用于VSC-HVDC电网的直流超导限流器基础问题研究

With the development and application of new energy sources such as wind power and solar energy， VSC-HVDC system plays an important role in the field of DC power transmission. In this program, aimed at limiting the short-circuit current in DC side of the VSC-HVDC system, the fundamental research of DC superconducting current limiter (SFCL) is carried out. On the one hand, the rapid over-current shock characteristics of YBCO superconducting tape is studied, and the relationship of electromagnetic field - thermal field nonlinear coupling of the tape is analyzed, and the quench recovery problems are studied, and the performance degradation and microscopic regularity of local damage of the tape is studied, so as to master the transient performance of YBCO superconducting tape in the rapid over-current shock of VSC-HVDC system. On the other hand, short-circuit fault detection and prediction methods of VSC-HVDC system is studied, and a novel topology of SFCL is proposed, and a 2kV/5kA prototype of the DC SFCL is designed to study matching operation method of the DC SFCL with the DC circuit breaker and the converter of VSC-HVDC system. The research has very important meaning limit short-circuit current effectively, to promote the DC circuit breaker in the application of VSC-HVDC system, and to and to improve the operation stability of the system.

随着风电、太阳能等新能源的开发与应用，基于电压源型换流器的高压直流输电技术（VSC-HVDC）在直流输电领域占据越来越重要的位置。本课题针对VSC-HVDC电网的直流侧的短路故障问题，开展直流超导限流器的基础问题研究。一方面，研究YBCO超导带材的快速过流冲击特性、带材的电磁场-热场非线性耦合关系及其失超恢复问题，研究带材性能退化和局部损坏的微观规律及其与过流冲击的关系，掌握YBCO超导带材在面向VSC-HVDC电网故障冲击下的暂态性能变化规律。另一方面，研究VSC-HVDC电网的直流侧的短路故障检测和预测方法，提出面向VSC-HVDC电网的新型直流超导限流器拓扑、设计一台2kV/5kA直流超导限流器样机，用于超导限流器与直流断路器和换流器的匹配运行方法的研究。本课题研究工作对有效限制短路故障电流、推动直流断路器在VSC-HVDC电网的应用和提高电网运行稳定性都有非常重要的意义。

本项目针对VSC-HVDC电网的直流短路故障电流的快速断开问题开展了直流超导限流器基础问题的研究。模拟直流电网短路电流特征，开展了YBCO超导带材在短时直流大电流冲击下的失超特性和失超恢复特性研究，分析了带材的温升、失超电阻、焦耳热等的变化规律，分析了带材的电磁场-热场非线性耦合规律，并研究了运行温度、绝缘方式等因素对带材失超特性的影响规律。研究超导带材在快速冲击下的局部损坏的微观特征，分析了带材性能衰减和损坏的原因。研究了带材失超恢复时间与冲击电流大小的关系，为不同类型直流超导限流器的设计提供理论依据。研究了超导带材在大电流冲击下的暂态均压均流特性。在此基础上，基于实验数据分析，引入了多个反馈环节，建立了直流冲击下的超导带材电磁场-热场非线性耦合的暂态模型，为超导限流单元（线圈）的优化提供理论依据，为探索提高超导限流器冲击稳定性和缩短失超恢复时间提供可行性方法。研究了VSC-HVDC电网的短路故障电流特征和电阻型、电抗型限流器对短路电流的作用规律，及其不同阻抗对直流电网运行的影响作用。研究了多端柔性直流配电网和输电网的故障检测方法。在考虑限流单元耐压、散热等因素的前提下，开展了超导限流器限流单元的结构设计，并研制了10 kV/450 A（将预期电流12 kA限制到6.26 kA）的超导直流限流单元。针对不同类型的直流传输方式（直流电缆，架空线）及其对重合闸的要求，进行了分裂电抗器型无感超导线圈的优化设计方法研究。研究工作表明，超导限流器有效限制了故障电流，实现了断路器轻型化，解决了直流电网发展的技术瓶颈，提高了电网运行可靠性。