新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)
基于第二代高温超导带材的高载流超导导体研究进展
基于第二代高温超导带材的高载流超导导体研究进展王银顺【摘要】由于其高临界电流密度以及优越的机械性能和电磁特性,第二代高温超导带材(也叫涂层导体)在高温低场的电力传输和低温高场下的磁体应用具有广阔的应用前景.在电力传输的低场应用中,高温超导导体在低电压大容量场合需要几千安培甚至上万安培的传输电流.在大型高场磁体应用方面,为了避免由于过高电感在磁体失超和快速关断过程中的感应高压问题,大载流容量、高电流密度高温超导导体在运行于4.2K及以下温度的大型高场超导磁体方面具有很好的应用前景.近年来,基于第二代高温超导带材,国际上相继提出了几种高载流容量的高温超导导体,本文介绍几种高温超导导体的结构及研发现状和进展,并对其结构、性能和工艺进行简单的比较和评述.%The second-generation high-temperature superconductors (HTS) tapes,so called REBCO coated conductor (CC),are attractive for power transmission at liquid nitrogen temperature and high-field application at low temperatures because of their high critical current density and the excellent mechanical performance as well as electro-magnetic characteristics.For the former application,high-current cables or conductors made from HTS tapes with capacity of tens kA up to more than 100kA are desirable.In the latter application,high-current HTS conductors are essential for larger high-field magnets operated at 4.2K or lower to avoid high inductances which would cause high-voltage breakdown in case of quench or fast shutdown.In recent years,several prototypes of HTS conductors,consisting of 2G HTS tapes,were successively proposed internationally.This paper presents an overview of such configurations aswell as their progress and status,and briefly reviews their geometrical structure and performance as well as processing technology.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】15页(P21-35)【关键词】第二代高温超导带材;电缆;涂层导体;导体;股线;管内电缆导体;卢瑟福电缆【作者】王银顺【作者单位】新能源电力系统国家重点实验室,华北电力大学,北京102206;高压与电磁兼容北京市重点实验室,华北电力大学,北京102206【正文语种】中文【中图分类】TM26在过去二十几年中，实用高温超导材料的研究取得了很大进展。
基于损耗分离理论的非正弦激励磁心损耗计算方法研究
损耗。 其中，磁滞损耗与磁化频率无关，故也称之为
静态损耗；而 涡 流 损 耗、 剩 余 损 耗 均 与 磁 化 频 率 相
关，称作动态损耗。
针对硅钢片等带状磁性材料，当叠片厚度小于
电磁场在该材料中的趋肤深度时，Ｂｅｒｔｏｔｔｉ 基于磁感
应强度均匀分布的假设和磁畴结构的随机统计分布
特性，推导了瞬态涡流损耗及剩余损耗的解析表达
Ｂｅｒｔｏｔｔｉ［１２］ 为解决上述 Ｓｔｅｉｎｍｅｔｚ 公式法过于依 赖经验的问题，从磁性材料损耗产生的机理出发，提
收稿日期： ２０１８⁃０１⁃１５ 基金项目： 国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＢ０９０３９０２） 、 国家自然科学基金项目（５１６７７０６４） 作者简介： 刘 任（１９９０⁃） ， 男， 湖北籍， 博士研究生， 主要研究方向为新型软磁材料高频磁化及损耗机理；
分别为电压整流平均值和电压基波整流平均值；Ｕｒｍｓ 、
Ｕ１，ｒｍｓ 分别为电压有效值和电压基波有效值。
因此可知，该算法待提取的参数为损耗系数 ａ、
ｂ、ｘ。 该损耗系数可通过正弦激励下实测值与计算
值之间的差值 ｒ 取最小值而求得：
∑ ｒ
＝
１ ｎ
ｉ
ｎ ＝１
（
Ｐ
ｍｅａ
Ｐ
－Ｐ
ｍｅａ
ｃａｌ
）
２
（１６）
式中，ｎ 为实验采样点个数；Ｐｍｅａ 为实测损耗值；Ｐｃａｌ
将周期损耗 Ｗ（ｆ）表示为：
Ｗ（ ｆ）
＝
Ｐ（ ｆ） ｆ
＝
Ｗｈ
＋ Ｗｃｌ（ ｆ）
＋ Ｗｅｘ（ ｆ）
（３）
式中，ｆ 为激励频率；Ｗｈ、Ｗｃｌ、Ｗｅｘ 分别为一个周期的 磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗，其中磁滞损耗 Ｗｈ 与激励频率 ｆ 无关；Ｐ 为功率损耗。
可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C_电容电压均衡控制策略
第51卷第23期电力系统保护与控制Vol.51 No.23 2023年12月1日Power System Protection and Control Dec. 1, 2023 DOI: 10.19783/ki.pspc.230464可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略郑 涛1，康 恒1，宋伟男2(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206；2.国网辽宁省电力有限公司大连供电公司，辽宁 大连 116000)摘要：低频输电作为一种新型输电技术，在海上风电送出、新能源场站送出等多个场景具有良好的应用前景。
但在不对称故障下，故障侧功率不对称将严重影响模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter, M3C)的电容电压均衡，对低频输电系统安全稳定运行产生不利影响。
为此，提出了一种可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略。
首先，介绍M3C的系统结构及双αβ0数学模型，并分析不对称故障下电容电压不均衡的原因。
然后，基于双αβ0数学模型针对输电线路不对称故障情况计算桥臂功率不均衡分量的表达式，通过M3C功率平衡关系引入电流补偿分量，消除桥臂功率的不均衡，并得到适用于不对称故障的环流控制目标，进而通过环流控制实现故障下M3C电容电压的均衡。
最后，搭建基于M3C的低频输电系统仿真模型验证所提控制方案的可行性和有效性。
