一种基于新型电阻式高温超导限流器的柔性直流系统

1.本实用新型应用于直流输电系统高温超导限流器，特别是将新型电阻式高温超导限流器应用于柔性直流输电系统。


背景技术：

2.基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevel converter based high voltage direct current，mmc-hvdc)简称为柔性直流输电技术。
3.21世纪初，德国科学家r.marquardt借鉴两电平换流器中igbt导通的思路，提出了通过封装子模块(sub-module，sm)的模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)拓扑结构，因此，mmc也是电压源换流器vsc的一种，基于mmc的直流输电也称为柔性直流输电技术。
4.目前多数柔性直流输电工程选择在换流器直流侧出口处装设常规电抗器作为限流措施，该方式在一定程度上起到了限制故障电流的作用，然而电抗器的接入在一定程度上影响了系统动态响应速度、容易造成并联谐振等问题。由于电抗器需兼顾系统正常运行以及限流两方面的要求，其参数的选择缺乏灵活性，在一定程度上制约了这种限流方式的应用。
5.故障限流器采用超导等技术，这使得多数类型的故障限流器具有等效阻抗可快速调节的特点。因此可实现系统正常运行时，呈现较小阻抗，不对系统的正常运行造成影响；故障时等效阻抗迅速增大，快速限制故障电流的作用，在实际应用中比直接串联电抗器的限流方式更具优势。


