空心超导变压器参数设计对可控阻抗型限流器性能的影响

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1、万方数据第29卷第6期2009年6月电力自动化设备V01．29No．6Jun．2009o空心超导变压器参数设计对可控阻抗型限流器性能的影响陈磊，唐跃进，陈楠，宋萌，石晶，程时杰(华中科技大学超导电力科学研究与发展中心，湖北武汉430074)摘要：介绍了可控阻抗型超导限流器的电路结构和工作原理．该限流器由空心超导变压器及PWM变流器组成。故障发生后，通过变流器控制变压器二次侧注入电流的相位和幅值．进而调节限流器的等效阻抗．从而实现抑制短路电流的目的。针对空心超导变压器参数设计对限流器工作性能的影响．以初始补偿电流、不同工作模式下的限流阻抗以及变

2、流器的功率传输为指标．进行了理论研究：以该型限流器在一个三相接地系统的应用为例，利用Matlab建立仿真模型。分析了不同变压器参数下限流器工作性能的差别。仿真结果与理论分析相符，得出如下结论：增大变压器一次侧自感有利于加强限流能力：增加变比会导致初始补偿电流的上升：提高耦合系数有助于降低变流器的无功功率输出。关键词：可控阻抗型超导限流器；空心超导变压器；参数设计；变比：耦合系数：功率传输中图分类号：TM471；TM26文献标识码：A文章编号：1006—6047(2009)06—0015—040引言1理论研究目前开发的各种故障电流限制器中．利用

3、超导技术的超导限流器(SFCL)具有损耗低、能自动触发、自动复位、可多次动作等特点．以其自身独特的优越性在限流技术领域中应用广泛⋯。SFCL有2个主要发展方向：一是基于超导态／常态的转换原理．利用超导体的失超特性实现短路电流的抑制．其优势在于原理和结构都很简单。现研究较多的是选用YBCO块材和薄膜的电阻型及磁屏蔽型SFCLt2-4】：二是利用超导体高密度无阻载流能力．与电力电子技术及现代控制理论相结合．此类限流器的优势在于灵活可控．与FACTS技术相配合有向多功能化发展的趋势．研究的代表是桥路型和有源型SFCLf5-7]．基于有源型SFCL的

4、加压限流基本原理．并结合前期开展的研究工作ts-9J。华中科技大学超导电力科学研究与发展中心提出了一种可控阻抗型SFCLtmo】。通过对一台小型样机进行短路试验．限流机理的可行性得到了有效验证⋯】。本文研究了限流器拓扑结构中空心超导变压器的参数设计对整个装置工作性能的影响．例如对初始补偿电流、不同工作模式下的限流阻抗和变流器的功率传输等性能指标的影响。首先进行了理论分析．然后以可控阻抗型SFCL在一个三相接地系统的应用为例．利用Matlab构建仿真模型．比较了不同变压器参数下限流器工作性能的差别。_____．．．—--．●．．．．_---●●

5、，．-—．．．．．．．．．．__-．_●‘_-，。--。-‘。_，-．●。，。．．．．．．一●收稿日期：2008—07—26：修回日期：2008—12—30基金项目：国家863计划资助项目(2007AA032243)可控阻抗型SFCL的电路结构如图1所示。它由空心超导变压器及PWM变流器组成．超导变压器的一次侧线圈串联接人系统主回路中．二次侧线圈与PWM变流器相并联，厶和cd用来滤除变流器产生的高次谐波。图l可控阻抗型SFCL的电路结构图Fig．1Circuitofcontrollableimpedance·typeSFCL电源电压以、主回路

6、电流J，以及变流器输出电流厶都会被实时检测。通过检测的电流数据来判断系统处于正常运行或是故障状态。基于空心超导变压器的等效电路(如图2所示，图2空心超导变压器的等效电路图Fig．2Equivalentcircuitofair·Boresuperconductingtransformer万方数据@电力自动化设备第29卷忽略电阻损耗)．系统正常运行时，电流、电压满足如下关系：以=，1(五十五)+j(￡，￡l，1一jtoLⅥ12(1)式中￡。、L：分别为变压器一、二次侧线圈绕组的自感，LM为绕组问的互感；Z。、五分别为电源内部阻抗和系统负载阻抗。当

7、j∞L．Jrj∞L。12=0时，超导变压器一次侧电压“被补偿为零，限流器对系统运行无影响，此时初始补偿电流，，由式(2)可知。其中k为互感耦合系数，k=LM／、／￡1L2：厶=告=TI,LlX／蕊M=器／'2(2)L托L厶l十，托二次侧电压职=一j甜￡：厶+．i(oLMJ。，结合式(2)，推出此时U2--jto(后一_1)L何L21。。若耦合系数五≠1，二次侧电压不为零．变流器将会提供功率给二次侧线圈．其值为S。=玑(一厶)=j∞卜})饥五，1(一11L。,vc7-兀)=j09(寺一1旧，}(3)由式(3)可知：在系统正常运行时，变流器将提供

8、一定值的纯感性无功给变压器二次侧线圈．其大小与耦合系数的平方有关。当发生短路故障时(易被短接)，主电流将从J。上升至h，超导变压器一次侧电压将上升至∥。，。玑=Lf