专利名称：一种限流储能电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种限流储能电路及其控制方法。
背景技术：
随着国民经济的快速发展，社会对电力需求不断增加，带动了电力系统的不断发 展，单机和发电厂容量、变电所容量、城市和中心负荷不断增加，就使得电力系统之间互联， 各级电网中的短路电流水平不断提高，短路故障对电力系统及其相连的电气设备的破坏性 也越来越大。而且，在对电能需求量日益增长的同时，人们对电能质量、供电可靠性和安全 性等也提出了更高的要求。然而，大电网的暂态稳定性问题比较突出，其中最重要的原因之 一是由于常规电力技术缺乏行之有效的短路故障限流技术。目前，世界上广泛采用断路器 对短路电流全额开断，由于短路电流水平与系统的容量直接相关，在断路器的额定开断电 流水平一定的情况下，采用全额开断短路电流将会限制电力系统容量的增长，并且断路器 价格随着其额定开断电流的增加而迅速上升。随着电网容量和规模的扩大，这一问题将变 得更加严重。与此同时，随着信息技术和微电子技术日益广泛地渗透到工业和人们生活的各个 领域，进而对电能质量和供电可靠性提出了越来越高的要求，常规电力技术已经难以适应 人们的这种要求。短路故障限流器是解决短路故障问题的有效途径。它通过在电网发生短路时，在 故障线路中串入阻抗来限制故障电流，以达到保护电力设备和使断路器能可靠开断的目 的。而超导储能系统(SMES)具有反应速度快、功率密度高以及转换效率高的优点，在解决 现有电力系统的动态稳定性问题、提高电能质量和供电可靠性方面可以发挥不可替代作 用。美国专利U.S 5，726，848 “故障限流器和交流断路器”，提出了一种短路故障限流器， 如
图1所示。它采用一种单相晶闸管整流桥结构，将限流电感并联在整流桥的直流端，通 过控制晶闸管的移相角来限制故障电流。该专利的主要问题是谐波含量高，对负载的影响 较大；同时控制方法较复杂，可靠性低。美国专利US2002/0030952 “超导磁体放电方法及 装置”提出了一种超导储能系统结构，如图2所示。它可实现对关键负载的保护，以提高供 电质量，其主要缺点是功能单一，设备率用率低。中国专利CN100527560C “一种桥路型限 流贮能电路”提出了一种可以同时实现故障限流和负载端电压保护的电路，如图3所示。 其主要缺点是只能对一条线路实现故障限流的功能，另外一条线路实现负载端电压保护的 功能。只能适用于特定的场合，适用面低。中国专利CN100527559C “一种线间电压补偿 型限流贮能电路”提出了一种可以同时实现故障限流和负载端电压保护的电路，如图4所 示。其主要缺点是由于换流器通过限流电感和变压器与电网串联，由于限流电感的存在，无 法稳定控制变压器两端的电压，因此实现负载端电压保护的难度大，可靠性低。中国专利 200910241236. 3 “一种超导限流储能电路”，如图5所示。同时实现了储能与故障限流的功 能，但是其主要缺点是在故障限流过程中滤波电容始终与线路相连，有可能与限流电感产 生谐振，从而影响故障限流的效果。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明提出了一种超导限流储能电路及其故障限流方 法，它将超导磁体通过电流源变流器、滤波电容、开关、压敏电阻和变压器等与电网串联连 接。在正常状态下，通过控制电流源变流器注入滤波电容的电流，改变滤波电容的电压，补 偿电网的电压畸变，进而改善负载的供电电压质量。在线路发生短路故障时，通过开关和压 敏电阻，将滤波电容与电网断开连接，并开通电流源变流器所有的开关，使超导磁体以不控 整流的形式串入电网，从而起到故障限流的作用。本发明超导限流储能电路有以下两种结构形式1、本发明超导限流储能电路结构如下第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、 第五开关和第六开关组成第一电流源变流器。第一开关的阴极与第四开关的阳极相连，其 连接点为第一交流连接点；第一开关与第四开关构成第一电流源逆变器的第一半桥；第二 开关的阴极与第五开关的阳极相连，其连接点为第二交流连接点；第二开关与第五开关构 成第一电流源逆变器的第二半桥；第三开关的阴极与第六开关的阳极相连，其连接点为第 三交流连接点；第三开关与第六开关构成第一电流源逆变器的第三半桥。第一开关、第二开 关和第三开关的阳极连接在一起，其连接点为第一直流连接点；第四开关、第五开关和第六 开关的阴极连接在一起，其连接点为第二直流连接点；第七开关的阳极与第二直流连接点 相连，第七开关的阴极与第一直流连接点相连。超导磁体的两端分别与第一直流连接点和 第三直流连接点相连。