一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路的研究

路佳宁，信 赢，王常骐，杨 超，杨天慧

一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路的研究

路佳宁，信 赢，王常骐，杨 超，杨天慧

(天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

基于电压源型换流器的高压直流输电系统的故障电流幅值大、上升速度快，现有直流断路器的故障电流开断容量和开断速度受到很大挑战。提出一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路，利用饱和铁心型超导限流器及限流电阻共同作用实现阻感复合限流，并借助吸能电阻达到加速故障电流清除、缓解直流断路器开断压力的目的。根据直流故障暂态特性，结合该混合直流限流电路与混合式直流断路器的配合策略，分阶段对该混合直流限流电路的工作原理进行理论解析。通过数学推导给出所提混合直流限流电路的参数设计原则。最后，在PSCAD/EMTDC仿真平台中对所提混合直流限流电路的原理正确性和功能有效性进行验证。结果表明，所提混合直流限流电路能有效抑制故障电流、缩短故障线路隔离时间、减少避雷器吸能并能实现饱和铁心型超导限流器快速恢复。

直流故障；混合直流限流电路；饱和铁心型超导限流器；直流断路器；阻感限流效果

0 引言

基于电压源型换流器的高压直流输电系统(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC)由于具有控制方式灵活、可以实现有功功率控制和无功功率控制解耦等优势[1-5]，得到广泛关注。

然而，VSC-HVDC在系统发生直流侧短路故障时，直流故障电流在几毫秒内快速上升达到额定电流的几倍甚至几十倍[6-7]。而现有的混合直流断路器(Hybrid DC Circuit Breaker, HDCCB)难以在如此短的时间内开断如此大的故障电流[8]。因此，开发能够限制故障电流的直流限流装置，与现有的HDCCB配合完成对VSC-HVDC系统的保护是十分必要的。

目前的直流故障限流装置根据限流方式主要分为：电阻型限流器[9-11]、电感型限流器[12-14]和混合型限流器[15-17]。电阻型限流器能通过增大故障回路等效电阻来改善系统的阻尼特性、减小故障电流幅值。现有的电阻型超导限流器利用超导材料的失超电阻实现对故障电流的抑制作用，具有结构紧凑、原理简单、制造工艺较为成熟的特点，在全球范围内已形成多处工程应用示范。相比于电阻型限流器，电感型限流器在抑制故障电流上升率方面更具有优势，能更好地与HDCCB配合清除系统故障[18]。前人在研究电感型故障限流器的实现方面作了大量工作[19-22]，但对于配置HDCCB的直流系统来说，借助大电感限流，会延长故障线路的隔离时间，且电感储存的能量可能会导致HDCCB中避雷器因热过载而损坏。

为了减少大电感接入线路带来的负面影响，文献[23]提出由限流电感及并联吸能支路(由电阻和晶闸管构成)组成的混合限流电路，该方法减少避雷器吸能和加速故障电流衰减的效果明显，但限流电感始终串联在直流线路中，系统稳定及控制响应速度受串联电感值的影响较大；文献[24]提出在断路时限流电感快速旁路的方法，有效降低了避雷器的耗能；文献[25]提出了一种快速响应直流限流器拓扑，该拓扑在永磁饱和型限流器基础上，通过磁耦合引入辅助支路，避免了大电感长期投入的问题，但永磁体退磁的问题客观存在。

饱和铁心型超导限流器(Saturated Iron-Core Superconducting Fault Current Limiter, SI-SFCL)具有在系统正常时低阻抗不影响系统运行，在系统故障时高阻抗进行限流的重要特点[26-27]，能够实现电力系统中理想的限流性能。已有部分文献针对SI-SFCL在柔性直流系统中的应用进行了研究[28-29]。然而SI-SFCL作为电感型限流器，只能限制故障电流的上升速度，无法有效减小直流故障电流的稳态值，且限流电感量越大，SI-SFCL的恢复时间将会越长。

