国网河北省电力有限公司检修分公司 河北省石家庄市 050000
摘要：VSC-HVDC弥补了传统高压直流输电的固有缺点，被普遍运用在大规模远距离新能源输电等方面。但是，目前可使用在VSC-HVDC系统中的直流断路器还未研发完成，保护直流系统和快速隔离故障已经是其进一步发展的绊脚石。为了解决柔性直流输电系统故障隔离问题和限制故障线路过大的短路电流，应用超导故障限流器愈来愈被人们重视。本文介绍了超导限流器的物理特性与工作原理，同时在PSCAD/EMTDC平台上搭建并简化了电阻型超导故障限流器模型。
关键词：柔性直流输电；超导故障限流器；模型搭建
0引言
由于柔性直流输电线路铺设的范围比较大，与换流站自身的电气装置相比，线路发生故障的可能性较大，而且对系统的威胁也更大。另一方面，以400kV/1000MW的直流输电线路为例，综合成本价格和建设价格，电缆的费用大概为架空线路费用的八倍，所以VSC-HVDC大规模使用架空线路会是将来电力系统发展的主要趋向。但是，对比架空输电线路和直流电缆线路，前者的发生短路与断线故障的可能性要多很多。以目前的研究现状，已经有一些文献深入研究了当发生换流站内部故障与三相交流故障时，系统的详细保护措施与具体解决方案，但是VSC-HVDC的直流线路发生故障时的保护方案还处于研究的起步阶段。一旦碰到直流线路短路，一般的策略为VSC-HVDC系统通过变化换流器的运行方式，进而使其线路的短路电流显著降低，并改变整个系统保护定值来进一步提高整个系统的可靠性和利用率。但是，目前直流断路的研发还在初级阶段，一旦发生直流短路不可利用直流断路器隔离故障。为了防止三相交流电流进入直流侧，同时改善短路所造成的直流电压剧烈波动的问题，要求换流站闭锁后，凭借交流断路器来断开直流故障回路。常规断路器断开的速度受其原理限制，动作时间最短也要0.04秒，在这段时间电力电子器件大概率因为冲击电流而损坏。而且利用交流断路器断开故障回路，会使整个VSC-HVDC系统的全部退出运行，大大降低了VSC-HVDC系统的利用率，同时多次开断交流断路器也会减少其使用寿命[1]。
1故障限流器介绍
目前可再生能源迅速增长，电网构造越来越繁复，有时会出现同一时刻好多位置故障电流过大的情况，传统的限流技术已不能满足电网进一步发展的需要。超导材料与技术则提供了全新的解决方案，超导故障限流器在稳态时显低阻抗、限流时显高阻，并且具有快速自动响应恢复的特点，截至目前，具有这种理想性能的限流装置通过常规技术制造的是无法实现的。超导限流器依靠其独有的优势性能，被认为是发展前途光明和颇具市场竞争力的新型电力设备[2]。
根据超导故障限流器进入高阻态时阻尼特点的不同可区分为电阻型和电抗型两种。对比罗列了这两种类型超导故障限流器的主要特性，如表1所示。
表1 电阻型与电感型超导故障限流器特点对比
这其中电阻型超导故障限流器的工作原理简单并且其构造单一；体积较小，重量较轻；一旦进入高阻态限流阻抗急剧变大，抑制故障电流能力比较强；设备大小还能够经过超导体串并联的方法来改变。
2电阻型超导限流器的工作原理及建模
临界电流Ic、临界磁场Hc和临界温度Tc是超导体的3个临界参量。一旦其中的某一个参量大于了超导体临界值，其将马上进入高阻态[3]。
在电阻型超导故障电流限制器中，令RSFCL为超导限流器的电阻值，电阻型超导故障电流限制器失超可模拟为时间的指数函数，即
（1）
式中Rm为电阻型超导故障电流限制器失超后的高阻态稳定电阻值，Tsc为超导态过渡到高阻态的时间。
为了简便模型设计，根据公式（1）简化为可变电阻模型。设高阻态时最终稳态电阻Rm为10Ω，过渡时间Tsc为2ms，利用PSCAD/EMTDC仿真，如图1所示。
图1指数函数模型仿真图
由于失超过程时间极短，也可以用线性函数来代替公式（1）中的指数函数，对模型进一步进行了简化处理。设高阻态时最终限流电阻Rm为10Ω，过渡时间Tsc为2ms，利用PSCAD/EMTDC的仿真结果如图2所示。
图2 线性简化模型仿真图
3结论
本文基于超导体的物理特性与工作原理，在 PSCAD／EMTDC 软件平台搭建了电阻型超导故障限流器的电磁暂态模型，并将指数函数模型再次简化为线性模型，此模型不仅获得电阻型超导故障限流器准确的物理外特性，又为日后研究电阻型超导故障限流器的深入研究提供了简化模型。
参考文献：
[1] 李斌，何佳伟.多端柔性直流电网故障隔离技术研究[J].中国电机工程学报，2016，36（01）：87-95.
[2] 李旭，陈树勇，唐晓骏，等.电阻型超导故障电流限制器应用于VSC-HVDC系统的位置优选研究[J].电力建设，2016，（07）：78-83.
[3] 陈妍君，顾洁，金之俭，等.电阻型超导限流器仿真模型及其对10kV配电网的影响[J].电力自动化设备，2013，33（02）：87-91+108.
论文作者:李旭,刘旭阳,孙新杰,钱伟,章雅纯
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：超导论文; 故障论文; 电阻论文; 模型论文; 电流论文; 线路论文; 断路器论文; 《基层建设》2019年第5期论文;