技术实现要素：

6.针对上述技术问题，本实用新型将一种新型高温超导限流器应用于柔性直流输电系统，具体技术方案如下：
7.一种基于新型电阻式高温超导限流器的柔性直流系统，它的组成：第一电网1，第二电网2，升压变压器3，降压变压器4，第一换流站5，第二换流站6，高压母线71、72、73和74，电阻式直流高温超导限流器81、82和直流线路9。在第一电网1与高压母线71之间加装新型高温超导限流器81；在第二电网2与高压母线74之间加装电阻式直流高温超导限流器82，电阻式直流高温超导限流器81、82组成：超导限流单元，低温容器，低温制冷系统，高压出线单元，在线监控系统。
8.所述的超导限流单元由两个子单元构成，子单元之间可互为串联连接也可互为并联连接。
9.所述的两个子单元，每个子单元含有12个串联模块，每个模块含有4个或5个并联线圈，每个线圈均由150m长的ybco带材无感绕制而成。
10.所述的低温容器为双层绝热结构：内层是液氮腔，为超导限流单元提供低温运行空间；外层是维持内层与外界环境的绝热，并为限流器系统附件提供支撑与安装接口。
11.所述的低温制冷系统由液氮储罐、低温管道、低温阀门、制冷机、液氮泵、冷却水循环机组成。
12.本实用新型的技术效果：在正常运行时可通过大电流且只呈现很小甚至为零的阻抗，而在电力系统发生短路故障时自动呈现大阻抗将短路电流限制到较低水平，同时大大减小了对系统正常工作的影响，因而具有非常理想的限流效果；集检测、触发、限流和自动恢复功能于一体，自动完成全部限流保护过程；当线路故障清除后，又可自动恢复，为再次限制短路电流做好准备；其应用可大大提高输配电系统的稳定性和可靠性，提高输电能力和灵活性，大大降低系统升级改造的成本；这些优点都是高温超导材料的固有性质，通常不需要额外的辅助装置；限流程度可通过高温超导限流器的结构设计参数调整，实现大范围的保护和可控。
附图说明
13.图1是柔性直流输电系统。
14.图2是超导直流限流器结构图。
15.图3是低温容器结构图。
16.图4是限流单元示意图。
17.图中：1为第一电网，2为第二电网，3为升压变压器，4为降压变压器，5为第一换流站，6为第二换流站，71、72、73和74高压母线，81、82新型高温超导限流器和9为直流线路。
具体实施方式
18.下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。
19.1.总体方案
20.1)一种基于新型电阻式高温超导限流器的柔性直流系统，它的组成：第一电网1，第二电网2，升压变压器3，降压变压器4，第一换流站5，第二换流站6，高压母线71、72、73和74，电阻式直流高温超导限流器81、82和直流线路9。在第一电网1与高压母线71之间加装新型高温超导限流器81；在第二电网2与高压母线74之间加装电阻式直流高温超导限流器82，电阻式直流高温超导限流器81、82组成：超导限流单元，低温容器，低温制冷系统，高压出线单元，在线监控系统。如图1、2所示。
21.2)超导限流单元由两个子单元构成，子单元之间可互为串联连接也可互为并联连接。如图4所示。
22.3)两个子单元，每个子单元含有12个串联模块，每个模块含有4个或5个并联线圈，每个线圈均由150m长的ybco带材无感绕制而成。
23.4)低温容器为双层绝热结构：内层是液氮腔，为超导限流单元提供低温运行空间；外层是维持内层与外界环境的绝热，并为限流器系统附件提供支撑与安装接口。如图3所示
24.5)低温制冷系统由液氮储罐、低温管道、低温阀门、制冷机、液氮泵、冷却水循环机组成。
25.2.新型电阻型高温超导限流器
26.超导直流限流器主要包括超导限流单元、低温容器、低温制冷系统、高压出线单元、在线监控系统等关键部件，其效果图如图2所示。挂网运行时采用ab段并联cb段运行，限
流器整体室温电阻为12ω，临界电流为2ka。
27.按照超导直流限流器总体设计方案，低温容器内部填充液氮，为超导限流单元提供低温工作环境，并提供高压出线单元、低温制冷系统、控制监测信号等超导直流限流器部件的电气及低温介质接口。低温容器为双层绝热结构：内层是液氮腔，为超导限流单元提供低温运行空间；外层是维持内层与外界环境的绝热，并为限流器系统附件提供支撑与安装接口。
28.超导直流限流器系统正常运行时存在多种热损耗，如低温容器漏热、高压出线单元漏热、阀门漏热、限流单元接头焦耳热等。这些热损耗将使低温容器内部的液氮气化，如果不采取措施，系统就需要频繁补充液氮，不能持续运行。因此，本项目采用低温制冷机将系统静态运行时产生的氮气重新液化并循环利用，增加系统补充液氮的时间间隔。
29.电流引线是超导限流单元与外部电网的接口，跨越室温区到液氮温区，电场梯度大，是系统漏热和总体绝缘的关键部件。
30.低温监控系统负责对限流器本体的压力、液位、温度和液氮储罐的压力、液位等非电量信号进行采集，并根据报警和故障判据进行逻辑判断。
31.同时根据限流器运行状态，低温监控系统自动实现氮气的液化循环和补液氮操作。低温监控系统还需要将限流器和液氮储罐的非电量信号通过ft3光接口发送给直流控保系统；将告警和故障判断结果通过开关量发送给直流控保系统；将非电量信号和逻辑判断结果通过协议经规约转换器发送给站控室。
32.3.换流站
33.换流站是指在高压直流输电系统中，为了完成将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对于安全稳定及电能质量的要求而建立的站点。
34.换流站中应包括的主要设备或设施有：换流阀、换流变压器、平波电抗器、交流开关设备、交流滤波器及交流无功补偿装置、直流开关设备、直流滤波器、控制与保护装置、站外接地极以及远程通信系统等。
35.换流站的控制调节和保护系统实现下列功能：停、送直流功率，控制电力潮流的方向，调节潮流的数量和其他电气参量，处理和限制换流阀非正常运行和交、直流系统干扰所造成的影响，保护换流站的设备，以及监测换流站的各种参量。换流站及直流输电系统的运行性能和安全可靠程度与控制调节系统的性能和可靠程度密切相关，对整个电力系统的运行也有重要的影响。所以换流站的控制调节和保护系统是换流站的智能部分，其发展趋向是采用微机技术。
36.4.三绕组升(降)变压器
37.三绕组变压器的每相有3个绕组，当1个绕组接到交流电源后，另外2个绕组就感应出不同的电势，这种变压器用于需要2种不同电压等级的负载。发电厂和变电所通常出现3种不同等级的电压，所以三绕组变压器在电力系统中应用比较广泛。每相的高中低压绕组均套于同一铁心柱上。为了绝缘使用合理，通常把高压绕组放在最外层，中压和低压绕组放在内层。
38.额定容量是指容量最大的那个绕组的容量，一般容量的百分比按高中低压绕组有三种形式100/100/50、100/50/100、100/100/100。在电力系统中最常用的是三绕组变压器。用一台三绕组变压器连接3种不同电压的输电系统比用两台普通变压器经济、占地少、维护
管理也较方便。三相三绕组变压器通常采用y-y-δ接法，即原、副绕组均为y接法，第三绕组接成δ。δ接法本身是一个闭合回路，许可通过同相位的三次谐波电流，从而使y接原、副绕组中不出现三次谐波电压。这样它可以为原、副边都提供一个中性点。在远距离输电系统中，第三绕组也可以接同步调相机以提高线路的功率因数。
39.当变电站需要连接几级不同电压的电力系统时，通常采用三绕组变压器。三绕组变压器有高压、中压、低压三个绕组，每相的三个绕组套在一个铁心柱上，为了便于绝缘，高压绕组通常都置于最外层。升压变压器的低压绕组放在高、中压绕组之间，这样布置的目的是使漏磁场分布均匀，漏抗分布合理，不致因低压和高压绕组相距太远而造成漏磁通增大以及附加损耗增加，从而保证有较好的电压调整率和运行性能。降压变压器主要从便于绝缘考虑，将中压绕组放在高压、低压绕组之间。根据国内电力系统电压组合的特点，三相三绕组变压器的标准连接组标号有yn，yn0，d11和yn，yn0，y0两种。
40.三绕组电力变压器各绕组的容量按需要分别规定。其额定容量是指三个绕组中容量最大的那个绕组的容量，一般为一次绕组的额定容量。并以此作为100％，则三个绕组的容量配置有100/100/50、100/50/100、100/100/100三种。三绕组变压器的空载运行原理与双绕组变压器基本相同，但有三个电压比，即高压与中压、高压与低压、中压与低压三个。
41.5.高压母线
42.各级电压配电装置中，大都采用矩形或圆形截面的裸导线或绞线，这将发动机、变压器与各种电器连接的导线，统称为母线；母线的作用是汇集、分配和传送电能。由于母线在运行中，有巨大的电能通过，短路时，承受着很大的发热和电动力效应。因此，必须合理的选用母线材料、截面形状和截面积以符合安全经济运行的要求。
43.母线按结构分为硬母线和软母线。
44.硬母线(低压的户内外配电装置)又分为矩形母线和管形母线。
45.矩形母线一般使用于主变压器至配电室内，其优点是施工安装方便，运行中变化小，载流量大，但造价较高。