综合以上问题，本文提出了一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路(以下简称“限流电路”)，通过阻感复合限流抑制故障电流，配合直流断路器加速故障线路隔离并减少避雷器吸能。首先，介绍该限流电路的基本结构和工作原理。接着，给出限流电路参数设计的原则。最后，在PSCAD/ EMTDC中搭建仿真模型，研究该限流电路的有效性及不同电路参数对其作用效果的影响。

1 基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路拓扑结构

限流电路拓扑结构图如图1所示。该限流电路由限流SI-SFCL单元、限流1单元、吸能2单元三部分组成。

图1 基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路拓扑结构图

(1) 限流SI-SFCL单元为饱和铁心型超导限流器，结构如图2(a)所示。其主要由矩形闭合铁心、铜绕组、超导绕组及直流电源(DC Source)组成。1、1代表超导绕组的匝数、电流，2、2代表铜绕组的匝数、电流。图2(b)为铁心的简化-曲线。铁心饱和磁感应强度记为k，对应的磁场强度记为k。

图2 饱和铁心型超导限流器结构图及简化B-H曲线

系统正常运行时，SI-SFCL的铜绕组与直流电网直接相连，直流电源为超导绕组提供偏置电流，使得铁心处于深度饱和状态，即SI-SFCL工作在W点，铁心磁导率很小，记为L，此时SI-SFCL的电感很小，记为L；当系统发生故障时，铜绕组中故障电流迅速增大，迫使铁心退饱和，SI-SFCL工作点迅速由W转移至A1，此后故障电流继续增大，SI-SFCL进入非饱和区，此时的铁心磁导率很大，记为H，SI-SFCL呈现大电感H，限制故障电流上升率。

(2) 限流1单元由限流电阻1及与1并联的IGBT组构成。系统正常运行时，IGBT导通，1被旁路并不接入直流回路中；当系统发生故障时，IGBT关断，1接入直流故障回路，起到辅助限流的效果。

(3) 吸能2单元由吸能电阻2及二极管组D串联构成。由于二极管的单向导通特性，根据拓扑其正常运行中不会导通，只有当吸能单元承受反向电压时才会投入电路。

2 限流电路工作原理

通过对该限流电路与混合直流断路器进行时序配合清除短路故障的全过程进行分析，详细介绍该限流电路的工作原理。

2.1 混合直流断路器

典型的混合直流断路器(HDCCB)拓扑结构[30]如图3所示。HDCCB由通流支路(LCB)、电流转移支路(MCB)和耗能支路(EDB)三部分并联组成。系统正常运行时负荷电流流经LCB，通态损耗较小。当系统发生直流故障后，电流转移开关(LCS)接收到故障信号后关断，故障电流换流至提前导通的MCB中；当LCB中的电流减小到零时，快速机械开关(FMS)打开，实现了无弧分断，此时关断MCB；EDB中避雷器(MOV)由于承受过电压而动作，吸收故障电流，直到故障电流减小至隔离开关(RCB)能承受的关断容量后，RCB打开，直流断路器完成对故障线路的隔离。

图3 混合直流断路器拓扑结构图

2.2 限流电路工作原理分析

VSC-HVDC系统直流侧故障中两极短路故障最为严重，故本文对两极短路故障进行分析。两极短路故障一般分为三个阶段：电容放电阶段、二极管全导通阶段和不控整流阶段。一般要求在电容电压跌落至零前完成对直流故障的隔离，因此本文只考虑电容放电阶段，且忽略交流侧电网的影响[31]。

限流电路与混合直流断路器的配合时序如图4所示。

图4 限流电路与混合直流断路器的配合时序图

其具体流程如下所述。

(1) 正常运行阶段(0—0)：系统正常运行，额定电流为N，该电流不足以使SI-SFCL的铁心退饱和，SI-SFCL呈现小电感L。此时负荷电流流经处于导通状态的IGBT组，1被旁路。同时，二极管组D由于承受反向电压关断，吸能单元2不会接入电路。这一阶段，HDCCB的LCB为负荷电流提供通路。

