超导与常导复合型平波限流电抗器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统的电抗器领域，特别涉及电力系统保护的一种用于直流电网系统的平波限流电抗器。
【背景技术】
[0002]具有平波或限流功能的电抗器，在直流电网系统中具有广泛的应用。特别是具有非常高的允许工作电流密度和近似为零的电阻率的超导材料的引入，使得由超导导线绕制而成的超导电抗器具有由常导导线绕制而成的常导电抗器无法实现的技术优点，如工作电流大、运行损耗低、体积小、重量轻等。同时，利用超导体失超后的较高电阻，超导电抗器也可满足限流高阻抗的要求。因此，兼备平波功能和限流功能的超导电抗器可以代替常导电抗器，在直流电网系统中具有广泛的应用前景。
[0003]但是，受到昂贵的超导导线的成本限制，超导电抗器的经济性较低；同时，由于直流电网电压具有一定的波动性，超导电抗器仍存在一定的运行能量损耗，受到卡诺循环效率的影响，配套的低温制冷系统实际消耗的电能是超导电抗器的运行能量损耗的几十倍以上。因此，超导电抗器面临的两个突出的实际应用问题就是如何通过降低超导电抗器的装置成本以提高超导电抗器的经济性和如何减小超导电抗器的能量损耗以提高超导电抗器的运行效率。此外，在短路故障限流过程中产生的热量将造成低温制冷剂的急剧升温，甚至大量挥发，这将可能导致超导电抗器的热不稳定性，并造成安全隐患，如损伤超导电抗器中的核心超导绕组部件。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种用于直流电网的具有可变电感值和可变电阻值的超导与常导复合型平波限流电抗器。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明提出的一种超导与常导复合型平波限流电抗器，包括超导部件、常导部件、支撑底板和支撑顶板，所述超导部件包括超导电感线圈、超导开关组合、低温杜瓦和超导二元电流引线；所述超导电感线圈的上下设有第一上支撑板和第一下支撑板，所述第一上支撑板和第一下支撑板之间设有联接螺杆；所述超导开关组合与所述第一上支撑板固定；所述超导开关组合包括超导无阻开关、超导无阻开关和超导限流开关；所述超导无阻开关与超导电感线圈并联连接；所述超导无阻开关与超导限流开关并联后，再与超导电感线圈串联连接；所述低温杜瓦安装在所述支撑底板上，所述低温杜瓦内填充有低温制冷剂，所述低温杜瓦的上方设有密封盖板，所述第一上支撑板与所述密封盖板固连，所述超导电感线圈和所述超导开关组合完全浸泡在低温杜瓦内的低温制冷剂中；所述密封盖板上设有进液管道、出液管道和低温绝缘套管；所述进液管道和出液管道的一端均伸入至所述低温杜瓦的内部，所述进液管道和出液管道的另一端均连接至所述低温杜瓦外部的低温制冷系统相连，从而组成一低温制冷剂循环冷却回路，所述低温制冷剂循环冷却回路用于冷却所述超导电感线圈与超导开关组合；所述超导二元电流引线的上部与所述低温绝缘套管相连，所述超导二元电流引线的下部位于所述低温杜瓦内；所述超导电感线圈和超导开关组合通过超导过渡导线与所述超导二元电流引线的下部相连；所述常导部件包括正向绕制的常导电感线圈和反向绕制的常导电感线圈，所述正向绕制的常导电感线圈和反向绕制的常导电感线圈的上方设有第二上支撑板，所述第二上支撑板与所述支撑底板之间设有联接螺杆；所述正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈串联连接且同名端相连后，再与超导电感线圈串联连接；所述常导开关组合安装在所述支撑顶板上，所述支撑顶板与支撑底板之间设有联接螺杆，所述常导开关组合包括第一常导开关、第二常导开关和第三常导开关；所述第一常导开关与所述反向绕制的常导电感线圈并联连接；所述第一常导开关闭合时，所述正向绕制的常导电感线圈与所述反向绕制的常导电感线圈构成了一个常导无感线圈；所述第二常导开关与所述正向绕制的常导电感线圈、反向绕制的常导电感线圈串联后，再与第三常导开关并联连接；所述超导二元电流引线的上部通过第一常导过渡导线与位于低温杜瓦外部的常导开关组合相连；所述正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈通过第二常导过渡导线与位于低温杜瓦外部的常导开关组合相连；所述常导开关组合的输出端口与外部的直流电网相连；通过切换所述超导开关组合与常导开关组合的导通状态，实现超导电感线圈、超导开关组合、正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈之间的连接形式。
