Current-limiting characteristics of saturated iron-core fault current limiters in VSC-HVDC systems based on electromagnetic energy conversion mechanism

A common method to examine the current-limiting performance of saturated iron-core fault current limiter(SI-FCL) in high-voltage direct-current transmission based on voltage source converter(VSC-HVDC) systems is to solve differential equations based on the system fault transient characteristics and the equivalent inductance calculation equation. This method analyzes the fault current of the VSC-HVDC system in the time domain. However, it is computationally complex and cannot directly reflect the relationship between parameters and the currentlimiting effect of the SI-FCL.In this paper,the relationship between the magnetic flux density and magnetic field energy of the SI-FCL is analyzed. The energy exchange between the DC capacitor and the SI-FCL in the DC short circuit fault process is analyzed. From the perspective of electromagnetic energy conversion, the criterion for determining the current-limiting ability of the SI-FCL in the transient process is given based on the parameters of the SI-FCL and VSC-HVDC system. On this basis, the characteristics of the DC side fault current and the capacitor voltage when the SI-FCL has current-limiting ability are examined.Based on the parameters of the SI-FCL and VSC-HVDC system, a method for calculating the fault current peak value and capacitor voltage drop time is given. Finally, the accuracy of the analysis of the SI-FCL in the VSC-HVDC system based on the electromagnetic energy conversion mechanism is demonstrated through a case study and simulation results of the VSC-HVDC system with different SI-FCLs.

紧凑型混合励磁三相饱和铁芯型故障限流器

加装饱和铁芯型故障限流器是限制高压系统短路电流的有效方法,但其需要与外加的限流空心电抗器配合,导致整个限流系统占地面积和体积很大。因此,基于非正交解耦原理提出了一种紧凑型混合励磁三相饱和铁芯型故障限流器(compact hybrid-biased three-phase saturated core fault current limiter,CTFCL),其具有占地面积和体积小的优点。首先,提出了含非正交解耦绕组的CTFCL拓扑。其次,建立了CTFCL的等效电磁路模型,分析了其工作原理。然后,给出CTFCL的参数设计准则,搭建了220 kV的有限元模型,仿真验证了CTFCL的限流效果和电磁特性。最后,设计并研制出小容量样机,开展了实验研究。仿真和实验结果均证明了该文所提CTFCL的有效性,CTFCL对各种短路均有良好的限制效果,且对比得到CTFCL限流系统占地面积和体积较传统三相SCFCL限流系统分别减少了44%和26%,适合实际高压系统的安装与应用。

基于非正交解耦原理的紧凑型高压交流磁饱和限流器研究

磁饱和故障限流器需要外加空心电抗器来提升限流性能,这导致体积和占地面积大,为此提出了一种基于非正交解耦原理的紧凑型高压交流磁饱和限流器(compact saturated core fault current limiter,CSFCL),其具有占地面积小、体积小和限流性能较好的优点。首先介绍了非正交解耦原理,结合传统混合励磁饱和铁芯型故障限流器(hybrid type SFCL,HSFCL)的磁路结构,提出了集成非正交解耦绕组的限流器拓扑,分析了其等效磁路和电路模型,并阐述了限流器的工作机理。然后提出一种带气隙的多段解耦绕组电感计算方法,较传统方法精度提升35%。再对限流器响应时间和限流比进行参数设计计算。接着进行了220 kV CSFCL和HSFCL有限元仿真,验证了理论分析的正确性。最后设计研制出限流器小容量试验模型,并开展了试验研究,对比得到CSFCL限流系统总体体积相较于HSFCL减少47.8%,占地面积减小85.1%。仿真和试验结果均证明了该拓扑的有效性。

二硼化钛颗粒材料的电阻变化特性及其在故障限流中的应用

二硼化钛(TiB2)颗粒材料具有故障限流的潜力。为实现这个目标,对颗粒材料的限流特性进行了研究。首先对压力-电阻关系进行了分析,二者满足幂函数关系。然后制作基于颗粒材料的样机,通过试验研究了材料尺寸和机构速度对限流效果的影响,发现材料尺寸越大、速度越快,限流效果越好。为进一步验证材料的限流能力,对材料的耐压特性进行测量,发现颗粒材料电压存在一个饱和值,该值取决于颗粒尺寸与材料性质。最后在PSCAD中建立颗粒材料电阻模型,对材料在电力系统中的限流效果进行仿真。仿真结果表明:颗粒材料与电抗器并联限流的方案可行性更高,可将故障电流峰值从34 kA限制到25.9 kA。该研究为颗粒材料在故障限流中的应用提供了参考。