第一电流源的电流流出端与第三直流连接点相连，第一电流源的电 流流入端与第二直流连接点相连。第八开关的一端和第一单相变压器次边的一端相连后与 第一交流连接点相连；第八开关的另一端与第一滤波电容的一端相连。第九开关的一端和 第二单相变压器次边的一端相连后与第二交流连接点相连；第九开关的另一端与第二滤波 电容的一端相连。第十开关的一端和第三单相变压器次边的一端相连后与第三交流连接点 相连；第十开关的另一端与第三滤波电容的一端相连。第一滤波电容的另一端、第二滤波电 容的另一端和第三滤波电容的另一端相连构成第四交流连接点。第一单相变压器、第二单 相变压器和第三单相变压器次边的另一端与第四交流连接点连接。第一单相变压器的次边 的两端与第一压敏电阻的两端相连；第二单相变压器的次边的两端与第二压敏电阻的两端 相连；第三单相变压器的次边的两端与第三压敏电阻的两端相连。第一单相变压器原边的 一端与电网第一相电源的一端相连，第一单相变压器原边的另一端和第一相负载的一端相 连。第二单相变压器原边的一端与电网第二相电源的一端相连，第二单相变压器原边的另 一端和第二相负载的一端相连。第三单相变压器原边的一端分别与电网第三相电源的一端 相连，第三单相变压器原边的另一端和第三相负载的一端相连。所述第一开关、第二开关、 第三开关、第四开关、第五开关、第六开关和第七开关均为逆阻型开关，或者由逆导型开关 串联一个二极管替代所述的逆阻型开关。第八开关、第九开关和第十开关为双向高速开关。对本结构形式的超导限流储能电路的控制方法如下1、在系统刚启动时，所有的 开关均闭合，此时变压器次边的压降值接近于零，超导限流储能电路对负载的电压没有影 响；此时第一电流源给超导磁体充电，使超导磁体的电流上升到给定值附近。2、在正常状态 下，第七开关断开，第八开关、第九开关和第十开关闭合。第一电流源变流器通过改变注入 滤波电容的电流进而改变滤波电容上的电压，该电压作用在变压器的次边，从而可以补偿电网电压的畸变，改善负载端的供电电压质量。同时第一电流源对超导磁体进行充放电，以 维持超导磁体的电流在给定值附近。3、当检测到线路过流时，第一电流源变流器的所有开 关均闭合，第七开关、第八开关、第九开关、第十开关断开；若线路电流的幅值未超过超导磁 体的电流，则所有线路电流通过第一电流源变流器以不控整流的形式流经超导磁体，超导 磁体被串入电网，从而起到故障限流的作用。若线路电流已超过超导磁体的电流，则未超出 的部分仍然通过第一电流源变流器流经超导磁体，超出的部分由于缺乏通路，感应出高电 压，击穿压敏电阻，通过压敏电阻进行泄流并释放出过冲能量。压敏电阻同时将感应出的电 压箝位到压敏电阻的击穿电压，从而保证第一电流源变流器不至于因为过电压而损坏；当 线路电流的幅值下降到超导磁体电流值之下时，所有电流都将以不控整流的形式流过超导 磁体，从而对之后的故障电流起到完全的限制作用。而第一电流源对超导磁体进行放电，以 将超导磁体的电流保持在安全的范围内。由于通过开关操作，在故障限流的过程中将滤波 电容完全隔离出电流通路，因此可以防止滤波电容与限流电感之间产生谐振，从而可以保 证故障限流的效果。 2本发明一种超导限流储能电路，还可以为如下结构第一开关、第二开关、第三 开关和第四开关组成第一电流源变流器。第四开关的阴极与第一开关的阳极相连，其连接 点为其连接点为第一交流连接点；第三开关的阴极与第二开关的阳极相连，其连接点为其 连接点为第二交流连接点；第一开关和第二开关的阴极相连，其连接点为其连接点为第一 直流连接点；第三开关和第四开关的阳极相连，其连接点为其连接点为第二直流连接点。 第五开关、第六开关、第七开关和第八开关组成第二电流源变流器。第八开关的阴极与第 五开关的阳极相连，其连接点为第三交流连接点；第七开关的阴极与第六开关的阳极相连， 其连接点为第四交流连接点；第五开关和第六开关的阴极相连，其连接点为第三直流连接 点；第七开关和第八开关的阳极相连，其连接点为第四直流连接点。第九开关、第十开关、 第十一开关和第十二开关组成第三电流源变流器。第十二开关的阴极与第九开关的阳极相 连，其连接点为第五交流连接点；第十一开关的阴极与第十开关的阳极相连，其连接点为第 六交流连接点；第九开关和第十开关的阴极相连，其连接点为第五直流连接点；第十一开 关和第十二开关的阳极相连，其连接点为第六直流连接点。超导磁体的两端分别与第二直 流连接点和第七直流连接点相连。第一电流源的电流流出端与第七直流连接点相连，第一 电流源的电流流入端与第五直流连接点相连。第一直流连接点与第四直流连接点相连；第 三直流连接点与第六直流连接点相连。第十三开关的阳极与第一直流连接点相连，第十三 开关的阴极与第二直流连接点相连；第十四开关的阳极与第三直流连接点相连，第十四开 关的阴极与第四直流连接点相连；第十五开关的阳极与第五直流连接点相连，第十五开关 的阴极与第六直流连接点相连。