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近年來，我國(guó)大力發(fā)展柔性直流輸電技術(shù)（Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC），已相繼建成南澳、舟山、張北等多個(gè)柔性直流電網(wǎng)示范工程。但是，無論換流閥采用兩電平VSC結(jié)構(gòu)，還是采用模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）結(jié)構(gòu)，其直流短路故障發(fā)展快、危害大、切除困難依然是限制柔直技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。

采用故障限流器對(duì)短路電流進(jìn)行限制，降低短路故障對(duì)系統(tǒng)的沖擊，再由直流斷路器完全吸收短路電流并隔離故障線路，是最為直接的解決方法。

超導(dǎo)限流器是目前常用的故障限流裝置，按照不同的限流原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，超導(dǎo)限流器可分為電阻型、飽和鐵心型、橋路型、磁屏蔽型、混合型等。其中，飽和鐵心型超導(dǎo)限流器（Saturated Iron-Core Superconducting Fault Current Limiter，SI-SFCL）以電感鐵心為主要限流元件，通過超導(dǎo)線圈提供勵(lì)磁，使得鐵心在系統(tǒng)正常時(shí)處于深度飽和狀態(tài)，對(duì)外阻抗很低，而在故障下鐵心退出飽和，產(chǎn)生較大的限流阻抗。

得益于超導(dǎo)材料的零電阻特性，限流器的運(yùn)行損耗可以大大降低。此外，這種限流器結(jié)構(gòu)可以使超導(dǎo)線圈不直接承受短路故障電流的沖擊，在整個(gè)限流過程中不發(fā)生失超，降低了超導(dǎo)線圈設(shè)計(jì)難度，也加快了故障限流器的恢復(fù)速度。

飽和鐵心型超導(dǎo)限流器首先應(yīng)用在交流系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，且已有多個(gè)限流器樣機(jī)掛網(wǎng)運(yùn)行。但是針對(duì)飽和鐵心型超導(dǎo)限流器在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用，目前的研究仍處于起步階段。

在直流系統(tǒng)中應(yīng)用飽和鐵心型超導(dǎo)限流器有許多問題需要解決。一方面，飽和鐵心型超導(dǎo)限流器是通過在系統(tǒng)中投入電感分量來實(shí)現(xiàn)限流的，電感分量在交流系統(tǒng)中可以提供持續(xù)穩(wěn)定的阻抗值，而在直流系統(tǒng)中的阻抗值會(huì)隨著電流變化率而變化，隨著短路故障的發(fā)展，其限流效果也會(huì)變得不穩(wěn)定。另一方面，飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的限流作用依賴于鐵心的飽和狀態(tài)，需要對(duì)鐵心飽和度進(jìn)行良好設(shè)計(jì)，盡可能提高鐵心的利用率，從而提高飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的限流能力。

針對(duì)以上問題，華中科技大學(xué)的研究人員對(duì)飽和鐵心型超導(dǎo)限流器在柔直系統(tǒng)中的限流特性進(jìn)行了研究。

圖1 飽和鐵心型超導(dǎo)限流器基本拓?fù)浣Y(jié)

研究人員指出，飽和鐵心型超導(dǎo)限流器在直流系統(tǒng)中的限流特性與交流系統(tǒng)存在區(qū)別，因此兩種系統(tǒng)中飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也略有不同。用于柔直系統(tǒng)的飽和鐵心型超導(dǎo)限流器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鐵心、一次繞組、二次繞組和二極管橋路組成。

其中，鐵心是整個(gè)限流器的核心，其飽和程度將影響限流器整體的阻抗特性。N1、N2分別為一次繞組和二次繞組匝數(shù)，I1、I2為一次繞組與二次繞組上的電流。一次繞組與二次繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，相互抵消。一次繞組為普通的銅繞組，經(jīng)過二極管橋路與柔直系統(tǒng)連接。二次繞組為勵(lì)磁繞組，與恒流源連接，采用超導(dǎo)材料繞制，可以有效降低通態(tài)損耗。

二極管橋路起無控整流作用，在柔直系統(tǒng)中，短路電流IDC的方向有可能為正向，也有可能為反向。而增加二極管橋路后，無論IDC的方向如何，流過一次繞組的電流I1流向都是固定的，保證了一次繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)可與二次繞組磁場(chǎng)相互抵消。

研究人員通過分析指出，飽和鐵心型超導(dǎo)限流器對(duì)柔直系統(tǒng)短路電流峰值具有很強(qiáng)的限制效果，但是對(duì)穩(wěn)態(tài)短路電流幾乎沒有作用。在MMC-HVDC系統(tǒng)中，飽和鐵心型超導(dǎo)限流器只在子模塊閉鎖前具有較大的等效阻抗，閉鎖后的阻抗值會(huì)逐漸下降至零。

直流勵(lì)磁電流大小對(duì)飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的限流效果具有很大的影響。在MMC-HVDC中，由于飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的限流作用主要集中在子模塊閉鎖前，因此應(yīng)選取合適的直流勵(lì)磁電流值，使得鐵心達(dá)到反向飽和的時(shí)間與子模塊閉鎖時(shí)間比較接近，這樣在閉鎖前飽和鐵心型超導(dǎo)限流器的鐵心一直處于磁化曲線線性段，從而實(shí)現(xiàn)限流能力的最大化。

以上研究成果發(fā)表在2020年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2上，論文標(biāo)題為“飽和鐵心型超導(dǎo)限流器在柔直系統(tǒng)中的限流特性研究”，作者為譚翔宇、任麗 等。