空心超導變壓器參數對電壓補償型超導限流器性能的影響

周羽生，莫穎斌，宋萌，施方圓，胡鑫，唐躍進，Sastry Pamidi

（1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，智能電網運行與控制湖南省重點實驗室，湖南 長沙

410004；2.華中科技大學超導電力科學技術研究與發展中心，湖北 武漢 430074；3.Center for Advanced Power Systems，Florida State University，2000 Levy Avenue，Tallahassee，FL 32310）

1 引言

超導限流器（SFCL）的應用將很大地提高限制電網故障電流的能力，提高電網的安全性。從工作原理方面來講，超導限流器的主要發展趨勢有兩種:（1）電阻型超導限流器是基于超導體的超導態/常態的轉換原理，利用超導體的失超特性實現短路電流的抑制，其優勢在于工作原理和結構都很簡單，可實現故障自檢；（2）補償型超導限流器充分利用超導體的無損耗高密度載流能力，與電力電子技術和現代控制理論相結合，在故障時投入一個電感來實現限流作用，這種限流器具有良好的動作特性，靈活可控［1，2］。

本文基于電壓補償型超導故障限流器的電路結構和工作原理，研究了其拓撲結構中空心超導變壓器的參數設計對限流器工作性能的影響。首先進行了理論分析，然后以電壓補償型SFCL在一個單相接地系統的應用為例，利用Matlab/simulink構建仿真模型，比較了不同變壓器參數對限流器工作性能的影響。

2 電壓補償型SFCL的結構和原理

電壓補償型超導限流器是一種新型的超導限流器，它由空心超導變壓器和脈寬調制PWM變流器組成［5］，電路結構如圖1所示。

系統正常運行時，調節變流器的輸出電流與系統電流滿足一定關系，使空心超導變壓器一次側兩端電壓被補償為0，相當于短路狀態，限流器對系統的正常運行無影響。發生短路故障后，當檢測到的I1幅值大于一定閾值IT時，通過控制變流器輸出電流的幅值和相位來調節限流器等效接入系統的限流阻抗，進而實現限流目的。

圖1 電壓補償型超導限流器的電路結構圖

圖2 電壓補償型SFCL的等效電路結構圖

系統正常運行時，電流、電壓滿足如下方程式:

式中:L1和L2分別為空心超導變壓器一、二次側線圈繞組自感；

M—繞組間互感；

Z1和Z2分別為電源內部阻抗和系統負載阻抗。

因此限流器對系統的正常運行無影響，記此工作狀況下PWM變流器的輸出電流為:

限流器接入主系統的限流阻抗ZSFCL為:

代入式（6）推出限流阻抗為:

當a=0時，等效于變壓器二次側繞組開路，一次側繞組串入主回路限流，限流阻抗為:

從對上述原理中3種工作模式的分析不難發現:限流阻抗的大小主要受空心超導變壓器一次側線圈繞組自感L1的影響，隨L1的增大，ZSFCL增大，從而使限流器的限流能力得到增強，而L2的取值并不會影響限流效果。此外，在變壓器一次側線圈自感確定的情況下，限流阻抗的大小不受變壓器耦合系數和變比的影響，進而不會影響限流效果。

3 仿真分析

為驗證以上理論研究的正確性，利用Matlab/simulink對圖1進行建模仿真，分析了空心超導變壓器不同參數時對電壓補償型超導限流器性能的影響。

模型參數為:L1=L2=20mH，Ms=18mH，n=1，k=0.9，f=50Hz，us=220sinωtV，Z1=（0.19+j2.16）Ω，Z2=（20+j2）Ω，Ud=220V，設置T=0.04s時發生短路故障。

電壓補償型SFCL運行時的限流效果如圖3所示。系統正常運行時的電流峰值約為10.7A，SFCL的使用與否對系統的正常運行沒有影響。系統發生短路故障后，未加有源SFCL時，故障電流的首峰值上升至177A左右，約為正常電流的16.5倍；當串入有源SFCL時，故障電流的首峰值被有效地抑制在60A的水平，故障限流率達66.1%，充分表明電壓補償型SFCL具有良好的限流能力。

