智能电网超导装备的电磁设计与暂态特性分析

基于第二代高温超导材料的超导变压器和超导电缆作为智能电网超导设备,可以灵活应对电力系统发生短路故障等暂态环境,保证电网稳定运行。针对31.5 MVA,110 kV/10.5 kV的超导变压器和10.5 kV/1.85 kA的三相同轴电缆的联合运行开展电磁设计和暂态特性分析,提出了超导设备的结构参数和电气参数,建立了基于MATLAB和PSCAD/EMTDC包含可变电阻、损耗和电抗的仿真模型,仿真结果显示,超导变压器具有限流功能,配合超导电缆运行,超导电缆的出口短路电流降低了21%,大幅降低超导电缆的出口短路电流和故障中的产热,对于线路制冷系统和后续恢复具有重要意义。     

二代高温超导带材失超电阻的交-直流等效计算方法

超导故障限流器具有通态损耗低、响应速度快等优点,是一种应用场景广阔的超导电力设备,但二代高温超导带材失超电阻的有效计算较困难,难以同时满足计算精度和速度的要求。本文对YBCO高温超导带材进行交流和直流过电流冲击实验,测量了短路故障电流作用下带材的失超电阻特性。结果表明,带材失超电阻与积累能量具有一一对应关系,且该对应关系在交流和直流工况下一致。以此为理论基础,搭建了基于电阻-能量关系的电阻型超导限流器失超电阻计算模型,提出了交直流等效失超电阻分析方法,可用交流冲击实验等效替代直流实验,降低实验与仿真建模的难度。     

超导限流变压器稳态磁热特性分析

高温超导限流变压器正常运行时,起到电压变换功能;在短路故障发生时,具有限流功能,在电网中具有潜在的应用前景。依据单相125 kVA(6 kV/400 V)高温超导限流变压器设计方案,采用磁热耦合分析方法与解析法对高温超导变压器额定运行时的磁热稳定性进行数值分析,得到了变压器稳态运行时绕组的电流分布、磁场分布、交流损耗数值、温度分布以及绕组最高温度,证明了超导限流变压器能够平稳运行,对超导限流变压器的实际应用提供重要的参考价值。     

YBCO高温超导带材大电流冲击特性实验研究

随着第二代高温超导带材的性能不断提高和商业化供应,基于YBCO材料的超导电力技术应用研究也在逐步向多领域深入进行。超导带材的大电流冲击性能对于超导电缆的短路电流冲击耐受能力、电阻型限流器的限流性能等有着直接的影响。以不锈钢加强型超导带材样品为研究对象进行了实验研究,并对常压液氮浸没环境中,不同冲击时长、不同冲击电压条件大电流冲击过程中温升、冷却时长等特性开展了实验研究,总结了温升与冲击时长、冷却时间的关系和规律。实验是以超导限流器用超导带材为研究对象进行的。超导带材在故障电流下的发热量及其散热结构设计将成为超导电缆、超导限流器等超导电力装置设计成功与否的关键。     

YBCO高温超导带材大电流冲击特性实验研究北大核心

随着第二代高温超导带材的性能不断提高和商业化供应,基于YBCO材料的超导电力技术应用研究也在逐步向多领域深入进行。超导带材的大电流冲击性能对于超导电缆的短路电流冲击耐受能力、电阻型限流器的限流性能等有着直接的影响。以不锈钢加强型超导带材样品为研究对象进行了实验研究,并对常压液氮浸没环境中,不同冲击时长、不同冲击电压条件大电流冲击过程中温升、冷却时长等特性开展了实验研究,总结了温升与冲击时长、冷却时间的关系和规律。实验是以超导限流器用超导带材为研究对象进行的。超导带材在故障电流下的发热量及其散热结构设计将成为超导电缆、超导限流器等超导电力装置设计成功与否的关键。     

超导直流限流断路器研究

针对柔性直流电网的短路故障电流上升速度快、幅值大的特点,基于超导材料的特性,提出一种基于电阻型超导限流单元产生过零点的直流限流断路器拓扑。在理论分析的基础上,结合超导带材在直流冲击试验下的电阻变化情况,建立了电阻型超导限流单元的等效模型。在分析超导直流限流断路器工作原理的基础上,基于MATLAB/Simulink建立了系统仿真模型,对该拓扑进行验证。仿真结果表明,该超导限流断路器对直流系统稳态运行无影响,系统发生短路故障后,能够迅速限制和分断短路电流,提高了柔性直流电网运行的可靠性。     

