近年来，我国大力发展柔性直流输电技术（Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current, VSC-HVDC），已相继建成南澳、舟山、张北等多个柔性直流电网示范工程。但是，无论换流阀采用两电平VSC结构，还是采用模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）结构，其直流短路故障发展快、危害大、切除困难依然是限制柔直技术发展的瓶颈之一。

采用故障限流器对短路电流进行限制，降低短路故障对系统的冲击，再由直流断路器完全吸收短路电流并隔离故障线路，是最为直接的解决方法。

超导限流器是目前常用的故障限流装置，按照不同的限流原理及拓扑结构，超导限流器可分为电阻型、饱和铁心型、桥路型、磁屏蔽型、混合型等。其中，饱和铁心型超导限流器（Saturated Iron-Core Superconducting Fault Current Limiter，SI-SFCL）以电感铁心为主要限流元件，通过超导线圈提供励磁，使得铁心在系统正常时处于深度饱和状态，对外阻抗很低，而在故障下铁心退出饱和，产生较大的限流阻抗。

得益于超导材料的零电阻特性，限流器的运行损耗可以大大降低。此外，这种限流器结构可以使超导线圈不直接承受短路故障电流的冲击，在整个限流过程中不发生失超，降低了超导线圈设计难度，也加快了故障限流器的恢复速度。

饱和铁心型超导限流器首先应用在交流系统中，国内外已经进行了大量研究，且已有多个限流器样机挂网运行。但是针对饱和铁心型超导限流器在直流系统中的应用，目前的研究仍处于起步阶段。

在直流系统中应用饱和铁心型超导限流器有许多问题需要解决。一方面，饱和铁心型超导限流器是通过在系统中投入电感分量来实现限流的，电感分量在交流系统中可以提供持续稳定的阻抗值，而在直流系统中的阻抗值会随着电流变化率而变化，随着短路故障的发展，其限流效果也会变得不稳定。另一方面，饱和铁心型超导限流器的限流作用依赖于铁心的饱和状态，需要对铁心饱和度进行良好设计，尽可能提高铁心的利用率，从而提高饱和铁心型超导限流器的限流能力。

针对以上问题，华中科技大学的研究人员对饱和铁心型超导限流器在柔直系统中的限流特性进行了研究。

图1 饱和铁心型超导限流器基本拓扑结

研究人员指出，饱和铁心型超导限流器在直流系统中的限流特性与交流系统存在区别，因此两种系统中饱和铁心型超导限流器的拓扑结构也略有不同。用于柔直系统的饱和铁心型超导限流器基本结构如图1所示，由铁心、一次绕组、二次绕组和二极管桥路组成。

其中，铁心是整个限流器的核心，其饱和程度将影响限流器整体的阻抗特性。N1、N2分别为一次绕组和二次绕组匝数，I1、I2为一次绕组与二次绕组上的电流。一次绕组与二次绕组所产生的磁场方向相反，相互抵消。一次绕组为普通的铜绕组，经过二极管桥路与柔直系统连接。二次绕组为励磁绕组，与恒流源连接，采用超导材料绕制，可以有效降低通态损耗。

二极管桥路起无控整流作用，在柔直系统中，短路电流IDC的方向有可能为正向，也有可能为反向。而增加二极管桥路后，无论IDC的方向如何，流过一次绕组的电流I1流向都是固定的，保证了一次绕组产生的磁场可与二次绕组磁场相互抵消。

研究人员通过分析指出，饱和铁心型超导限流器对柔直系统短路电流峰值具有很强的限制效果，但是对稳态短路电流几乎没有作用。在MMC-HVDC系统中，饱和铁心型超导限流器只在子模块闭锁前具有较大的等效阻抗，闭锁后的阻抗值会逐渐下降至零。

直流励磁电流大小对饱和铁心型超导限流器的限流效果具有很大的影响。在MMC-HVDC中，由于饱和铁心型超导限流器的限流作用主要集中在子模块闭锁前，因此应选取合适的直流励磁电流值，使得铁心达到反向饱和的时间与子模块闭锁时间比较接近，这样在闭锁前饱和铁心型超导限流器的铁心一直处于磁化曲线线性段，从而实现限流能力的最大化。

以上研究成果发表在2020年《电工技术学报》增刊2上，论文标题为“饱和铁心型超导限流器在柔直系统中的限流特性研究”，作者为谭翔宇、任丽 等。