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_袁佳歆.pdf

第 49 卷 第 3 期：1172-1183 高电压技术 Vol.49,No.3:1172-1183 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220020 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 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 袁佳歆1，叶丛韬1，陈鹤冲2，洪永贵1，郑元坤1（1.武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072；2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，武汉 430077）摘 要：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。关键词：饱和铁芯型故障限流器；非正交解耦；电感计算；集成；有限元方法 Research on Compact High-voltage Saturated Core Fault Current Limiter Based on Non-orthogonal Decoupling Principle YUAN Jiaxin1,YE Congtao1,CHEN Hechong2,HONG Yonggui1,ZHENG Yuankun1(1.School of Electrical Engineering and Automation,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Electric Power Research Institute,State Grid Hubei Electric Power Company,Wuhan 430077,China)Abstract：Saturated core fault current limiter needs an additional air core reactor to improve current limiting performance,resulting in large volume and floor area.Therefore,a compact saturated core fault current limiter(CSFCL)based on non-orthogonal decoupling principle is proposed in this paper,which has the advantages of small floor area,small volume and good current limiting performance.Firstly,the principle of non-orthogonal decoupling is introduced.Combined with the traditional hybrid-biased saturated core fault current limiter(HSFCL),the topology of fault current limiter integrating non-orthogonal decoupling windings is proposed.Its equivalent magnetic circuit and electrical circuit are established to explain the principle of CSFCL.Secondly,a calculation method of multi-stage decoupling winding inductance with air gap is proposed,which improves the accuracy by 35%compared with the traditional method.Then,the response time and current limiting ratio of fault current limiter are designed and calculated.220 kV CSFCL and HSFCL finite element sim-ulation are carried out to verify the theoretical analysis.Finally,a small capacity fault current limiter prototype is manufactured and the experimental research is carried out.Compared with HSFCL,the overall volume of CSFCL is re-duced by 47.8%and the floor area is reduced by 85.1%.The simulation and experimental results verify the effectiveness of the topology.Key words：saturated core fault current limiter;non orthogonal decoupling;inductance calculation;integrated;finite element method(FEA)0 引言1 随着我国经济的发展，国民的用电需求不断增 基金资助项目：国家自然科学基金(U2166207)；湖北省自然科学基金杰出青年基金(2020CFA098)；湖北省重点研发计划(2020BAB111)。Project supported by National Natural Science Foundation of China(U2166207),Natural Science Fund for Distinguished Young Scholars of Hubei Province(2020CFA098),Key Research and Development Program of Hubei Province(2020BAB111).加，电力系统也随之飞速发展。电网规模扩大、互联程度增大，风、光等分布式新能源并网，导致短路电流水平也在不断上升，超出了断路器的开断容量1-3。因此，抑制短路电流成为亟待解决的问题。常规的措施有改变电网结构和运行方式，串联限流电抗、高阻抗变压器等，但这些措施都会对电网运行产生一些负面的影响。故障限流器作为一种限流袁佳歆，叶丛韬，陈鹤冲，等：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 1173 性能好、响应速度快、成本低的限流装置，已经成为应对电力系统短路容量骤增问题的一种重要技术手段4。故障限流器按照结构和材料区别可大致分为三类：饱和铁芯故障限流器5、固态故障限流器6和超导故障限流器7-8。其中，饱和铁芯故障限流器(saturated core fault current limiter，SCFCL)是当下研究热点9-10。文献11对日字形永磁偏置型饱和铁芯限流器PSFCL 拓扑进行改进，文献12-13提出了三相日字形 PSFCL 的拓扑结构，利用永磁体偏磁，然而其偏磁效果不足。文献14提出使用永磁体和直流励磁混合励磁，减少了直流电源的功率和附加损耗。然而，钕铁硼在交变磁通作用下具有较大的涡流效应，进而影响热稳定性，甚至有退磁风险。文献15提出一种带气隙的四柱式混合励磁饱和铁芯故障限流器(hybrid type SFCL，HSFCL)，其利用气隙支路来旁路交流磁通，有效减小了永磁体涡流损耗和退磁风险，但整个限流装置的占地面积大、体积大。饱和铁芯故障限流器利用铁磁材料在交变磁场下导磁率的非线性特性，实现了在电网中高低阻抗的转换，从而达到了在电网正常运行时保持低阻态，在电网故障时转换为高阻态抑制短路电流上升的作用。但饱和铁芯交流故障限流器需要外加限流空心电感使用，限流空心电抗器的面积约占系统总面积的 38%50%，体积约占限流系统总体积的12%20%。整个限流装置的体积大、占地面积大，限制了故障限流器投入于实际的发展。国内外学者针对饱和铁芯故障限流器紧凑化开展了研究：文献16提出紧凑化超导交流限流器，其使用变压器油代替空气绝缘，使限流器内部所需的绝缘距离最小化，从而减小了限流器的尺寸。文献17提出将三相交流绕组绕制在共同一个铁芯柱上以紧凑限流器体积，由直流绕组上产生的直流磁通来补偿不平衡交流磁通，文献18提出三柱式饱和铁芯交流限流器，并利用最佳小截面方法来减少永磁体的用量，从而减小限流器整体的体积。文献19提出一种紧凑型三角式三相永磁偏置故障限流器，并且将永磁体拆分为多个小永磁体嵌于上下铁芯以提升永磁体的利用效率，从而减少铁芯和直流励磁线圈的用量以达到紧凑化的目的。上述紧凑化方法虽然都较好地限制短路电流并减小限流器体积和占地面积，但都仅仅紧凑了铁芯结构，没有对位于限流器本体外的限流电感进行紧凑优化。湖南大学廖闻迪首次提出非正交解耦原理，将滤波电抗器通过非正交解耦的排布方式集成进整流变压器本体，此电抗器线性度高且不占用额外空间20。为解决上述问题，本文基于非正交解耦原理，提出了一种紧凑型高压交流磁饱和限流器(compact saturated fault current limiter，CSFCL)。在不影响限流性能的前提下，有效地减小限流系统的总体占地面积和体积。同时提出一种带气隙的多段解耦绕组电感计算方法，该方法能有效计算解耦绕组电感值，较传统方法精度提升了 35%。上述亦为本文的两个主要创新点。本文在第 1 章介绍了非正交解耦原理，提出了一种紧凑型高压磁饱和限流器拓扑结构(compact saturated fault current limiter，CSFCL)，证明了解耦绕组与交、直流绕组的功率解耦。在第 2 章分别建立了 CSFCL 磁路和电路等效模型，从而分析得到CSFCL 的工作原理。在第 3 章对 CSFCL 的解耦绕组电感值、响应时间和限流比进行参数设计计算。在第 4 章和第 5 章开展了有限元电磁仿真与样机试验验证本文所提 CSFCL 结构和功能的可行性与有效性。1 非正交解耦原理 图 1(a)所示为传统带气隙的四柱式混合励磁饱和铁芯故障限流器(hybrid type SFCL，HSFCL)限流系统示意图，HSFCL 通过外加空心电抗器以提升限流系统(限流器+空心电抗器 L)的限流能力，Ed为直流励磁电源。如图 1(b)所示，本文利用非正交解耦绕制20，将电感绕组集成进限流器铁芯部分，且使得电感绕组与原交流绕组、直流绕组功率解耦。在图 1(b)中，以铁芯左半边为例，交流绕组 A、直流绕组 D 和解耦绕组 G1、G2以非正交排布于外臂铁芯柱和气隙支柱上。绕组 A 上通过交流系统电流 Iac，绕组 D 和绕组 G1、G2是串联关系，其上的 图 1 HSFCL、