新型饱和铁心高温超导限流器的实验研究

饱和铁心型超导限流器的直流超导绕组中的直流影响短路故障电流的限流效果,研究发现,饱和铁心型超导限流器直流超导绕组中的直流还可以抑制谐波,并减少正常情况交流电流的波形畸变率。该文提出了一种新型饱和铁心高温超导限流器。新型饱和铁心高温超导限流器在正常工作情况下,两个固态开关SSTS处于闭合状态,直流超导绕组中的直流使饱和铁心型超导限流器处于饱和状态,限流器不会出现限流现象。在短路故障情况下,两个SSTS快速动作,断开限流器直流超导绕组中的直流,提高限流能力,同时使限流电阻快速串入超导限流器的交流回路限流,进一步提高限流效果。研究了该新型限流器的工作原理,分析限流参数的变化对其限流特性的影响。通过仿真和和实验研究发现,新型限流器的限流效果非常明显,并能实现线路重合闸,电网的稳态和暂态短路电流显著减少,电网电能质量和动态稳定性得到有效提高。

改进型饱和铁心高温超导限流器的实验研究

提出一种改进型饱和铁心高温超导限流器,其原副边绕组均采用超导绕组,在正常工作情况,没有限流现象。在短路故障情况,由于饱和铁心型高温超导限流器直流绕组中的直流电流影响限流能力,利用IGBT1快速断开直流电流以提高限流能力;同时断开限流器交流回路的IGBT2,使与之并联的限流电阻串入限流,提高了限流能力。研究了该限流器的工作原理,分析限流参数的变化对其限流特性的影响。仿真结果及实验结果表明,该限流器能抑制电力系统的谐波,具有明显的限流效果,能显著减少电力系统的暂态和稳态故障电流,实现线路重合闸,提高了电网电能质量和电力系统动态稳定性。

电感式直流限流器研究综述

高压直流系统短路故障电流抑制问题是目前直流系统保护的核心问题之一,电感式直流故障限流器能深度抑制系统短路电流上升速度,是解决短路故障电流问题的有效方法。该文首先分析了直流系统的故障电流特性,提出了限流器性能评价指标。其次,分析了磁通耦合型、饱和铁芯型和固态型3种电感式直流限流器的工作原理、电气特性和最新研究进展。然后,归纳和对比了不同类型电感式直流限流器的电感增益倍数、动态响应时间、耐压/通流能力和成本等性能评价指标,并给出了各自优缺点和适用的直流电压等级。最后,根据未来直流电网的发展趋势,给出了各类限流器亟待解决的关键技术问题,如超导材料的失超一致性问题、饱和铁芯限流器的励磁系统性能问题、固态限流器的多功能化等,为直流限流技术的进一步研究方向做出了展望。

两种经济型故障限流器的工作特性比较

为降低大容量输电系统的短路电流水平,提出一种基于饱和电抗器的串联谐振式故障限流器。通过仿真,分析了暂态限流特性,并与基于ZnO避雷器的串联谐振式限流器进行比较。获取饱和电抗器式限流器的较好工作特性需要铁芯磁滞回线、电容器与串联电抗器参数之间的优化配合,关键是降低电容器的过电压。而ZnO避雷器式限流器易于限制电容器的过电压,但短路电流水平限制较低时,会导致串联电抗器上较高的过电压,因此一般不应选取过大的串联电抗器值。由于技术经济性好、结构简单、可靠性高等优点,这两种故障限流器可望在电网中较早获得应用。

大容量永磁饱和型故障限流器参数设计与优化

为适应大容量应用需求,针对一种直线式永磁饱和型故障限流器(permanent-magnet-biased saturation based fault current limiter,PMFCL)磁拓扑结构,基于等效磁路法建立了以饱和深度比、电感比与电感和为基本变量的结构参数设计算法,并通过分析铁心上工作点的变化规律,将PMFCL结构参数优化转化为对3个独立变量的优化,即对铁心i-Be曲线上3个关键点的优化问题,为获得最优结构参数奠定了算法基础。将参数优化算法应用于110 kV系统设计实例,并基于Maxwell-2D软件建立了直线式PMFCL的场–路耦合仿真模型,验证了算法及优化结构参数的有效性。