第一滤波电容的一端与第十六开关的一端相连，第一滤波 电容的另一端与第一交流连接点相连。第十六开关的另一端与第二交流连接点相连。第一 单相变压器次边的两端分别与第一交流连接点和第二交流连接点相连。第一压敏电阻的两 端分别与第一交流连接点和第二交流连接点相连。第二滤波电容的一端与第十七开关的一 端相连，第二滤波电容的另一端与第三交流连接点相连。第十七开关的另一端与第四交流 连接点相连。第二单相变压器次边的两端分别与第三交流连接点和第四交流连接点相连。 第二压敏电阻的两端分别与第三交流连接点和第四交流连接点相连。第三滤波电容的一端 与第十八开关的一端相连，第三滤波电容的另一端与第五交流连接点相连。第十八开关的另一端与第六交流连接点相连。第三单相变压器次边的两端分别与第五交流连接点和第 六交流连接点相连。第三压敏电阻的两端分别与第五交流连接点和第六交流连接点相连。 第一单相变压器原边的两端分别与电网第一相电源的一端和第一相负载的一端相连；第二 单相变压器原边的两端分别与电网第二相电源的一端和第二相负载的一端相连；第三单相 变压器原边的两端分别与电网第三相电源的一端和第三相负载的一端相连。所述第一开 关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第九开关、第 十开关、第十一开关、第十二开关、第十三开关、第十四开关和第十五开关均为逆阻型开关， 或者用逆导型开关串联一个二极管替代所述的逆阻型开关。第十六开关、第十七开关和第 十八开关为双向高速开关。 对本结构形式的超导限流储能电路的控制方法如下1、在系统刚启动时，所有的 开关均闭合，此时变压器次边的压降值接近于零，超导限流储能电路对负载的电压没有影 响。此时第一电流源超导磁体充电，使超导磁体的电流上升到给定值附近。2、在正常状态 下，第十三开关、第十四开关和第十五开关断开，第十六开关、第十七开关和第十八开关闭 合。第一电流源变流器、第二电流源变流器和第三电流源变流器通过改变注入滤波电容的 电流进而改变滤波电容上的电压，该电压作用在变压器的次边，从而可以补偿电网电压的 畸变，改善负载端的供电电压质量。同时第一电流源对超导磁体进行充放电，以维持超导磁 体的电流在给定值附近。3、当检测到线路过流时，第一电流源变流器、第二电流源变流器和 第三电流源变流器的所有开关均闭合，第十三开关、第十四开关、第十五开关、第十六开关、 第十七开关和第十八开关断开。若线路电流的幅值未超过超导磁体的电流，则所有线路电 流通过第一电流源变流器、第二电流源变流器和第三电流源变流器以不控整流的形式流经 超导磁体，超导磁体被串入电网，从而起到故障限流的作用。若线路电流已超过超导磁体的 电流，则未超出的部分仍然通过第一电流源变流器、第二电流源变流器和第三电流源变流 器流经超导磁体。超出的部分由于缺乏通路，感应出高电压，击穿压敏电阻，通过压敏电阻 进行泄流并释放出过冲能量。压敏电阻同时将感应出的电压箝位到压敏电阻的击穿电压， 从而保证第一电流源变流器、第二电流源变流器和第三电流源变流器不至于因为过电压而 损坏。当线路电流的幅值下降到超导磁体电流值之下时，所有电流都将以不控整流的形式 流过超导磁体，从而对之后的故障电流起到完全的限制作用。而第一电流源对超导磁体进 行放电，以将超导磁体的电流保持在安全的范围内。由于通过开关操作，在故障限流的过程 中将滤波电容完全隔离出电流通路，因此可以防止滤波电容与限流电感之间产生谐振，从 而可以保证故障限流的效果。
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。图1为美国专利U. S 5，726，848 “故障限流器和交流断路器”的拓扑结构图；图2为美国专利US2002/0030952 “超导磁体放电方法及装置”的拓扑结构图；图3为中国专利CN100527560C “一种桥路型限流贮能电路”的拓扑结构图；图4为中国专利CN100527559C “一种线间电压补偿型限流贮能电路”的拓扑结构 图；图5为中国专利200910241236. 3 “一种超导限流储能电路”的拓扑结构图6为本发明实施例1的电路拓扑结构图；图7为本发明实施例2的电路拓扑结构图。