[0006]本发明超导与常导复合型平波限流电抗器的控制方法，是:通过切换所述超导开关组合与常导开关组合的导通状态，实现超导电感线圈、超导开关组合、正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈之间的连接形式，包括以下几种情形:
[0007](I)当直流电网电压波动小于预设的电压波动阈值时，所述超导无阻开关断开，所述超导无阻开关闭合，所述超导限流开关断开，第一常导开关闭合，第二常导开关断开，第三常导开关闭合，此时，所述超导电感线圈接入至直流电网，用于电网电压的平波处理；
[0008](2)当直流电网电压波动大于或等于预设的电压波动阈值时，所述超导无阻开关断开，所述超导无阻开关闭合，所述超导限流开关断开，第一常导开关闭合，第二常导开关闭合，第三常导开关断开，此时，所述超导电感线圈与串联连接且异名端相连的正向绕制的常导电感线圈接入至直流电网，用于电网电压的平波处理；
[0009](3)当直流电网故障电流小于预设的第一故障电流阈值时，所述超导无阻开关断开，超导无阻开关闭合，超导限流开关断开，第一常导开关闭合，第二常导开关断开，第三常导开关闭合，此时，所述超导电感线圈接入至直流电网，用于电网故障电流的限流处理；
[0010](4)当直流电网故障电流大于或等于预设的第一故障电流阈值，且小于预设的第二故障电流阈值时，所述超导无阻开关断开，所述超导无阻开关断开，所述超导限流开关闭合，第一常导开关闭合，第二常导开关断开，第三常导开关闭合，此时，所述超导电感线圈与串联连接的超导限流开关接入至直流电网，用于电网故障电流的限流处理；
[0011](5)当直流电网故障电流大于或等于预设的第二故障电流阈值时，所述超导无阻开关断开，超导无阻开关断开，超导限流开关闭合，第一常导开关断开，第二常导开关闭合，第三常导开关断开，此时，所述超导电感线圈与超导限流开关、由正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈构成的常导无感线圈串联连接后，再接入至直流电网，用于电网电压的限流处理；
[0012](6)当直流电网故障电流持续时间大于或等于预设的持续时间阈值时，或所述低温杜瓦内部的低温制冷剂温度大于或等于预设的温度阈值时，所述超导无阻开关闭合，所述超导无阻开关闭合，所述超导限流开关断开，第一常导开关断开，第二常导开关闭合，第三常导开关断开，此时，由正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈构成的常导无感线圈接入至直流电网，用于电网电压的限流处理；所述超导电感线圈被超导无阻开关短路处理，避免了低温制冷剂温度过热造成的安全隐患。
[0013]优选的，所述超导电感线圈由BSCCO或YBCO超导导线绕制而成；所述超导过渡导线为由BSCCO或YBCO超导导线构成的超导长导线；所述超导二元电流引线的上部为由铜或铝导线构成的常导长导线，所述超导二元电流引线的下部为由BSCCO或YBCO超导导线构成的超导长导线；所述超导二元电流引线结构有效降低了低温杜瓦的热泄露，提高了整个系统的运行效率。
[0014]优选的，所述常导开关组合由功率电子开关或机械开关构成；所述超导开关组合由四块BSCCO或YBCO超导圆饼形块材与一根BSCCO或YBCO超导圆筒形棒材构成；四块超导圆饼形块材与超导圆筒形棒材依次平行放置，并通过相邻超导圆饼形块材之间、超导圆饼形块材与超导圆筒形棒材之间的相互接触或分离来形成相应的超导开关。四块BSCCO或YBCO超导圆饼形块材包括超导圆饼形块材A、超导圆饼形块材B、超导圆饼形块材C和超导圆饼形块材D ;所述超导圆饼形块材A与超导圆筒形棒材相连以形成一个超导开关触点，所述超导圆饼形块材B与超导圆饼形块材D相连以形成一个超导开关触点，所述超导圆饼形块材C单独作为一个超导开关触点；所述超导圆饼形块材A与超导圆饼形块材B构成超导无阻开关，所述超导圆饼形块材C与所述超导圆饼形块材D构成超导无阻开关，所述超导圆饼形块材D与超导圆筒形棒材构成超导限流开关。与目前的仅有无阻导通的超导开关相比，所述超导开关组合兼备了用作无阻导通和用作故障限流的超导开关功能。
[0015]优选的，所述正向绕制的常导电感线圈和反向绕制的常导电感线圈由铜或铝常导导线绕制而成；所述铜或铝常导导线为由两根具有相同长度的“L”形导线经绝缘处理后，嵌套成为的长宽比为3:2的并联组合型常导长导线；所述并联组合型常导长导线的其中一个端部焊接在一起后，再绕制在一绕线骨架上，以形成串联连接且同名端相连的正向绕制的常导电感线圈和反向绕制的常导电感线圈；所述第一常导