新型磁控式故障限流器

提出一种新型磁控式故障限流器,它由电流源提供直流电流,并采用晶闸管导通切断直流电流。阐述了新型磁控式故障限流器的基本工作原理与基本结构。设计了一台220 V的新型磁控式故障限流器实验样机,对样机的性能进行了测试。测试结果表明:电力系统正常运行时,磁控式故障限流器对电力系统正常输电能力影响较小;电力系统发生短路故障时,磁控式故障限流器可以用20 ms左右的时间把短路电流减小至危害较小的程度。

磁饱和型故障限流器的研究与发展

分析了传统故障限流技术的优势和存在的问题,指出研制性能优良、经济合理的新型故障限流器对电网发展具有重要的现实意义和应用价值.在给出饱和电抗器的一般工作原理的基础上,详细介绍了超导磁饱和型故障限流器的拓扑结构及其工程实用化遇到的难题.比较了永磁饱和型故障限流器的各种拓扑结构及其发展演变过程,提出了三相永磁饱和型故障限流器的三种物理拓扑结构.最后结合永磁饱和型故障限流器的结构设计,阐述了四个关键技术难题.

一种新型永磁磁饱和式故障限流器的研究

故障电流限制器是一种重要的限制故障电流的设备。提出了一种新型内部永磁偏置式的导磁体结构,并构成一种新型磁饱和故障限流器。对这种限流器的工作原理进行了分析,给出了限流器设计的一些主要参数。在220 V系统下设计并制作了限流器模型,并用Matlab对限流器在正常及故障情况下的特性进行了仿真。试验结果与仿真结果基本一致,设计的模型限流器可以达到预期的限流效果。这种新的结构的优点是造价经济、结构简单、反应迅速和不需要检测控制装置。

饱和铁心型超导限流器压敏电阻的实验

压敏电阻可抑制超导限流器断直流时产生的高压,同时加速直流励磁能量的释放以促使限流器交流侧快速退饱和,进入感性限流状态。为验证其保护和能量吸收作用,用NI采集卡、Labview以及其他电流电压传感器和可控的IGBT器件设计和制造了检测控制系统。对不同压敏电压等级的压敏电阻进行断直流的放电实验以验证其抑制电压的保护作用。结果表明:断直流时储存能量的释放是超导限流器产生高压的原因;励磁储能一定且压敏电阻通流量一定的条件下,压敏电压越大断直流产生的电压也越大,同时电流断开时间越小则能量释放时间越小。所得结果为设计更大容量的超导限流器,选择不同压敏电阻的压敏电压和通流量等级提供了实验和计算参考。

基于钕铁硼永磁材料的饱和铁心故障限流器研究

饱和铁心故障限流器(saturated core fault current limiter,SFCL)是限制系统短路电流最有效的措施之一。为减小其直流偏置电源功率和附加能耗,除了采用超导线圈偏磁外,通过钕铁硼(Nd Fe B)永磁材料偏磁也逐渐受到业界的关注,但Nd Fe B的偏置能力和稳定性限制了其应用。针对现有方案的不足,提出了一种新型混合式饱和铁心故障限流器(hybrid type SFCL,HSFCL),基于电磁耦合的方法,研究了其拓扑原理及工作特性。新结构不仅能减小损耗,减小体积,保证限流效果,还能克服Nd Fe B偏磁能力不足和因涡流效应而产生的稳定性问题;正常工作情况下,Nd Fe B磁路不会有交变磁通;限流工作情况下,Nd Fe B永磁体的涡流损耗能降到传统结构的12.7%。通过麦克斯韦(Maxwell)场路耦合仿真和样机实验,证明了理论分析的正确性和新结构的有效性。