具体实施例方式图6为本发明的实施例1的拓扑结构。如图6所示，本发明实施例1的结构如下 第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6组成第一 电流源变流器CSC1。第一开关S1的阴极与第四开关S4的阳极相连，其连接点为第一交流 连接点PA1。第一开关S1与第四开关S4构成第一电流源逆变器CSC1的第一半桥HB1。第 二开关S2的阴极与第五开关S5的阳极相连，其连接点为第二交流连接点PA2。第二开关 S2与第五开关S5构成第一电流源逆变器CSC1的第二半桥HB2。第三开关S3的阴极与第 六开关S6的阳极相连，其连接点为第三交流连接点PA3。第三开关S3与第六开关S6构成 第一电流源逆变器CSC1的第三半桥HB3。第一开关S1、第二开关S2和第三开关S3的阳极 连接在一起，其连接点为第一直流连接点PD1 ；第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6的 阴极连接在一起，其连接点为第二直流连接点PD2。第七开关S7的阳极与第二直流连接点 PD2相连，第七开关S7的阴极与第一直流连接点PD1相连。超导磁体Lsc的两端分别与第 一直流连接点PD1和第三直流连接点PD3相连。第一电流源Idc的电流流出端与第三直流 连接点PD3相连，第一电流源的电流流入端与第二直流连接点PD2相连。第八开关S8的一 端和第一单相变压器Trl次边的一端相连后与第一交流连接点PA1相连；第八开关S8的另 一端与第一滤波电容C1的一端相连。第九开关S9的一端和第二单相变压器Tr2次边的一 端相连后与第二交流连接点PA2相连；第九开关S9的另一端与第二滤波电容C2的一端相 连。第十开关S10的一端和第三单相变压器Tr3次边的一端相连后与第三交流连接点PA3 相连。第十开关S10的另一端与第三滤波电容C3的一端相连。第一滤波电容C1的另一 端、第二滤波电容C2的另一端和第三滤波电容C3的另一端相连，其连接点为第四交流连接 点PA4 ；第一单相变压器Trl、第二单相变压器Tr2和第三单相变压器Tr3次边的另一端与 第四交流连接点PA4连接。第一单相变压器Trl的次边的两端与第一压敏电阻VI的两端 相连；第二单相变压器Tr2的次边的两端与第二压敏电阻V2的两端相连；第三单相变压器 Tr3的次边的两端与第三压敏电阻V3的两端相连。第一单相变压器Trl原边的一端与电 网第一相电源Usl的一端相连，第一单相变压器Trl原边的另一端和第一相负载Z1的一端 相连。第二单相变压器Tr2原边的一端与电网第二相电源Us2的一端相连，第二单相变压 器Tr2原边的另一端和第二相负载Z2的一端相连。第三单相变压器Tr3原边的一端分别 与电网第三相电源Us3的一端相连，第三单相变压器Tr3原边的另一端和第三相负载Z3的 一端相连。所述第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开 关S6和第七开关S7均为逆阻型开关，或者由逆导型开关串联一个二极管替代所述的逆阻 型开关。第八开关S8、第九开关S9和第十开关S10为双向高速开关。对图6所示的实施例1的控制方法为1、在系统刚启动时，所有的开关均闭合，此 时变压器次边的压降值接近于零，超导限流储能电路对负载的电压没有影响。此时第一电 流源Idc给超导磁体充电，使超导磁体的电流上升到给定值附近。2、在正常状态下，第七开 关S7断开，第八开关S8、第九开关S9和第十开关S10闭合。第一电流源变流器CSC1通过 改变注入滤波电容的电流进而改变滤波电容上的电压，该电压作用在变压器的次边，从而可以补偿电网电压的畸变，改善负载端的供电电压质量。同时第一电流源Idc对超导磁体 进行充放电，以维持超导磁体的电流在给定值附近。3、当检测到线路过流时，第一电流源变 流器CSC1的所有开关均闭合，第七开关S7、第八开关S8、第九开关S9、第十开关S10断开。 若线路电流的幅值未超过超导磁体的电流，则所有线路电流通过第一电流源变流器CSC1 以不控整流的形式流经超导磁体，超导磁体被串入电网，从而起到故障限流的作用。若线路 电流已超过超导磁体的电流，则未超出的部分仍然通过第一电流源变流器CSC1流经超导 磁体，超出的部分由于缺乏通路，感应出高电压，击穿压敏电阻，通过压敏电阻进行泄流并 释放出过冲能量。压敏电阻同时将感应出的电压箝位到压敏电阻的击穿电压，从而保证第 一电流源变流器CSC1不至于因为过电压而损坏。当线路电流的幅值下降到超导磁体电流 值之下时，所有电流都将以不控整流的形式流过超导磁体，从而对之后的故障电流起到完 全的限制作用。而第一电流源Idc对超导磁体进行放电，以尽量将超导磁体的电流保持在 安全的范围内。由于通过开关操作，在故障限流的过程中将滤波电容完全隔离出电流通路， 因此可以防止滤波电容与限流电感之间产生谐振，从而可以保证故障限流的效果。
