一种基于新型高温超导限流器的柔性直流输电系统

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：
7.一种基于新型高温超导限流器的柔性直流输电系统，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、74，新型高温超导限流器81、82和直流线路9，其特征在于：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72之间加装新型高温超导限流器82，新型高温超导限流器81、82由无感限流单元串并联构成，采用太极型无感线圈限流单元，绕制时选择无电感的饼式线圈绕制方式。
8.所述的太极型无感线圈限流单元，该设计在单元模块中心完成电流换向，从而使得两个相邻匝数的电流方向是相反的，以实现其线圈无电感的设计目标。
9.所述的无感线圈限流单元是基于ybc0高温超导带材单带绕制的无电感的饼式线圈。
10.所述的第一换流站5，第二换流站6均采用基于模块化多电平换流器高压直流输电技术。
11.所述的基于模块化多电平换流器高压直流输电技术由两端模块化多电平换流器换流站和直流线路组成，其中一侧换流站的主电路拓扑结构，每相桥臂有2n个子模块，并且由于最近电平逼近的控制策略，每相同时有n个子模块投入。
12.本实用新型的技术效果：在直流系统中，配置阻性超导直流限流器，可以有效解决直流故障阻尼小，直流故障电流大且上升速度快的问题，降低保护方案隔离故障时对保护动作时间和开断容量的要求；由于超导带材的临界电流受磁场强度的限制，所以限流单元绕制时应选择几乎没有电感的绕制方式，通过绕制方法在限流单元内部实现磁场的相互抵消，可以避免因磁场产生的临界电流衰减问题和电磁力问题；超导故障限流器通常由串并联的超导线圈组成，以便于维修。
附图说明
13.图1是柔性直流输电系统。
14.图2是超导限流器模块化单元结构图。
15.图3是三相模块化多电平换流器主电路拓扑图。
16.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
17.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。
18.1.总体方案
19.1)一种基于新型高温超导限流器的柔性直流输电系统，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、74，新型高温超导限流器81、82和直流线路9，其特征在于：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72之间加装新型高温超导限流器82，新型高温超导限流器81、82由无感限流单元串并联构成，采用太极型无感线圈限流单元，绕制时选择无电感的饼式线圈绕制方式。如图1所示。
20.2)太极型无感线圈限流单元，该设计在单元模块中心完成电流换向，从而使得两个相邻匝数的电流方向是相反的，以实现其线圈无电感的设计目标。如图2所示。
21.3)无感线圈限流单元是基于ybco高温超导带材单带绕制的无电感的饼式线圈。
22.4)第一换流站5，第二换流站6均采用基于模块化多电平换流器高压直流输电技术。
23.5)基于模块化多电平换流器高压直流输电技术由两端模块化多电平换流器换流站和直流线路组成，其中一侧换流站的主电路拓扑结构，每相桥臂有2n个子模块，并且由于最近电平逼近的控制策略，每相同时有n个子模块投入。如图3所示。
24.2.无感线圈
25.阻性直流超导故障限流器通常由超导限流限流单元串并联构成，当阻性直流高温超导限流器在直流电网中稳定运行时，超导带材处于超导状态。根据ybco高温超导带材临界电流特性及各向异性，超导线圈的临界电流与线圈中的磁场分布有直接关系，因此必须了解线圈中的磁场分布，以确定超导线圈稳定工作时的额定电流，为阻性直流高温超导限
流器优化设计提供参考，达到节约超导带材的目的。
26.当直流电网发生短路故障时，流过阻性直流高温超导限流器中超导带材的电流迅速增加，超导线圈内的磁场也随之增强，超导线圈受到的电磁力将以故障电流平方的速度增长。这种力会对超导线圈产生巨大的冲击，甚至可能损坏它。需要分析的磁场是一个瞬态磁场，在计算瞬态磁场时，考虑了超导带材的外加电流对电流和磁场变化的影响。
27.采用有限元法仿真的方法计算无感饼式线圈的磁场分布。考虑到无感饼式线圈的结构，可以简化为柱坐标下的二维有限元模型，进行有限元计算。
28.对临界电流影响最大的磁场位于内侧超导带材，因内侧超导带材临界电流衰减最多，决定了饼式无感线圈的临界电流。磁力线的a线方向为磁场方向，磁力线的走向表明高温超导线圈边的缘磁场垂直分量较大，所以内侧超导带材上下边缘是降低临界电流水平程度最大的点。
29.3.模块化多电平换流器
30.模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑。图3所示为三相mmc的通用结构，该mmc模型共有6个桥臂，每个桥臂包含n个子模块。
31.电磁暂态仿真能研究含有较多开关元件的mmc本身的动态特性，但是由于仿真速度和规模的限制，目前电磁暂态仿真不适合研究大规模交直流系统之间的相互作用。在研究含有mmc-hvdc的大规模交直流混联系统的稳定性时，可以忽略谐波对系统的影响，只考虑系统基频运行特性。仿真计算的是三相对称交流系统基频下各参量的rms值。仿真步长为毫秒级，仿真关注的时长几秒到几分钟，建立能体现mmc基频动态特性的机电暂态模型，将为大规模交直流系统稳定性分析提供仿真基础。
32.4.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。
36.5.三绕组升(降)压变压器
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。
39.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。
40.三绕组变压器容量以3个绕组中容量最大的那个绕组的容量表示。
41.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。
42.三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。
43.三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。
44.6.高压母线
45.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。
46.母线按结构分为硬母线和软母线。
47.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。
48.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。