高温超导限流电缆研究现状与发展趋势综述

高温超导限流电缆是一种新型超导电缆,充分利用了第二代高温超导体的优势,在电力系统正常和故障状态时分别表现低阻抗载流和高阻抗限流特性。高温超导限流电缆集成了超导电缆与超导限流器两种超导电力装备的功能。对于超导电缆和超导限流器,分别都有相关研究综述,而对于高温超导限流电缆缺乏系统性综述研究。从高温超导限流电缆的原理与结构出发,综述国内外有关高温超导限流电缆的研究现状,针对面临的技术问题进行分析。总结出高温超导限流电缆动态电流分布、载流限流瞬态变化过程、高温超导限流电缆接入到电力系统的新拓扑结构等关键技术和基础科学问题,获得了高温超导限流电缆未来的发展方向和趋势。     

兆瓦级单边高温超导变压器设计及电磁特性分析

超导材料载流能力的提升及价格的下降,使得超导变压器在电力方面的应用具有广泛的前景.本文设计了一种三相1MVA级单边高温超导变压器并进行了电磁仿真计算.该变压器的铁芯为三柱式;高压绕组采用常规铜线材进行绕制,采用分段式结构;低压绕组使用铜包覆的第二代高温超导带材,由8饼线圈并联组成,并放置在装有液氮的复合玻璃钢杜瓦内.为了验证设计的合理性,使用有限元方法,对该变压器进行了数值分析,电磁仿真结果与设计值相符,对后续的经济实用型超导变压器制造具有指导意义.     

电力故障运行下磁偏置超导限流器超导限流单元的电-热特性分析与验证

本文的磁偏置高温超导故障限流器(SFCL)是一种新型超导限流器,在系统出现短路故障时,发生失超现象,产生高阻抗限制短路电流,达到一定时间后断开超导单元,再由双分裂电抗器二次限流.当短路电流消失后,自动快速恢复到无阻特性,然后重新合闸投入系统运行.在SFCL并网运行前,要对并网运行中出现相间短路等故障的暂态运行特性进行分析,了解并网运行时的状况.本文利用Matlab/Simulink构建了SFCL的仿真分析模型,包含超导限流单元的等效电路模型和热模型.该模型被接入一个由Matlab/Simulink构建的10kV电力系统模型中,用来仿真SFCL的并网运行特性.仿真结果表明了SFCL在并网运行中的效果,以及相间短路故障下失超电阻、通过电流和超导限流单元温度的变化.同时,在中国国网辽宁电力虎石台对SFCL进行了并网运行试验,得到了相间短路故障下的暂态运行特性和失超恢复时间.本文的仿真分析和试验结果,证明了该SFCL样机具备10kV 并网能力,以及快速响应、逐级限流和快速恢复能力     

超导变压器绕组带材抗短路冲击特性研究

为了研究超导变压器绕组带材的抗短路冲击的能力,制备了四组实验样品,用以模拟超导变压器原、副边绕组的运行环境,实验研究了超导带材并联不锈钢带材的抗短路冲击特性。实验结果表明,超导带材并联不锈钢带材后的抗短路冲击能力有明显的提升,这对超导变压器的研发与制作具有重要的应用参考价值。     

高温超导带材临界电流角度依赖性测量分析

第二代高温超导带材与第一代相比,有着载流能力强、交流损耗低、无需贵金属等优点,在超导电力应用中有广阔前景。高温超导带材临界电流在外磁场的影响下会发生衰减,超导带材临界电流的角度依赖性是超导电力装备设计必不可少的参数。实验选取温度50～77 K、磁场0～3.5 T、磁场角度0～360°区间,分别测量了上海超导、苏州新材料等厂家生产的市面主流第二代高温超导带材的临界电流,分析了不同背景磁场大小及角度下超导带材的各向异性。结果表明,各厂家生产的超导带材具有明显的各向异性。     

电压补偿型高温超导限流-储能系统仿真及实验研究

电压补偿型高温超导限流-储能系统是一种新型的超导电力装置,它具有暂态时限制短路电流、稳态时储存能量同时补偿电压不平衡和改善系统谐波的功能.本文介绍了电压补偿型高温超导限流-储能系统的原理和拓扑结构,利用MatLab仿真工具对其改善电力系统电能质量的功能进行了仿真,并通过DSP芯片TMS240实现了该功能的实验研究,验证了仿真结果的可行性.     

