大阻抗，限制故障电流上升和大小。在输电线路故障被切断后，控制整流模块输出电压E为0，超导线圈和偏置电压支路电感中存储能量通过并联电阻(R1，R2，R3)释放，等待电网合闸，进而对电网电能质量无影响。
具体的，超导线圈桥臂，可以为柱形铁芯、封闭铁芯，选择封闭铁芯可以减少漏磁，增大故障时阻抗。制作超导线圈桥臂中线圈的材料可以为铋系、钇系、硼化镁等超导体，优先将限流器响应电感设计为10-100mH，与线圈并联的电阻可选为1-10Ω。
图4为所示直流电网输电线路，其直流线路额定电压为1.5kV，输电线路电阻为3Ω，等效电感0.01mH，等效电容0.1mF，故障时刻输电线路电阻为0.5Ω。三相整流电路输出整流值1000V，并联电阻10Ω，超导线圈、常规线圈整体电感设计值如实验设置，二极管选用ZP600，额定正向通流600A。
图5为改变桥型耦合超导直流限流器中超导线圈匝数和偏置电压支路线圈匝数整体电感大小对对短路电流的限制情况。图5中未接本发明超导直流限流器的故障电流达3000A，曲线1表示电感60mH，并联电阻10Ω对故障电流响应情况；曲线2表示电感100mH，并联电阻10Ω对故障电流响应情况。从响应曲线看，本发明超导限流器对直流输电线路故障电流可以有效限制故障电流上升率，从仿真波形看，故障发生0.3s时，曲线1和曲线2表示本新型超导直流限流器可以将故障限制在约90％、77％，可见，本发明超导直流限流器可以有效的限制故障电流上升率，配合直流断路器进行开断。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，包括超导线圈桥臂、偏置电压支路和二极管桥臂三部分，所述超导线圈桥臂由第一上桥臂和第一下桥臂通过两个超导线圈相互串联组成，所述第一上桥臂和第一下桥臂分别由两个反向并联的二极管组成；所述偏置电压支路由偏置电源和阻抗串联组成；所述二极管桥臂由同向的两个二极管连接组成，该同向的两个二极管分别组成第二上桥臂和第二下桥臂；输电线路的一端连接在两个超导线圈之间，另一端连接于二极管桥臂之间。
2.根据权利要求1所述一种桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，超导线圈桥臂中两个超导线圈分别为第一超导线圈(L1)和第二超导线圈(L2)，第一超导线圈(L1)和第二超导线圈(L2)分别反向绕制且共用同一铁芯；第一超导线圈(L1)和第二超导线圈(L2)可产生耦合电感(M)，电网电流同时流入两超导线圈的同名端，根据电路中电感耦合原理，桥型耦合超导直流限流器可在故障时产生阻抗；所述铁芯为开口型或闭合型铁芯。
3.根据权利要求1所述一种桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，所述第一上桥臂中两个反向并联的二极管分别为第一二极管(VD1-1)和第二二极管(VD1-2)，第一下桥臂中两个反向并联的二极管分别为第三二极管(VD2-1)和第四二极管(VD2-2)，所述二极管桥臂由第五二极管(VD3)和第六二极管(VD4)构成。
4.根据权利要求1所述一种桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，偏置电压由三相整流电路获得或通过受控源实现。
5.根据权利要求1所述一种桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，偏置电压支路中串联阻抗可以为电阻和常规电感、电阻和超导线圈。
6.根据权利要求1所述一种桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，在直流线路发生短路故障时，短路电流使第五二极管(VD3)关断，而第六二极管(VD4)导通，第一超导线圈(L1)和偏置电压支路、第二超导线圈(L2)分别构成导通路径；或短路电流使第六二极管(VD4)关断，而第五二极管(VD3)导通，第二超导线圈(L2)和偏置电压支路、第一超导线圈(L1)分别构成导通路径；由于偏置电压支路阻抗的存在，第一超导线圈(L1)和第二超导线圈(L2)分别流过不等电流，在铁芯中产生变化磁通，则直流限流器产生阻抗，等效阻抗为去耦合等效电路对应阻抗。
7.根据权利要求1所述一种桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，在直流线路切断后，检测控制整流输出直流电压(E)为0。
8.根据权利要求1所述一种桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，桥型耦合超导直流限流器整体等效阻抗中电感值范围为10-100mH，第一超导线圈(L1)、第二超导线圈(L2)所并联电阻大小为1-10Ω。
9.根据权利要求1所述一种桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，所有二极管选用正向额定电流为500-1500A、反向重叠峰值电压1500V-2500V的器件。
10.一种应用于中低压直流电网的直流限流方法，基于权利要求1所述桥型耦合超导直流限流器，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在正常输电时，相等的直流电流分别流过第一超导线圈(L1)→第一二极管(VD1-1)→第五二极管(VD3)、第二超导线圈(L2)→第三二极管(VD2-1)→第六二极管(VD4)支路，铁芯无磁通变化，整体无阻抗；
(2)当直流输电线路中限流器右侧发生短路，第一短路电流(I1)超过二极管偏置电流，第五二极管(VD3)截止，第一短路电流(I1)经第一上桥臂流过偏置电压支路，第二短路电流(I2)仅流过第一下桥臂，第一短路电流流过路径阻抗大于第二短路电流路径阻抗值，则第一短路电流(I1)小于第二短路电流(I2)，铁芯有磁通变化，产生电感，通过耦合电感(M)，和阻抗(Z)，直流限流器自动产生阻抗来限制故障电流上升率和幅值；若直流限流器左侧发生短路故障，短路电流分别以不等数值流过第五二极管(VD3)→第二二极管(VD1-2)→第一超导线圈(L1)、第五二极管(VD3)→阻抗(Z)→第三二极管(VD2-1)→第二超导线圈(L2)支路，铁芯中产生变化磁通，产生阻抗；
(3)配合直流断路器，直流输电线路切断后，检测直流输电电路电流为0，则控制整流输出偏置电压为0；
(4)直流线路切断后，超导线圈和阻抗(Z)中电感储能分别通过各自所并联的电阻释放；
(5)故障消除后，调整偏置电压到额定，直流限流器正常工作。
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