基于PSCAD的RSFCL建模方法研究

李 晶 ， 王 龍 ， 宋 萌 ， 胡南南

（1.昆明理工大學 云南電網公司研究生工作站，云南 昆明 650217；2.昆明理工大學 電力工程學院，云南 昆明 650500；

3.云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院 云南 昆明 650217）

隨著電網容量的不斷增加，短路電流水平的不斷提高，電力系統中電氣設備要承受越來越大的短路電流沖擊，供電的可靠、穩定和安全也將受到不加限制的短路電流的威脅。由于傳統的限流措施實現起來有一定的局限性，而為了能夠使電網安全可靠的運行，減小短路電流給電氣設備帶來的危害，延長電氣設備的壽命等，就必須采取有效的限流措施。隨著20世紀80年代后期高溫超導材料的發展，超導限流器也隨之發展，它具有其特有的優越性，能夠能自動觸發和自動復位，并集檢測、觸發和限流于一身，是電力系統的理想限流裝置。

超 導 故 障 限 流 器 （Superconducting Fault Current Limiter，簡稱 SFCL）包括電阻型、橋路型、飽和型、混合型、變壓器型等。能夠在液氮（溫度保持在77 K）的環境下應用于電力系統。正常運行時，超導體表現出很小的阻抗，甚至是零阻抗，不僅具有完全的抗磁性，對電網的影響也幾乎為零；而當電力系統發生短路故障時，短路電流會超過超導體的臨界電流，使超導體迅速失超而表現出一個很大的阻抗，以便將短路電流限制在一個很低的水平，且反應速度很快，為毫秒級[1-2]。

1 電阻型超導限流器的原理介紹

RSFCL是利用交流超導體從超導態向常態快速轉變的原理來限制電力系統的故障電流，其轉變時間很短。具有正常運行時對電力系統無影響，響應速度快，無需故障檢測電路，可以自動觸發限制短路電流，結構簡單、響應速度快，電流過載系數小，正常運行電壓低，等優點[3-4]。結構圖如圖1所示。由低交流損耗的極細絲超導電纜無感繞制的觸發線圈組成，同時并聯一個限制線圈，用來降低觸發線圈轉變時產生的過電壓。基本原理是：當系統發生故障后，迅速投入限流電阻以增大發電機的電磁功率，減少功率差額，最終提高系統穩定[5]。

圖1 電阻型超導故障限流器結構圖Fig.1 Schematic of RSFCL

2 PSCAD的功能與優勢介紹

Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發完成了EMTDC的出版，是一種世界各國廣泛使用的電力系統仿真軟件，其中PSCAD是其用戶界面。PSCAD的開發成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統分析，使電力系統復雜部分可視化成為可能。

PSCAD/EMTDC的輸入、輸出界面非常直觀、方便，且具有強大的功能，例如可以發現系統中斷路器操作、雷擊時出現的過電壓；可以進行電力系統時域或頻域計算仿真；可以實現高壓直流輸電等[6]。具有精確的元件模型，方便的輸入方式和強大的分析功能。本文在PSCAD/EMTDC平臺上建立了電阻型SFCL的模擬電路模型和數字電路模型并進行了仿真比較。

3 電阻型超導限流器的建模方法

建立RSFCL的電磁暫態模型，如圖2所示.即把PSCAD／EMTDC標準元件庫中的“Variable RLC Components”和建模功能制作控制模塊“Control Module”封裝。它具有一定的通用性，通過輸入不同的參數可以模擬任意一個RSFCL的限流電阻隨時間的變化規律。

圖2 電阻型SFCL模型Fig.2 Model of RSFCL

RSFCL中，令RSFCL為超導限流器的電阻，在失超后的很短時間內，可模擬為時間的指數函數[7]，即：Rafcl=Rf（1-e-t/Tsc），根據相關實驗證得該公式為超導限流器的電阻公式，其中Rf為超導限流器失超后最終限流電阻。在下面的兩種方法中，均根據該公式分別設置不同限流電阻及時間常數的值，觀察仿真出來的模型，并對兩種方法進行分析。

3.1 模擬電路模塊方法

模擬電路模塊方法是指在PSCAD的圖形界面上搭建RSFCL的模擬電路模塊，并設置不同的參數，本例中根據由于增加阻抗需要增加超導材料，阻值過大難以實現，且不利于故障后電壓恢復。并根據將故障電流應該限制在系統額定電流的2~5倍左右的目標，故限流器阻值設定在系統阻抗的1/2~1/5較為合適，才能達到良好的限流效果。模擬電路模型如圖3所示.模擬電路模塊方法中的Tsc=T，故對Rf和T分別設置為不同的值，對不同的輸出波形進行比較。

對的值分別設置為 30 Ω、60 Ω、90 Ω； 對 T 的值分別設置為1 ms、5 ms、10 ms，然后觀察仿真出來的模型。波形圖如圖4~圖6所示。

根據上面的3個波形圖可以看出：在時間相同的情況下，3種不同阻值的超導限流器，阻值越大，限流效果也就越明顯；當時間常數增大時，達到最終限流電阻阻值的時間也相應增加，但仍然為毫秒級，然而阻抗值不易過大，過大需要增加超導材料且難以實現，更不利于故障后的電壓修復。更改不同的阻值，觀察時間常數不同時的波形，分別如圖7至圖9所示。

圖3 模擬電路模型Fig.3 Model of analogue circuit

圖4 模擬電路中Rf不同，T=1ms時的波形Fig.4 Analogue circuit:waveform of different resistant（T=1ms）

圖5 模擬電路中Rf不同，T=5ms時的波形Fig.5 Analogue circuit:waveform of different resistant（T=5ms）