电阻型超导限流器故障限流引发的传热问题研究

为研究用于电阻型超导限流器(SFCL)故障限流引发的传热问题,本文采用12mm宽、0.31mm厚的纯不锈钢带材模拟电阻型限流器专用第二代(2G)高温超导带材,通过电加热方式获得其在液氮中不同放置状态的沸腾热流密度曲线,并修正经典模型系数以适用于描述故障限流后巨大温差等复杂换热工况下的传热规律;同时通过淬冷法获得不锈钢及2G超导带材的淬冷沸腾热流密度曲线。     

1MJ高温超导储能-限流磁体的电磁优化设计

超导磁体是超导储能-限流系统(SMES-FCL)中最为核心的部件,它运行于复杂电磁环境中,电磁设计是整个磁体设计中最为重要的环节。文中结合1G和2G高温超导带材的电磁特性,采用两种带材混合绕制磁体的技术方案,运用有限元方法(FEM)对1MJ高温超导磁体的电磁结构和特性进行仿真分析和研究。经过仿真与优化,综合带材用量、制冷成本和运行成本以及在脉冲和限流等极端情况下所需安全裕度等多种因素,完成磁体的电磁优化设计。     

用于柔性直流输电的电阻型超导限流器优化策略研究

电阻型超导限流器应用于柔性直流系统的短路故障限流,可以有效降低与之配合的断路器开断要求。通过建立基于实测数据的YBCO超导带材短时电流冲击模型,发现超导带材失超电阻过小是影响限流性能的主要因素。针对此问题,提出了低温优化策略和带材结构优化策略,两种策略都可通过减少导电金属面积来达到节省带材的目的。最后,根据直流系统和限流器要求,提供了一种带材结构综合优化算法,并利用模型仿真验证了其有效性。     

YBCO在热冲击条件下的失超特性研究

在实际的超导电力装置运行过程中,超导带材可能由于电力系统中诸如系统短路故障等各种动态过程,承受短路大电流、不平衡电流的冲击,以及由此而产生的电磁、机械应力、热量的作用而失超,因此,研究热冲击对超导材料性能的影响对超导电力装置失超保护非常重要.本文以第二代高温超导(YBCO)带材为样品,模拟实际超导电力装置中带材的绝热环境,通过外加电源对超导带材进行热冲击,研究YBCO带材在不同情况的热冲击条件下的失超过程以及带材温度和超导性能的变化.试验结果表明:对于美国Superpower公司生产的YBCO工程带材,瞬时温度超导300K后,带材的临界电流下降,瞬时温度超过500K,带材可能出现烧断现象.     

电压补偿型高温超导限流-储能系统仿真及实验研究

电压补偿型高温超导限流-储能系统是一种新型的超导电力装置，它具有暂态时限制短路电流、稳态时储存能量同时补偿电压不平衡和改善系统谐波的功能．本文介绍了电压补偿型高温超导限流—储能系统的原理和拓扑结构，利用MatLab仿真工具对其改善电力系统电能质量的功能进行了仿真，并通过DSP芯片TMS240实现了该功能的实验研究，验证了仿真结果的可行性．     

三相同轴冷绝缘超导电缆结构设计

三相同轴超导电缆具有节约高温超导带材用量、减小电缆体积和降低制冷功率等优点,是目前配电网应用的热点。受超导电缆短路热稳定性、载流能力及交流损耗的影响,三相同轴超导电缆结构设计难度较大。本文通过研究铜稳定层截面、超导层带材排布方式来设计三相同轴超导电缆,获得超导电缆的载流能力及交流损耗特性。建立故障电流下超导电缆热传导模型,提出了三相同轴冷绝缘高温超导电缆结构设计流程,并以10 kV/2.3 kA的高温超导电缆为例进行了优化设计。结果表明,在故障电流下,合理设计结构可有效减小电缆产生的焦耳热,增大超导电缆对故障电流的承受能力。     

新型桥路型高温超导故障限流器的仿真研究

研究应用于三相电力系统中新型桥路型高温超导故障限流器.正常工作情况,在电桥上引入直流偏置电流,不出现限流现象.在短路故障情况,整流桥中的直流偏流影响限流效果,将二极管和偏压电源从限流器中退出运行,超导线圈的电感能限制故障电流峰值和稳态值,利用限流电阻与超导线圈串联限流,进一步提高其限流能力.分析了限流器的工作原理和限流特性.仿真结果表明,该限流器有很好的限流和重合闸能力,能显著减少暂态及稳态的故障电流,有效提高系统动态稳定性和电网电能质量.     

基于分裂电抗器的开关转换型超导直流限流器

多端柔性直流电网技术的发展面临快速限制短路电流的巨大挑战。超导直流限流器被认为是故障限流的最有效解决方案之一。提出了一种基于分裂电抗器的开关转换型超导直流限流器,该限流器通过限流单元(分裂电抗器的绕组由YBCO带材绕制)与固态开关相配合,稳态时,限流器呈并联结构,等效电感小,运行损耗低;故障发生后,限流器转换为串联结构,并受大电流冲击而失超,产生较大的限流电阻,能够有效限制短路电流。基于MATLAB/Simulink建立了超导限流器模型,仿真分析了限流过程中的电流变化情况,对比分析了开关动作前后的限流情况,验证了该限流器的可行性。