空心超导变压器参数对电压补偿型超导限流器性能的影响

周羽生，莫颖斌，宋萌，施方圆，胡鑫，唐跃进，Sastry Pamidi

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，智能电网运行与控制湖南省重点实验室，湖南 长沙

410004；2.华中科技大学超导电力科学技术研究与发展中心，湖北 武汉 430074；3.Center for Advanced Power Systems，Florida State University，2000 Levy Avenue，Tallahassee，FL 32310）

1 引言

超导限流器（SFCL）的应用将很大地提高限制电网故障电流的能力，提高电网的安全性。从工作原理方面来讲，超导限流器的主要发展趋势有两种:（1）电阻型超导限流器是基于超导体的超导态/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，其优势在于工作原理和结构都很简单，可实现故障自检；（2）补偿型超导限流器充分利用超导体的无损耗高密度载流能力，与电力电子技术和现代控制理论相结合，在故障时投入一个电感来实现限流作用，这种限流器具有良好的动作特性，灵活可控［1，2］。

本文基于电压补偿型超导故障限流器的电路结构和工作原理，研究了其拓扑结构中空心超导变压器的参数设计对限流器工作性能的影响。首先进行了理论分析，然后以电压补偿型SFCL在一个单相接地系统的应用为例，利用Matlab/simulink构建仿真模型，比较了不同变压器参数对限流器工作性能的影响。

2 电压补偿型SFCL的结构和原理

电压补偿型超导限流器是一种新型的超导限流器，它由空心超导变压器和脉宽调制PWM变流器组成［5］，电路结构如图1所示。

系统正常运行时，调节变流器的输出电流与系统电流满足一定关系，使空心超导变压器一次侧两端电压被补偿为0，相当于短路状态，限流器对系统的正常运行无影响。发生短路故障后，当检测到的I1幅值大于一定阈值IT时，通过控制变流器输出电流的幅值和相位来调节限流器等效接入系统的限流阻抗，进而实现限流目的。

图1 电压补偿型超导限流器的电路结构图

图2 电压补偿型SFCL的等效电路结构图

系统正常运行时，电流、电压满足如下方程式:

式中:L1和L2分别为空心超导变压器一、二次侧线圈绕组自感；

M—绕组间互感；

Z1和Z2分别为电源内部阻抗和系统负载阻抗。

因此限流器对系统的正常运行无影响，记此工作状况下PWM变流器的输出电流为:

限流器接入主系统的限流阻抗ZSFCL为:

代入式（6）推出限流阻抗为:

当a=0时，等效于变压器二次侧绕组开路，一次侧绕组串入主回路限流，限流阻抗为:

从对上述原理中3种工作模式的分析不难发现:限流阻抗的大小主要受空心超导变压器一次侧线圈绕组自感L1的影响，随L1的增大，ZSFCL增大，从而使限流器的限流能力得到增强，而L2的取值并不会影响限流效果。此外，在变压器一次侧线圈自感确定的情况下，限流阻抗的大小不受变压器耦合系数和变比的影响，进而不会影响限流效果。

3 仿真分析

为验证以上理论研究的正确性，利用Matlab/simulink对图1进行建模仿真，分析了空心超导变压器不同参数时对电压补偿型超导限流器性能的影响。

模型参数为: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，设置T=0.04s时发生短路故障。

电压补偿型SFCL运行时的限流效果如图3所示。系统正常运行时的电流峰值约为10.7A，SFCL的使用与否对系统的正常运行没有影响。系统发生短路故障后，未加有源SFCL时，故障电流的首峰值上升至177A左右，约为正常电流的16.5倍；当串入有源SFCL时，故障电流的首峰值被有效地抑制在60A的水平，故障限流率达66.1%，充分表明电压补偿型SFCL具有良好的限流能力。

图3 SFCL运行时的限流波形

首先，分析空心超导变压器的耦合系数（k=0.9）和变比（n=1）一定的情况下，变压器一次侧线圈自感不同时对限流效果的影响，L1分别取20mH、30mH、60mH。由图4可知:随着L1的增大，故障电流的峰值呈逐步下降趋势，限流能力增强。

图4 L1对故障电流限制效果的影响

其次，研究L1=20mH和n=1一定的情况下，耦合系数k（k分别为0.8、0.85、0.9）的大小对限流器工作性能的影响。限流波形如图5所示。由图可知，在变压器自感和变比一定，耦合系数不同的情况下，故障电流的峰值没有变化，限流曲线几乎为同一曲线，这说明耦合系数的变化不会影响限流效果。

图5 耦合系数k对限流效果的影响

最后，分析在L1及k一定的情况下，变比不同时对限流器性能的影响，具体参数为:L1=20mH，k=0.9变比n分别为1、2、2.5。此时短路电流的限制波形如图6所示，从而得出结论:在一次侧自感L1及耦合系数k确定的情况下，变比n的变化也不会影响限流效果。

图6 变比n对限流效果的影响

4 结论

本文通过理论研究、仿真分析得到如下结论:①电压补偿型有源超导限流器对系统正常运行无影响，且能在系统故障时能迅速投入把故障电流限制在较小范围内，具有良好的限流能力；②通过调节空心超导变压器二次侧的注入电流，可以控制限流阻抗的大小，从而达到限制故障电流的目的；③限流效果只与变压器一次侧自感的大小有关，L1越大，故障电流的峰值越小，限流能力越强，而空心超导变压器的变比n和耦合系数k的变化不会对限流能力造成影响。

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