图7为本发明的实施例2的拓扑结构。如图7所示，本发明实施例2的结构如下 第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4组成第一电流源变流器CSC1。第四 开关S4的阴极与第一开关S1的阳极相连，其连接点为第一交流连接点PA1 ；第三开关S3的 阴极与第二开关S2的阳极相连，其连接点为第二交流连接点PA2。第一开关S1和第二开关 S2的阴极相连，其连接点为第一直流连接点PD1 ；第三开关S3和第四开关S4的阳极相连， 其连接点为第二直流连接点PD2。第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8组 成第二电流源变流器CSC2。第八开关S8的阴极与第五开关S5的阳极相连，其连接点为第 三交流连接点PA3 ；第七开关S7的阴极与第六开关S6的阳极相连，其连接点为第四交流连 接点PA4。第五开关S5和第六开关S6的阴极相连，其连接点为第三直流连接点PD3 ；第七 开关S7和第八开关S8的阳极相连，其连接点为第四直流连接点PD4。第九开关S9、第十开 关S10、第十一开关S11和第十二开关S12组成第三电流源变流器CSC3。第十二开关S12 的阴极与第九开关S9的阳极相连，其连接点为第五交流连接点PA5 ；第十一开关S11的阴 极与第十开关S10的阳极相连，其连接点为第六交流连接点PA6。第九开关S9和第十开关 S10的阴极相连，其连接点为第五直流连接点PD5 ；第十一开关S11和第十二开关S12的阳 极相连，其连接点为第六直流连接点PD6。超导磁体Lsc的两端分别与第二直流连接点PD2 和第七直流连接点PD7相连。第一电流源Idc的电流流出端与第七直流连接点PD7相连， 第一电流源的电流流入端与第五直流连接点PD5相连。第一直流连接点PD1与第四直流连 接点PD4相连；第三直流连接点PD3与第六直流连接点PD6相连。第十三开关S13的阳极 与第一直流连接点PD1相连，第十三开关S13的阴极与第二直流连接点PD2相连。第十四 开关S14的阳极与第三直流连接点PD3相连，第十四开关S14的阴极与第四直流连接点PD4 相连。第十五开关S15的阳极与第五直流连接点PD5相连，第十五开关S15的阴极与第六 直流连接点PD6相连。第一滤波电容C1的一端与第十六开关S16的一端相连，第一滤波电 容C1的另一端与第一交流连接点PA1相连。第十六开关S16的另一端与第二交流连接点 PA2相连。第一单相变压器Trl次边的两端分别与第一交流连接点PA1和第二交流连接点 PA2相连。第一压敏电阻VI的两端分别与第一交流连接点PA1和第二交流连接点PA2相 连。第二滤波电容C2的一端与第十七开关S17的一端相连，第二滤波电容C2的另一端与第三交流连接点PA3相连。第十七开关S17的另一端与第四交流连接点PA4相连。第二单 相变压器Tr2次边的两端分别与第三交流连接点PA3和第四交流连接点PA4相连。第二压 敏电阻V2的两端分别与第三交流连接点PA3和第四交流连接点PA4相连。第三滤波电容 C3的一端与第十八开关S18的一端相连，第三滤波电容C3的另一端与第五交流连接点PA5 相连。第十八开关S18的另一端与第六交流连接点PA6相连。第三单相变压器Tr3次边的 两端分别与第五交流连接点PA5和第六交流连接点PA6相连。第三压敏电阻V3的两端分 别与第五交流连接点PA5和第六交流连接点PA6相连。第一单相变压器Trl原边的两端分 别与电网第一相电源Usl的一端和第一相负载Z1的一端相连；第二单相变压器Tr2原边的 两端分别与电网第二相电源Us2的一端和第二相负载Z2的一端相连；第三单相变压器Tr3 原边的两端分别与电网第三相电源Us3的一端和第三相负载Z3的一端相连。所述第一开 关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八 开关S8、第九开关S9、第十开关S10、第十一开关S11、第十二开关S12、第十三开关S13、第 十四开关S14和第十五开关S15均为逆阻型开关，或者用逆导型开关串联一个二极管替代 所述的逆阻型开关。第十六开关S16、第十七开关S17和第十八开关S18为双向高速开关。
对图7所示的实施例2的控制方法为1、在系统刚启动时，所有的开关均闭合，此 时变压器次边的压降值接近于零，超导限流储能电路对负载的电压没有影响。此时第一电 流源Idc超导磁体充电，使超导磁体的电流上升到给定值附近。2、在正常状态下，第十三开 关S13、第十四开关S14和第十五开关S15断开；第十六开关S16、第十七开关S17和第十八 开关S18闭合。第一电流源变流器CSC1、第二电流源变流器CSC2和第三电流源变流器CSC3 通过改变注入滤波电容的电流进而改变滤波电容上的电压，该电压作用在变压器的次边， 从而可以补偿电网电压的畸变，改善负载端的供电电压质量。同时第一电流源Idc对超导 磁体进行充放电，以维持超导磁体的电流在给定值附近。3、当检测到线路过流时，第一电流 源变流器CSC1、第二电流源变流器CSC2和第三电流源变流器CSC3的所有开关均闭合。