图5 SI-SFCL单独限流阶段原理图

图6 混合限流阶段原理图

为简化分析，忽略此阶段直流侧电压变化，用恒定直流源min代替电容电压[22]，并且忽略线路参数的影响。因此，该电路的KVL方程为可用式(5)表示。

采用回顾性分析方法，应用Excel软件统计患者的姓名、年龄、临床诊断、用药方案、呕吐反应等情况，以国内外多版本恶心呕吐防治指南为依据，建立防治CINV药物应用的评价标准，见表1。根据评价标准对患者应用防治CINV药物的合理性作出评价和分析。

图7 线路电流清除阶段原理图

由此可求得线路电流衰减到零的时间c(即4—3)：

显然，吸能电阻2的加入减少了线路故障电流衰减时间，并且2越小，线路电流衰减时间c越短。

当线路故障电流降至RCB可以承受的开断值，RCB打开，隔离故障线路。但此时SI-SFCL中仍存在剩余电流，记为0。因此，线路故障电流清除阶段系统中总能量变化为

则MOV吸收的能量MOV为

式中：1表示限流电阻1吸收的能量；2表示吸能电阻2吸收的能量，可由式(9)求得

可以看出，吸能电阻2及限流电阻1能有效降低MOV的吸能，缓解MOV的吸能压力。

(6) SI-SFCL恢复阶段(4—5)：故障线路隔离后，SI-SFCL中存在的剩余电流0经H、1、2形成独立回路消耗。此阶段原理图如图8所示，相应的电路方程为

因此，独立回路电流L由0衰减到can的时间L为

可以看出，电阻2越大，衰减时间L越小，表明回路电流L衰减越快，SI-SFCL恢复越迅速。

3 限流电路参数设计原则

本节在上述限流电路拓扑及工作原理的基础上给出该限流电路参数的设计原则。

3.1 饱和铁心型超导限流器的设计

对于SI-SFCL参数的设计，需满足以下几点。

(1) 由于SI-SFCL为非失超型超导限流器，所以SI-SFCL中流过超导绕组的电流必须始终保持小于超导绕组的临界电流c，一般取1＜c，式中＜1为安全系数。

(2) SI-SFCL在系统正常运行时，应保证铁心处于深度饱和状态，则根据安培环路定理有：

式中，表示磁路长度。

并且SI-SFCL的电感值可以采用式(15)计算[26]：

式中，表示铁心截面积。

(4) 除此之外，还应当保证SI-SFCL在整个限流过程中始终具有强限流能力，即在限流过程中铁心不会进入反向饱和区。

因此，为保证故障过程中铁心不进入反向饱和区，需满足：

3.2 IGBT的设计

设计IGBT最重要的参数就是其耐压上限max及额定电流rated。当IGBT开断后，其应能承受由1导致的压降，即IGBT组的耐压值应高于其两端过电压，如式(19)。

式中：IGBT为故障期间IGBT组最大过电压；1为耐压可靠系数，通常取0.9～0.95；表示串联IGBT个数；max为单个IGBT的耐压上限。

3.3 限流电阻R1的设计

因此，1的取值需满足：

3.4 二极管的设计

在故障限流阶段，二极管组D应当能承受系统故障时SI-SFCL和1两端的过电压，即

式中：D为单个二极管的最高反向工作电压；2为耐压可靠系数，一般取0.9～0.95；表示串联二极管个数。

3.5 吸能电阻R2的设计

由原理分析部分可知，系统在隔离故障线路后，SI-SFCL中剩余电磁能经独立回路中的1、2消耗，这个过程需要一定的时间L。考虑到系统重合闸，SI-SFCL的恢复时间应不超过系统重合闸时间reclosing，即L≤reclosing。故2应满足：

