全控混合桥式超导限流器的分析与优化

基于传统桥路型超导限流器的工作特点及其优缺点，全控混合桥式超导限流器方案被提出。与传统可控桥式超导限流器不同，全控混合桥式超导限流器的结构中采用功率场效应晶体管和功率二极管混合使用的方式构成整流桥，整流桥交流侧两端连入供电系统，其直流侧与超导线圈相连接^[8-13]。

以电子科技大学研究人员提出的一种新型全控混合桥式超导限流器为例进行分析，该方案下的电路拓扑结构如图6.5所示。图中，功率场效应晶体管K₁支路、K₂支路、K₃与功率二极管VD₃的串联支路、K₄与VD₄的串联支路，分别为构成整流桥的四支桥臂。限流器串联进入供电系统，CB为断路器，Z₀、Z_load分别表示系统阻抗和负载阻抗，V₀为单相电源电压。电力系统中若发生大电流故障，控制系统通过控制限流器整流桥中的场效应晶体管使限流器及时切换工作状态，增大限流器阻抗以限制故障电流的峰值^[13]。

图6.5　全控混合桥式超导限流器系统的拓扑结构图

全控混合桥式超导限流器与一般桥式超导限流器类似，需要在系统无故障情况下对系统几乎无影响；系统发生负载短路故障时，立刻呈现一个大阻抗，起到限流效果，具体实现过程分析如下。

如图6.5中所示，限流器正常运行时，只导通功率场效应晶体管K₃、K₄，流过超导线圈的电流i_SC近似为直流，除系统电流峰值附近外超导线圈上的电流都大于系统线路电流i₀。超导线圈通过功率场效应晶体管K₁、K₄、功率二极管VD₄回路及K₂、K₃、功率二极管VD₃回路不断进行充磁和释能过程，从而使整流桥路全导通，全控混合桥式超导限流器此时对系统呈现出的阻抗非常小、两端电压非常低，此时加入该限流器对系统几乎无影响。

在系统发生短路故障时，系统电流迅速增大，当系统正向电流增大到线圈电流时，K₃、K₄所在两条支路不再有电流流过（或系统负向电流绝对值增大到线圈电流时，K₁、K₂所在两条支路不再有电流流过），超导线圈相当于串入系统开始限制暂态故障电流。当系统电流绝对值大于控制系统设定的一定值后，通过控制导通场效应晶体管K₁、K₂并关断场效应晶体管K₃、K₄，则故障电流流过场效应晶体管K₁、K₂和超导线圈所在回路，此时超导线圈与两个场效应晶体管K₁、K2串入系统，使限流器等效为一个限流大阻抗，进而限制故障稳态电流。(www.xing528.com)

全控混合桥式超导限流器的工作状态可由限流器中场效应晶体管的工作状态等效代替，见表6.1，包括系统无故障时限流器正常运行和系统故障时限流器进行限流两种稳定状态。其中0表示功率场效应晶体管关断，1表示功率场效应晶体管导通。除此之外，该限流器在状态相互转换之间还有相应的过渡态。

表6.1　限流器中场效应晶体管的状态

影响全控桥式超导限流器特性的因素有功率开关器件自身等效电阻及导通压降、超导限流线圈的感抗以及功率开关器件的响应时间、控制电路的信号传输时间等。限流器中功率器件的电阻和压降越低，限流器的等效电阻就越小，其两端的电压就越低，对系统的影响就越小。器件响应时间和控制电路信号传输时间越短，限流器进行限流状态的切换时间就越短，系统在故障后产生的最大冲击电流就会减小，对系统和限流器装置的冲击和毁坏性可能就减小，有利于系统安全。对于特定容量的系统，设计合理大小的限流线圈感抗值，不仅有利于减小成本和控制系统的谐波率，更有利于保护故障后的系统，以免发生灾难性的事故。

相比于传统桥式超导限流器，全控混合桥式超导限流器具有结构简单、成本低、响应快，能有效限制暂态及稳态故障电流，系统及限流器自身能实现自保护等明显优点。电力系统中，限流器对于故障的响应速度越快越好，全控混合桥式超导限流器方案的响应速度可达到微秒级别。当系统发生短路故障时，全控混合桥式超导限流器不切断系统，允许发生故障的系统继续运行短暂的时间，以便短时间持续或瞬时性的短路故障自动清除或消失后，限流器转换到正常运行状态以及系统迅速地恢复到正常供电。由于不需要偏置电源，全控混合桥式超导限流器的结构得到简化，系统可靠性提高，设备成本降低、体积减小、重量减轻^[13-19]。