圖3 SFCL運行時的限流波形

首先，分析空心超導變壓器的耦合系數（k=0.9）和變比（n=1）一定的情況下，變壓器一次側線圈自感不同時對限流效果的影響，L1分別取20mH、30mH、60mH。由圖4可知:隨著L1的增大，故障電流的峰值呈逐步下降趨勢，限流能力增強。

圖4 L1對故障電流限制效果的影響

其次，研究L1=20mH和n=1一定的情況下，耦合系數k（k分別為0.8、0.85、0.9）的大小對限流器工作性能的影響。限流波形如圖5所示。由圖可知，在變壓器自感和變比一定，耦合系數不同的情況下，故障電流的峰值沒有變化，限流曲線幾乎為同一曲線，這說明耦合系數的變化不會影響限流效果。

圖5 耦合系數k對限流效果的影響

最后，分析在L1及k一定的情況下，變比不同時對限流器性能的影響，具體參數為:L1=20mH，k=0.9變比n分別為1、2、2.5。此時短路電流的限制波形如圖6所示，從而得出結論:在一次側自感L1及耦合系數k確定的情況下，變比n的變化也不會影響限流效果。

圖6 變比n對限流效果的影響

4 結論

本文通過理論研究、仿真分析得到如下結論:①電壓補償型有源超導限流器對系統正常運行無影響，且能在系統故障時能迅速投入把故障電流限制在較小范圍內，具有良好的限流能力；②通過調節空心超導變壓器二次側的注入電流，可以控制限流阻抗的大小，從而達到限制故障電流的目的；③限流效果只與變壓器一次側自感的大小有關，L1越大，故障電流的峰值越小，限流能力越強，而空心超導變壓器的變比n和耦合系數k的變化不會對限流能力造成影響。

［1］肖立業，林良真，趙彩宏.有源超導限流器［J］.低溫物理學報，2003，25:302 －308.

［2］葉鶯，肖立業.超導故障限流器的應用研究新進展［J］.電力系統自動化，2005，29（13）:94 －96.

［3］Jiacheng Zhang，Zhiyuan Gao，Naihao Song，Huaming Wen，Liye Xiao，Liangzhen Lin，and Zhenyu Zuo.Dynamic Simulation and Tests of a Three －Phase High Tc Superconducting Fault Current Limiter，IEEE Transactions On Applied Superconductivity，2002，12（1）.

［4］WilliamV.Hassenzahl，Member，Ieee，DrewW.Hazelton，Brian K.Johnson.Electric Power Applications of Superconductivity.Proceedings of the IEEE，2004，92（10）:1655 －1674.

［5］陳磊，唐躍進，宋萌.基于空心超導變壓器的可控阻抗型限流器實驗［J］.電力系統自動化，2008，32（18）:20 －24.

［6］陳磊，唐躍進，宋萌.有源超導限流器的工作特性分析［J］.稀有金屬材料與工程，2008，37（4）:226 －230.

［7］徐波.基于磁通補償的大容量故障限流器［D］.華中科技大學，2004.

［8］毛鴻，吳兆麟.三相電壓型PWM整流器無電流傳感器控制策略研究［J］.電工技術學報，2001.

［9］陳丹菲，趙彩宏.電流補償型超導限流器的研究［J］.電氣傳動，2004，35（4）:41 －44.

［10］汪顯博，卜文紹，翟麗麗.三相電壓型PWM整流器雙滯環電流控制策略的研究［J］.電測與儀表，2010，47（11）:36 －41.

［11］魏克新，杜吉飛，杜明星.三相PWM整流器電壓外環PI調節過程分析［J］.高電壓技術，2010，36（9）:2336 －2340.