圖6 模擬電路中Rf不同，T=10ms時的波形Fig.6 Analogue circuit:waveform of different resistant（T=10ms）

圖7 模擬電路中Rf=30Ω，T不同時的波形Fig.7 Analogue circuit:waveform of different time constant（Rf=30Ω）

圖8 模擬電路中Rf=60Ω，T不同時的波形Fig.8 Analogue circuit:waveform of different time constant（Rf=60Ω）

圖9 模擬電路中Rf=90Ω，T不同時的波形Fig.9 Dnalogue circuit:waveform of different time constant（Rf=90Ω）

根據上面的3個波形可以看出：在阻值相同的情況下，通過改變時間常數發現，時間常數越大，達到限流電阻的時間也越長。

總之，不同的電阻值所形成的波形形狀非常相似，在時間常數相同的情況下，超導限流器失超后的最終限流電阻的阻值越大，限流效果越好，也就更加利于系統穩定，但是如果阻值過大，增加阻抗就需要增加超導材料，價格昂貴，阻值過大難以實現，并且也不利于故障后的電恢復，同時將會引起系統向發電機倒送有功功率；另外，如果電阻型超導限流器恢復時間不合適，系統超過暫態穩定域，有可能引起后續搖擺的失穩。當增大的值時，達到最終限流電阻阻值的時間將會增加，但增加的時間也非常小，這就驗證了RSFCL的相應時間非常快，在很短的時間內達到所需的限流電阻阻值，進而達到快速限流的目的。

3.2 數字電路模塊方法

數字電路模塊方法是指在PSCAD的圖形界面上搭建RSFCL的數字電路模塊，并設置不同的參數，從而觀察所形成的波形。根據時間常數Tsc=RC，數字電路模塊方法中的Tsc=1/T，改變R和C的大小，獲得不同的時間常數的值。數字電路模型圖和所在電路圖分別如圖10、圖11所示。數字電路中時間常數相同的情況下，不同阻值的波形如圖12至圖14所示。

圖10 數字電路模型Fig.10 Model of digital circuit

圖11 電路圖Fig.11 Circuit diagram

圖12 數字電路模型中T=1ms，Rf不同時的波形Fig.12 Digital circuit:waveform of different resistant （T=1ms）

圖13 數字電路模型中T=5ms，Rf不同時的波形Fig.13 Digital circuit:waveform of different resistant （T=5ms）

圖14 數字電路模型中T=10ms，Rf不同時的波形Fig.14 Digital circuit:waveform of different resistant （T=10ms）

根據上面的3個波形圖，可以看出：在相同的時間常數下，數字電路模塊方法中同樣是阻值越大，限流效果越明顯；另外，時間常數越小，限流速度越快，即限流效果越好。但同樣需要考慮到阻值增大將需要增加超導材料，資金投入也就會相應增加。數字電路中阻值相同的情況下，不同的時間常數的波形如圖15~圖17所示。

圖15 數字電路模型中Rf=30Ω，T不同時的波形Fig.15 Digital circuit:waveform of different time constant（Rf=30Ω）

圖16 數字電路模型中Rf=60Ω，T不同時的波形Fig.16 Digital circuit:waveform of different time constant（Rf=60Ω）

圖17 數字電路模型中Rf=90Ω，T不同時的波形Fig.17 Digital circuit:waveform of different time constant（Rf=90Ω）

由上面3個波形圖：在阻值相同的情況下，通過增大時間常數發現：時間常數越大，限流時間將相應的增加，但不同的時間常數，圖中的波形變化非常小。與模擬電路模塊方法相比，這說明數字電路模塊方法更加穩定，更加利于達到限流的效果。更改不同的R和C的值后所得到的波形如圖18~圖20所示。

為了利用該軟件對RSFCL的兩種建模方法進行仿真比較，由以上3個波形圖可以發現：在阻值，時間常數均相同的情況下，不同的R和C的值，所起到的限流效果也有差別。這說明需要根據實際條件，既要考慮經濟因素，又要考慮對系統穩定性的影響，選擇合適的超導材料，使電阻型超導限流器的限流效果達到最大。

圖18 數字電路模型中R、C取不同值時的波形Fig.18 Digital circuit:waveform of diffident R and C

圖19 數字電路模型中R、C取不同值時的波形Fig.19 Digital circuit:waveform of diffident R and C

圖20 數字電路模中R、C取不同值時的波形Fig.20 Digital circuit:waveform comparison of diffident R and C

3.3 兩種建模方法的性能分析

模擬電路模型和數字電路模型對比的波形分別如圖21和圖22所示。

圖21 時間常數相同時兩種方法不同阻值的波形Fig.21 Waveform of the same time constant in analogue and digital circuit

圖22 Rf相同時兩種方法不同時間常數的波形Fig.22 Waveform of the same resistance in analogue and digital circuit

通過兩種方法仿真出的波形對比，模擬電路模塊方法可以用更快的時間達到最終限流電阻，且阻值變化均勻；而數字電路模塊方法在一定時間以前阻值均為零，達到一定時間后阻值突然增大到最終限流電阻，整體所用時間相對長些。根據RSFCL的特性，所以數字電路模塊方法中能迅速達到最終限流電阻，更好的發揮限流的作用，限流電阻自身吸收的功率，將更有利于系統的穩定。

4 結 論

文中通過基于PSCAD的RSFCL建模方法研究，在PSCAD／EMTDC軟件平臺上建立了RSFCL的電磁暫態模型，并搭建了模擬電路模塊的模型和數字電路模塊的模型，同時對兩種方法的進行了仿真研究和詳細對比，揭示了電阻型SFCL的工作原理和工作規律。

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