4 仿真验证

图9 VSC-HVDC系统

表1 VSC-HVDC系统运行参数

4.1 限流电路有效性仿真验证

表2给出了限流电路仿真参数。为验证所提限流电路的有效性，进行了以下四组系统短路仿真：

(A) 无限流电路；

(B) 仅有限流SI-SFCL单元；

(C) 含有限流SI-SFCL单元和限流1单元；

(D) 采用本文所提限流电路，即包括限流SI-SFCL单元、限流1单元和吸能2单元。

结果如图10所示。

由图10(a)可以看出，在无限流电路情况下，故障电流在3 ms内由额定值1 kA上升至最大值42 kA，远超出了HDCCB的最大开断电流9 kA，HDCCB不能完成故障线路隔离。SI-SFCL及1接入故障回路后，故障电流的上升速度被显著抑制了，并且故障电流幅值也被限制在HDCCB的开断容量之内。通过对比B、C、D三组仿真结果可以看到，接入吸能电阻2后，故障线路隔离时间(即4-0)缩短约2 ms。

表2 限流电路参数

图10 限流电路有效性验证仿真结果

由以上分析可知，在无限流电路(A组)情况下，HDCCB未能完成故障切除，因此不考虑该情况下SI-SFCL两端电压、HDCCB中避雷器吸收的能量以及HDCCB的过电压。

对于SI-SFCL而言，加入吸能电阻2后，在故障线路切除过程中其最大过电压由264 kV下降至161 kV，下降率达39%，显著降低了SI-SFCL的绝缘设计要求，如图10(b)所示。

B、C、D三组仿真的避雷器吸能如图10(c)所示。仅有SI-SFCL时，避雷器吸能为4.2 MJ，加入1后，避雷器吸能减少至2.9 MJ，再加入2，避雷器吸能仅0.38 MJ。可以看出，限流电阻1和吸能电阻2(尤其是2)能有效减少避雷器吸能。

由图10(d)可见，本文所提限流电路有助于降低HDCCB的过电压，从而减少HDCCB的制造成本。

4.2 限流电路中电阻的影响

本节主要探究不同阻值的限流电阻1与吸能电阻2对所提限流电路作用效果的影响，SI-SFCL参数与4.1节中保持一致。

4.2.1 限流电阻1的影响

设置2为30 Ω，图11为不同阻值1对限流电路作用效果的影响仿真结果。当1从0 Ω增大到20 Ω时：HDCCB所需开断的故障电流幅值由6.9 kA降低至5.4 kA，但是故障电流下降到零的时刻基本一致，表明故障线路隔离时间基本相同；避雷器吸能由548 kJ减少到288 kJ。显然，随着1阻值的增大，故障电流的上升率、幅值和避雷器吸能均减小了，但是增大1对于加快故障线路隔离作用不大。

4.2.2 吸能电阻2的影响

设置1为10 Ω，不同阻值2对限流电路作用效果的影响仿真结果如图12所示。当2分别为10 Ω、20 Ω、30 Ω、50 Ω、100 Ω时，故障线路隔离时间分别为4.3 ms、4.35 ms、4.5 ms、5.3 ms、6 ms，避雷器吸收的能量分别为289 kJ、327 kJ、388 kJ、683 kJ、1 433 kJ。可见，2越小，故障线路隔离时间越短，避雷器吸能越少。然而，由图12(c)吸能2单元电流持续时间可知，2越小，SI-SFCL恢复时间越长，这与第2部分理论分析一致。

图11 不同阻值R1对限流电路作用效果影响仿真结果

图12 不同阻值R2对限流电路作用效果影响仿真结果

4.3 与其他直流限流电路的对比验证

在相同故障条件下，将本文所提限流电路与文献[19]所提限流电路、文献[23]所提限流电路在所搭建的直流系统中进行对比仿真。仿真参数如表3所示，结果如图13所示。

表3 三种限流电路仿真参数

图13 对比仿真结果

由图13(a)和图13(b)可以看到，相比于文献[19,23]的故障电流开断值6.83 kA，在本文所提限流电路的作用下，其相应值仅为6.11 kA。同时相比于文献[19]的故障隔离时间7.25 ms、文献[23]的故障隔离时间5.95 ms，本文提出的限流电路故障隔离时间仅4.5 ms，时间缩短率分别约为37.9%和24.4%。并且本文所提限流电路在故障开断过程中避雷器的吸能压力更小一些。