第 十三开关S13、第十四开关S14、第十五开关S15、第十六开关S16、第十七开关S17和第十八 开关S18断开；若线路电流的幅值未超过超导磁体的电流，则所有线路电流通过第一电流 源变流器CSC1、第二电流源变流器CSC2和第三电流源变流器CSC3以不控整流的形式流经 超导磁体，超导磁体被串入电网，从而起到故障限流的作用。若线路电流已超过超导磁体 的电流，则未超出的部分仍然通过第一电流源变流器CSC1、第二电流源变流器CSC2和第三 电流源变流器CSC3流经超导磁体。超出的部分由于缺乏通路，感应出高电压，击穿压敏电 阻，通过压敏电阻进行泄流并释放出过冲能量。压敏电阻同时将感应出的电压箝位到压敏 电阻的击穿电压，从而保证第一电流源变流器CSC1、第二电流源变流器CSC2和第三电流源 变流器CSC3不至于因为过电压而损坏。当线路电流的幅值下降到超导磁体电流值之下时， 所有电流都将以不控整流的形式流过超导磁体，从而对之后的故障电流起到完全的限制作 用。而第一电流源Idc对超导磁体进行放电，以尽量将超导磁体的电流保持在安全的范围 内。由于通过开关操作，在故障限流的过程中将滤波电容完全隔离出电流通路，因此可以防 止滤波电容与限流电感之间产生谐振，从而可以保证故障限流的效果。
权利要求
一种超导限流储能电路，其特征在于，在所述超导限流储能电路中第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)、第五开关(S5)和第六开关(S6)组成第一电流源变流器(CSC1)；第一开关(S1)的阴极与第四开关(S4)的阳极相连，其连接点为第一交流连接点(PA1)；第一开关(S1)与第四开关(S4)构成第一电流源逆变器(CSC1)的第一半桥(HB1)；第二开关(S2)的阴极与第五开关(S5)的阳极相连，其连接点为第二交流连接点(PA2)；第二开关(S2)与第五开关(S5)构成第一电流源逆变器(CSC1)的第二半桥(HB2)；第三开关(S3)的阴极与第六开关(S6)的阳极相连，其连接点为第三交流连接点(PA3)；第三开关(S3)与第六开关(S6)构成第一电流源逆变器(CSC1)的第三半桥(HB3)；第一开关(S1)、第二开关(S2)和第三开关(S3)的阳极连接在一起，其连接点为第一直流连接点(PD1)；第四开关(S4)、第五开关(S5)和第六开关(S6)的阴极连接在一起，其连接点为第二直流连接点(PD2)；第七开关(S7)的阳极与第二直流连接点(PD2)相连，第七开关(S7)的阴极与第一直流连接点(PD1)相连；超导磁体(Lsc)的两端分别与第一直流连接点(PD1)和第三直流连接点(PD3)相连；第一电流源(Idc)的电流流出端与第三直流连接点(PD3)相连，第一电流源的电流流入端与第二直流连接点(PD2)相连；第八开关(S8)的一端和第一单相变压器(Tr1)次边的一端相连后与第一交流连接点(PA1)相连；第八开关(S8)的另一端与第一滤波电容(C1)的一端相连；第九开关(S9)的一端和第二单相变压器(Tr2)次边的一端相连后与第二交流连接点(PA2)相连；第九开关(S9)的另一端与第二滤波电容(C2)的一端相连；第十开关(S10)的一端和第三单相变压器(Tr3)次边的一端相连后与第三交流连接点(PA3)相连；第十开关(S10)的另一端与第三滤波电容(C3)的一端相连；第一滤波电容(C1)的另一端、第二滤波电容(C2)的另一端和第三滤波电容(C3)的另一端相连构成第四交流连接点(PA4)；第一单相变压器(Tr1)、第二单相变压器(Tr2)和第三单相变压器(Tr3)次边的另一端与第四交流连接点(PA4)连接；第一单相变压器(Tr1)的次边的两端与第一压敏电阻(V1)的两端相连；第二单相变压器(Tr2)的次边的两端与第二压敏电阻(V2)的两端相连；第三单相变压器(Tr3)的次边的两端与第三压敏电阻(V3)的两端相连；第一单相变压器(Tr1)原边的一端与电网第一相电源(Us1)的一端相连，第一单相变压器(Tr1)原边的另一端和第一相负载(Z1)的一端相连；第二单相变压器(Tr2)原边的一端与电网第二相电源(Us2)的一端相连，第二单相变压器(Tr2)原边的另一端和第二相负载(Z2)的一端相连；第三单相变压器(Tr3)原边的一端分别与电网第三相电源(Us3)的一端相连，第三单相变压器(Tr3)原边的另一端和第三相负载(Z3)的一端相连；所述第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)、第五开关(S5)、第六开关(S6)和第七开关(S7)均为逆阻型开关，或者由逆导型开关串联一个二极管替代所述的逆阻型开关；第八开关(S8)、第九开关(S9)和第十开关(S10)为双向开关。