饱和铁心型高温超导故障限流器仿真建模及短路特征研究

在建立饱和铁心型高温超导故障限流器(saturated iron-core type high temperature superconductive fault current limiters,SR-SFCL)电磁暂态仿真计算模型基础上,对电网发生短路故障后SR-SFCL一次绕组与励磁绕组的电流、电压过渡过程进行了定量计算,深入研究了一次绕组与励磁绕组电流、电压的特征和相互关系,分析了限流器对短路电流交流分量初始值、冲击电流和稳态短路电流的限制效果。研究指出:SR-SFCL对稳态短路电流具有很好的限制作用,充分发挥限流效果的关键是缩短励磁回路的灭磁时间,灭磁时间与一次电流、灭磁电阻取值等因素关系密切。

新型固态限流器中饱和型耦合变压器的设计

变压器耦合新型固态限流器能够在满足有效限制电网短路电流的前提下,通过合理设计饱和型耦合变压器,达到缩小限流器整体体积、降低成本的目的。文中研究并提出一种变压器耦合新型固态限流器中饱和型耦合变压器的设计方法:首先,在空心电抗器设计的基础上,运用场路结合的有限元法,得出在特定匝数下饱和型耦合变压器的初步设计参数;然后,进一步得出在具有同样限流水平的前提下,饱和型耦合变压器正常运行(副边等效短接)时的漏抗压降,以及故障限流(副边等效开路)时副边电压随铁芯芯柱半径的变化规律,并通过曲线拟合寻优,得到最佳设计。最后,通过小样机实验,验证了该设计方法的正确性。

开关特性饱和电抗器原理及其实验

提出一种开关特性饱和电抗器,它是变压器参数与饱和电抗器性能结合的产物。提出的开关特性饱和电抗器可作为一种交流电路无源开关使用,工作原理简单、可靠,可通过控制电压等级很低的电力电子器件,控制很高电压等级电力系统交流输电回路的开关状态。阐述了这种开关特性饱和电抗器的基本工作原理与基本结构。开关特性饱和电抗器非线性暂态过程的理论分析十分困难;设计制造了220V的实验样机,采用大量实验的方法总结开关特性饱和电抗器变化规律。实验表明,提出的开关特性饱和电抗器原理可行;暂态过程与电流大小有关;在截止过程中,开关特性饱和电抗器具有电流越大暂态过程越短的特性;该特性有利于实现短路电流限制器功能。

饱和铁心型超导限流器故障电流快速模式识别

分析了开断直流励磁以及断开速度对该类超导限流器限流效果的影响,指出短路故障电流需要快速识别,设计和制造了三相小样机和相应的基于Labview和NI板卡的实时检测控制系统。提取了短路故障电流的三个重要特征:电流实时幅值、电流变化率、故障时高电流变化率的持续时间,根据特征进行神经网络感知机模式分类,离线在Matlab环境下训练神经网络找出线性分类面,在NI板卡内部的FPGA上实现分类神经元,并综合采用阈值模糊化的方法,对故障进行复合决策,以提高辨识准确性和速度。对阈值法和复合决策法进行的比较实验,表明了该方法的有效性。

永磁饱和型故障限流器的高压大容量化分析

为提高永磁体的偏置能力以利永磁饱和型故障限流器朝高压大容量发展,从温度和外磁场两方面分析了钕铁硼永磁体的稳定性问题,论证了其应用到该限流器的可行性;提出"饱和深度比"的定义,指出改善永磁体的偏置能力与提高铁心的饱和深度比等价;基于一种结构参数可调的永磁饱和型故障限流器拓扑,分析了限流器结构参数与铁心饱和深度比的数量关系,并通过有限元法仿真以及实验加以验证;最后给出了10kV等级永磁饱和型故障限流器的一个设计实例。仿真与实验结果均表明,增加永磁体的厚度与截面积可获得较优的偏置能力,实现永磁饱和型故障限流器的高压大容量化在技术上是可行的。

饱和铁心型高温超导限流器的计算

】阐述了饱和铁心型高温超导故障电流限制器（ＳＣＨＴＳＦＣＬ）的工作原理，推导出设计限流器参数的公式。采用（Ｂｉ，Ｂｂ）２２２３／Ａｇ带材，完成了１０ｋＷ／５００Ａ级故障限流器的设计。计算结果表明：该限流器无论结构尺寸和运行特性，还是对Ｂｉ系带材的要求，都是可行的。