永磁偏置限流拓扑的磁特性优化与大容量化的理论基础研究

因技术经济性能优异、易实现大容量化等突出优点，基于永磁偏置饱和原理的故障限流技术具有较好的应用前景。本申请项目重点针对永磁偏置限流拓扑的磁特性优化与大容量化的基础性科学问题，开展理论探索与技术创新研究。研究软磁铁芯的深度饱和磁化特性，结合回复系数可变的永磁体模型以分析二者工作点的配合机理，并纳入磁-流-热场耦合效应的影响机制；基于场路耦合原理优化限流拓扑的磁特性，系统建立三相大容量限流拓扑的结构参数设计算法；基于物理实验研究铁芯的深度饱和磁特性、永磁稳定性和限流特性，为仿真建模和完善拓扑结构提供基础依据；从结构参数、运行性能及拓扑优化三个层面开展技术优化方法研究，将拓扑参数的优化转化为电感和、电感比与饱和深度比三个数学变量的最优配置问题；引入经济性分析模型，建立兼顾技术性和经济性的综合优化策略。本项目研究结果将丰富故障限流技术的基础理论、分析方法与创新技术，具有重要的理论意义和应用价值。

本项目旨在发展基于永磁偏置饱和原理的故障限流技术，以直线式PMFCL拓扑为例开展面向高压大容量化的相关理论探索与技术创新研究。研究内容包括以下三个方面：机理分析与场路建模、PMFCL实验研究以及综合优化策略研究。首先，提出一种结构参数可调节的直线式PMFCL限流拓扑，以铁心磁通的工作零点作为分界阐明了其两个阶段的限流机理，基于磁场分割原理实现两类等效磁路模型中总漏磁导和漏磁系数的计算；在Matlab/Simulink环境下建立了考虑漏磁效应的PMFCL仿真模型；提出“饱和深度比”的概念，分析了直线式PMFCL结构参数与铁心饱和深度比的数量关系，指出提高铁心的饱和深度比与改善永磁体的偏置能力等价；通过分析漏磁场、涡流场和温度场三者的产生机理，建立永磁饱和型故障限流器的磁-流-热耦合场模型。其次，从时间、温度和外磁场三个方面开展直线式PMFCL中的钕铁硼永磁体稳定性实验研究；通过有限元法仿真和实验相比较，研究了通过改进永磁体结构参数以改善铁心饱和深度比的可行性；基于考虑漏磁效应的PMFCL仿真模型，分别与小电流和大电流工况的实验结果进行对比，验证了建模方法的有效性。最后，基于等效磁路法建立了以饱和深度比、电感比与电感和三个独立变量的直线式PMFCL结构参数设计算法，并通过分析铁心工作点的变化规律，将结构参数优化转化为对三个独立变量的优化问题；建立了大容量PMFCL经济性分析模型，将其有效材料成本转化为含电感和、电感比、饱和深度比等电磁参数的数学分析模型，依据铁心损耗分离计算模型和变压器绕组损耗计算方法得到了PMFCL的运行成本数学模型，以可限制的最小短路电流和工作压降作为电磁参数选择判据，得到了PMFCL合理的有效材料成本和运行成本范围。本项目的研究结果进一步丰富了永磁偏置型故障限流技术的基础理论、分析方法与创新技术，具有重要的理论意义和应用价值。