2.根据权利要求1所述的超导限流储能电路，其特征在于针对所述的超导限流储能电 路的控制方法如下(1)在系统刚启动时，所有的开关均闭合，此时变压器次边的压降值接近于零，超导限 流储能电路对负载的电压没有影响；此时第一电流源(Idc)给超导磁体充电，使超导磁体 的电流上升到给定值附近；(2)在正常状态下，第七开关(S7)断开；第八开关(S8)、第九开关(S9)和第十开关 (S10)闭合；第一电流源变流器(CSC1)通过改变注入滤波电容的电流进而改变滤波电容上的电压，该电压作用在变压器的次边，从而可以补偿电网电压的畸变，改善负载端的供电电 压质量；同时第一电流源(Idc)对超导磁体进行充放电，以维持超导磁体的电流在给定值 附近；(3)当检测到线路过流时，第一电流源变流器(CSCl)的所有开关均闭合，第七开关 (S7)、第八开关(S8)、第九开关(S9)、第十开关(SlO)断开；若线路电流的幅值未超过超导 磁体的电流，则所有线路电流通过第一电流源变流器(CSCl)以不控整流的形式流经超导 磁体，超导磁体被串入电网，从而起到故障限流的作用；若线路电流已超过超导磁体的电 流，则未超出的部分仍然通过第一电流源变流器(CSCl)流经超导磁体，超出的部分由于缺 乏通路，感应出高电压，击穿压敏电阻，通过压敏电阻进行泄流并释放出过冲能量；压敏电 阻同时将感应出的电压箝位到压敏电阻的击穿电压，从而保证第一电流源变流器(CSCl) 不至于因为过电压而损坏；当线路电流的幅值下降到超导磁体电流值之下时，所有电流都 将以不控整流的形式流过超导磁体，从而对之后的故障电流起到完全的限制作用；而第一 电流源(Idc)对超导磁体进行放电，以将超导磁体的电流保持在安全的范围内。
3. 一种超导限流储能电路，其特征在于，在所述超导限流储能电路中第一开关(Si)、 第二开关(S2)、第三开关(S3)和第四开关(S4)组成第一电流源变流器(CSCl)；第四开 关(S4)的阴极与第一开关(Si)的阳极相连，其连接点为第一交流连接点(PAl)；第三开 关(S3)的阴极与第二开关(S2)的阳极相连，其连接点为第二交流连接点(PA2)；第一开关 (Si)和第二开关(S2)的阴极相连，其连接点为第一直流连接点(PDl)；第三开关(S3)和 第四开关(S4)的阳极相连，其连接点为第二直流连接点(PD2)；第五开关(S5)、第六开关 (S6)、第七开关(S7)和第八开关(S8)组成第二电流源变流器(CSC2)；第八开关(S8)的阴 极与第五开关(S5)的阳极相连，其连接点为第三交流连接点(PA3)；第七开关(S7)的阴极 与第六开关(S6)的阳极相连，其连接点为第四交流连接点(PA4)；第五开关(S5)和第六开 关(S6)的阴极相连，其连接点为第三直流连接点(PD3)；第七开关(S7)和第八开关(S8) 的阳极相连，其连接点为第四直流连接点(PD4)；第九开关(S9)、第十开关(SlO)、第十一开 关(Sll)和第十二开关(S12)组成第三电流源变流器(CSC3)；第十二开关(S12)的阴极与 第九开关(S9)的阳极相连，其连接点为第五交流连接点(PA5)；第十一开关(Sll)的阴极 与第十开关(SlO)的阳极相连，其连接点为第六交流连接点(PA6)；第九开关(S9)和第十 开关(SlO)的阴极相连，其连接点为第五直流连接点(PD5)；第十一开关(Sll)和第十二开 关(S12)的阳极相连，其连接点为第六直流连接点(PD6)；超导磁体(Lsc)的两端分别与第 二直流连接点(PD2)和第七直流连接点(PD7)相连；第一电流源(Idc)的电流流出端与第 七直流连接点(PD7)相连，第一电流源的电流流入端与第五直流连接点(PD5)相连；第一直 流连接点(PDl)与第四直流连接点(PD4)相连；第三直流连接点(PD3)与第六直流连接点 (PD6)相连；第十三开关(S13)的阳极与第一直流连接点(PDl)相连，第十三开关(S13)的 阴极与第二直流连接点(PD2)相连；第十四开关(S14)的阳极与第三直流连接点(PD3)相 连，第十四开关(S14)的阴极与第四直流连接点(PD4)相连；第十五开关(S15)的阳极与第 五直流连接点(PD5)相连，第十五开关(S15)的阴极与第六直流连接点(PD6)相连；第一 滤波电容(Cl)的一端与第十六开关(S16)的一端相连；第一滤波电容(Cl)的另一端与第 一交流连接点(PAl)相连；第十六开关(S16)的另一端与第二交流连接点(PA2)相连；第 一单相变压器(Trl)次边的两端分别与第一交流连接点(PAl)和第二交流连接点(PA2)相连；第一压敏电阻(VI)的两端分别与第一交流连接点(PA1)和第二交流连接点(PA2)相 