基于Simdroid实现超导限流器阻抗计算

随着我国现代化工业和电力系统的发展，电网装机容量不断提升，电网互联规模和程度不断加强，电网短路电流水平急剧上升。有效抑制电网短路电流，对于保护电网设备、保障电网稳定运行具有重要意义。

超导限流器是在输（配）电网发生短路故障时能够将电网短路电流限制在设定的安全幅值之下的电力设备，主要是利用超导体的超导态、正常态转变的物理特性，实现对短路电流的抑制，提高电网的暂态稳定性。超导限流器具有两个基本特征：一是在电网正常运行时呈现出很低的阻抗，不会对输电质量和输电损耗产生显著的不利影响；二是在电网发生短路故障时呈现较高的暂态阻抗，从而达到抑制短路电流幅值的作用。

单相饱和铁心型超导限流器原理示意图

限流器研制厂家往往通过实验的方式进行限流阻抗测试，成本较高；而采用仿真的方式能够显著节约成本、缩短研发周期，并可灵活改变限流器模型参数、激励参数，快速优化设计方案。

本次仿真计算的某型号超导限流器模型主要包括铁心、直流绕组和交流绕组。其中，铁心采用非线性材料，相应的BH曲线如图所示。由于限流器模型具备对称性，所以采用1/2模型进行超导限流器稳态和限流态仿真计算，可以极大降低仿真计算的工作量。

铁心BH曲线

1 稳态阻抗计算

Calculation of steady-state

稳态阻抗是限流器带直流正常运行时表现出来的阻抗。此时，交流电流为额定电流附近，直流励磁使铁心充分饱和，限流器表现为低阻抗状态。

首先，给出了限流器在稳态时交流绕组的电流波形和电压波形，并与主流商业软件计算结果对比，两者变化趋势一致，吻合度较高，而且在0.1s时电流波形已基本处于稳定状态。

电流波形对比图

电压波形对比图

同时，给出了限流器铁心在电流波形稳定后、0.14s时刻的磁感应强度云图和矢量图，铁心处于深度饱和状态。

阻抗计算以电压和电流有效值的比值来表征，即

其中，Vm、Im是限流器两端电压、电流有效值。稳态阻抗的计算结果与商软误差在1%以内。稳态阻抗较小，对整个输配电系统影响很小。

阻抗(ohm)

2 限流态阻抗计算

Calculation of current limitation state

超导限流器在限流态时，直流绕组不工作，交流绕组和铁心构成限流电抗器。限流阻抗的大小是限流器限流态关键设计参数。限流阻抗的精确计算直接影响限流器尺寸、重量等因素的可行性。

首先，给出了限流器在限流态时交流绕组的电流波形和电压波形，并与主流商业软件计算结果对比，两者变化趋势一致，吻合度较高，而且在0.1s时电流波形已基本处于稳定状态。

电流波形对比图
电压波形对比图

同时，给出了铁心在电流波形稳定后、0.14s时刻的磁感应强度云图和矢量图，在两个边柱上磁感应强度较大，在中柱上磁感应强度较小。

阻抗计算以电压和电流有效值的比值来表征，计算结果与商软误差在5%以内。

阻抗(ohm)

基于该模型可开展不同激励条件下限流器的阻抗计算，其结果可帮助限流器研制厂家制定更优策略。