由于本文及文献[23]增加了吸能电阻，会导致在HDCCB隔离故障线路后，SI-SFCL或电感中仍存在剩余能量，该能量需经过吸能电阻2释放。图13(c)给出了流经吸能电阻2的电流R曲线。显然，本文所提限流电路的剩余能量释放更加迅速。这是由于相比于文献[23]：(1) 本文所提限流电路在SI-SFCL释能阶段形成的独立环路中，除存在吸能电阻2外，还包括限流电阻1，1加速了能量释放；(2) 由于本文采用SI-SFCL，当剩余电流降至1.1 kA时，铁心进入正向饱和区，SI-SFCL由大电感恢复小电感运行，SI-SFCL电感值的变化也加速了剩余电流的衰减。三种限流电路性能比较如表4所示。

表4 三种限流电路性能比较

因此，相比于文献[19,23]，本文所提限流电路在系统故障时，限流能力更强、故障切除速度更快、避雷器开断压力更小，并且SI-SFCL恢复迅速。

5 结论

本文提出一种基于饱和铁心型超导限流器的混合直流限流电路，介绍该限流电路的工作原理、参数设计方法，并对其作用效果在VSC-HVDC系统中进行了仿真验证，得到如下结论：

(1) 本文所提限流电路在系统正常运行时呈现低阻抗，在系统发生故障时能够迅速呈现高阻抗，且实现阻感复合限流，既能抑制故障电流上升率，又能限制故障电流幅值；

(2) 在配合混合式直流断路器开断过程中，所提限流电路可以加速故障线路隔离速度，减少避雷器需要耗散的能量，并且限流电阻1越大、吸能电阻2越小，效果越明显；

(3) 故障线路隔离后，饱和铁心型超导限流器可以借助限流电阻1和吸能电阻2泄能，实现快速自恢复。

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Research on an SI-SFCL-based hybrid DC current-limiting circuit

LU Jianing, XIN Ying, WANG Changqi, YANG Chao, YANG Tianhui

(School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

The fault current of a voltage source converter-based high voltage direct current (VSC-HVDC) system has the characteristics of high amplitude and fast-rising speed. Therefore, the available hybrid DC circuit breaker (HDCCB) faces great challenges in breaking capacity and breaking speed. A saturated iron-core superconducting fault current limiter-based hybrid DC current-limiting circuit (SI-SFCL-HDCCLC) is proposed. This uses the saturated iron-core superconducting current limiter and current-limiting resistor to realize the resistive-inductive compound current-limiting. It also uses an energy absorbing resistor to accelerate the fault current clearing and relieve the breaking pressure of the HDCCB. This paper introduces the working principle of the SI-SFCL-HDCCLC theoretically in stages in combination with the coordination strategy of the proposed SI-SFCL-HDCCLC and hybrid HDCCB (HDCCB) based on the transient characteristics of a DC fault. Then the principles of the parameter design of the SI-SFCL-HDCCLC are analyzed with mathematical derivation. Finally, the theoretical correctness and functional effectiveness of the proposed SI-SFCL-HDCCLC are validated in a PSCAD/EMTDC based environment. The simulation results indicate that the proposed SI-SFCL-HDCCLC combined with HDCCB can effectively suppress fault current, shorten the isolation time of the fault line, reduce the energy absorption of the arrester and realize the rapid recovery of the SI-SFCL.

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No.52107023).

DC fault; hybrid DC current-limiting circuit; saturated iron-core superconductive fault current limiter; DC circuit breaker; effect of resistive-inductive compound current-limiting

10.19783/j.cnki.pspc.210688

国家自然科学基金项目资助(52107023)

2021-06-09；

2021-10-25

路佳宁(1996—)，女，硕士研究生，研究方向为超导限流器、柔性直流输电技术；E-mail: 975308494@qq.com

信 赢(1953—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向为超导限流器、超导储能、超导磁悬浮；E-mail: yingxin@ tju.edu.cn

王常骐(1990—)，男，博士，讲师，研究方向为超导限流器、柔性直流系统保护与控制。E-mail: wangchangqi79@ 126.com

(编辑 葛艳娜)