连；第二滤波电容(C2)的一端与第十七开关(S17)的一端相连；第二滤波电容(C2)的另 一端与第三交流连接点(PA3)相连；第十七开关(S17)的另一端与第四交流连接点(PA4) 相连；第二单相变压器(Tr2)次边的两端分别与第三交流连接点(PA3)和第四交流连接 点(PA4)相连；第二压敏电阻(V2)的两端分别与第三交流连接点(PA3)和第四交流连接 点(PA4)相连；第三滤波电容(C3)的一端与第十八开关(S18)的一端相连；第三滤波电容 (C3)的另一端与第五交流连接点(PA5)相连；第十八开关(S18)的另一端与第六交流连接 点(PA6)相连；第三单相变压器(Tr3)次边的两端分别与第五交流连接点(PA5)和第六交 流连接点(PA6)相连；第三压敏电阻(V3)的两端分别与第五交流连接点(PA5)和第六交流 连接点(PA6)相连；第一单相变压器(Trl)原边的两端分别与电网第一相电源(Usl)的一 端和第一相负载(Z1)的一端相连；第二单相变压器(Tr2)原边的两端分别与电网第二相电 源(Us2)的一端和第二相负载(Z2)的一端相连；第三单相变压器(Tr3)原边的两端分别与 电网第三相电源(Us3)的一端和第三相负载(Z3)的一端相连；所述第一开关(S1)、第二开 关(S2)、第三开关(S3)、第四开关(S4)、第五开关(S5)、第六开关(S6)、第七开关(S7)、第 八开关(S8)、第九开关(S9)、第十开关(S10)、第十一开关(S11)、第十二开关(S12)、第十三 开关(S13)、第十四开关(S14)和第十五开关(S15)均为逆阻型开关，或者用逆导型开关串 联一个二极管替代所述的逆阻型开关；第十六开关(S16)、第十七开关(S17)和第十八开关 (S18)为双向开关。
4.据权利要求3所述的超导限流储能电路，其特征在于针对所述的超导限流储能电路 的控制方法如下(1)在系统刚启动时，所有的开关均闭合，此时变压器次边的压降值接近于零，超导限 流储能电路对负载的电压没有影响；此时第一电流源(Idc)超导磁体充电，使超导磁体的 电流上升到给定值附近；(2)在正常状态下，第十三开关(S13)、第十四开关(S14)和第十五开关(S15)断开；第 十六开关(S16)、第十七开关(S17)和第十八开关(S18)闭合；第一电流源变流器(CSC1)、 第二电流源变流器(CSC2)和第三电流源变流器(CSC3)通过改变注入滤波电容的电流进而 改变滤波电容上的电压，该电压作用在变压器的次边，从而可以补偿电网电压的畸变，改善 负载端的供电电压质量；同时第一电流源(Idc)对超导磁体进行充放电，以维持超导磁体 的电流在给定值附近；(3)当检测到线路过流时，第一电流源变流器(CSC1)、第二电流源变流器(CSC2)和第 三电流源变流器(CSC3)的所有开关均闭合，第十三开关(S13)、第十四开关(S14)、第十五 开关(S15)、第十六开关(S16)、第十七开关(S17)和第十八开关(S18)断开；若线路电流 的幅值未超过超导磁体的电流，则所有线路电流通过第一电流源变流器(CSC1)、第二电流 源变流器(CSC2)和第三电流源变流器(CSC3)以不控整流的形式流经超导磁体，超导磁体 被串入电网，从而起到故障限流的作用；若线路电流已超过超导磁体的电流，则未超出的 部分仍然通过第一电流源变流器(CSC1)、第二电流源变流器(CSC2)和第三电流源变流器 (CSC3)流经超导磁体，超出的部分由于缺乏通路，感应出高电压，击穿压敏电阻，通过压敏 电阻进行泄流并释放出过冲能量；压敏电阻同时将感应出的电压箝位到压敏电阻的击穿电 压，从而保证第一电流源变流器(CSC1)、第二电流源变流器(CSC2)和第三电流源变流器(CSC3)不至于因为过电压而损坏；当线路电流的幅值下降到超导磁体电流值之下时，所有 电流都将以不控整流的形式流过超导磁体，从而对之后的故障电流起到完全的限制作用； 而第一电流源(Idc)对超导磁体进行放电，以将超导磁体的电流保持在安全的范围内。
全文摘要
一种超导限流储能电路及其控制方法。它将超导磁体通过电流源变流器、滤波电容、开关、压敏电阻和变压器等与电网串联连接。在正常状态下，通过控制电流源变流器注入滤波电容的电流，改变滤波电容的电压，补偿电网的电压畸变，进而改善负载的供电电压质量。在线路发生短路故障时，通过开关和压敏电阻，将滤波电容与电网断开连接，并开通电流源变流器所有的开关，使超导磁体以不控整流的形式串入电网，从而起到故障限流的作用。
文档编号H02H9/04GK101872965SQ20101020971
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者张志丰, 戴少涛, 肖立业, 郭文勇 申请人:中国科学院电工研究所