关键词：低频输电；模块化多电平矩阵变换器；环流控制；电容电压均衡Asymmetric fault ride-through control strategy for low-frequency transmission systems realizing the capacitor voltage balance of modular multilevel matrix convertersZHENG Tao1, KANG Heng1, SONG Weinan2(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China ElectricPower University), Beijing 102206, China; 2. Dalian Power Supply Company, State Grid LiaoningElectric Power Company, Dalian 116000, China)Abstract: As a new transmission technology, low frequency transmission has good application prospects in several scenarios such as offshore wind power transmission and new energy field station transmission. However, with asymmetric faults, the power asymmetry on the fault side will affect the capacitor voltage balance of the M3C and affect the stable operation of the low frequency transmission system. Therefore, an M3C capacitor voltage balance control strategy that can realize asymmetric fault ride-through in low frequency transmission systems is proposed. First, the system structure and dual αβ0 mathematical model of an M3C are introduced, and the causes of capacitor voltage imbalance under asymmetric faults are analyzed. Second, based on the dual αβ0 mathematical model for the transmission line asymmetric fault case, the expression for the bridge arm power imbalance component is calculated. Then the M3C power balance relationship introduces the current compensation to eliminate the power imbalance. It also obtains the circulating currents control objective applicable to asymmetric faults. Then through the loop current control it achieves the M3C capacitor voltage balance under faults. Finally, a simulation model of the M3C-based low frequency transmission system is built to verify the feasibility and effectiveness of the proposed control scheme.This work is supported by the Joint Fund of National Natural Science Foundation of China (No. U2166205).Key words: low frequency transmission system; modular multilevel matrix converter; circulating currents control;capacitor voltage balance基金项目：国家自然科学基金联合基金项目资助(U2166205)郑涛，等可实现低频输电系统不对称故障穿越的M3C电容电压均衡控制策略- 131 -0 引言低频输电技术，也被称为分频输电技术，通过AC/AC变频器将传统工频交流电变换为低频交流电进行输送，或者直接对新能源场站低频交流电进行送出[1-3]。
北斗在新能源电力系统的应用
为方便电力生产管理，提高管理水平和工作效 率，新能源电力系统需要对电力设备进行精确定位， 并将电力设备设施信息、电网运行状态信息与地理 及自然环境信息集中于统一系统，该系统即为电力 地理信息系统（GIS）。随着北斗发展， GIS 定位 已从主要基于 GPS 发展到兼容北斗，目前，GIS 系 统正在向以北斗系统为主发展。结合 GIS 系统，导 航卫星系统可提供电力设施（如输电线路，杆塔） 的位移状况，实现远程监测。
北斗作为全球首个在定位、授时之外还具有短 报文通信功能的全球导航定位系统，具有用户机与 用户机、用户机与地面控制中心之间双向数字报文 通信功能，可以为电力系统在通信薄弱的情况下提 供及时有效的信息传输功能。例如，通过北斗短报 文服务，可以弥补在现有通信网络不能覆盖的地区， 实现与现场作业人员的信息交互，尤其是在紧急情 况下，如野外山区、灾害抢险时，实现基于电力任
Hale Waihona Puke 2019 年第 7 期 卫星应用 2 9
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导航天地 Satellite Navigation
务的联动和防护。 4．安全性需求
由于卫星信号是从 20200km 的高空传播到地 面，当它被地面接收机所接收时，其信号功率已十 分微弱，可能受到环境干扰；此外，因卫星授时信 号对于电力系统监测控制至关重要，人为干扰、攻 击卫星导航信号是一种代价小但后果严重的手段， 卫星信号可能受到恶意攻击。其中，欺骗式攻击等 对其应用的危害性更为明显。欺骗信号和真实信号 在结构上组成一致，因此具有很强的隐蔽性。其能 够在不被接收机轻易察觉的情况下，尝试引导目标 接收时篡改它们的时间和位置信息，导致实际信号
关键词：北斗；新能源电力系统；定位授时；广域测量技术
一种基于SIPOS结构的高压深结复合终端
但是, 在实际的工艺中, 离子注入的退火和硅表 面热生长氧化物等过程会引入杂质电荷离子, 这些带 正电荷的离子会改变衬底内部的电场分布, 使耗尽层 发生变化。 高压深结 VLD 结构的末端曲率很大, 虽然 针对 VLD 结构增加了 JTE 区域, 但是常用的绝缘性氧 化膜 SiO2无法有效防止器件表面电荷的累积和离子玷 污[11] , 这些电荷在接近硅衬底表面的地方感应出极性 相反的电荷, 改变了器件的表面电场, 造成 P-N 结反 向击穿电压变小, 进而导致在实际的生产工艺中终端 结构的耐压能力变差。 1. 2 基于 SIPOS 结构的 VLD 与 JTE 复合终端结构
电子元件与材料
变的深结 P 区。 因为铝离子高温退火时在硅衬底中扩 散快, 会造成在 VLD 末端的位置处即使很小的掩膜窗 口也会形成很深的结深, 导致在 VLD 区末端 P -N 结 曲率过大, 电场强度过于集中, 由此造成器件耐压效 果变差。 JTE 区采用硼离子注入, 退火时间相对较短, 形成一个结深和近表面掺杂浓度都恒定的浅结 P 区, 可以缓解因 VLD 区末端 P-N 结曲率过大而造成的电 场强度过于集中的问题。
王振硕, 等: 一种基于 SIPOS 结构的高压深结复合终端
本文 所 提 的 终 端 结 构 分 为 三 个 部 分: VLD 区、 JTE 区与覆盖在衬底表面的 SIPOS 结构, 各部分结构 特点如下: (1) VLD 区掺杂浓度与结深自左向右逐渐 变小, 为整个终端结构的主要部分; ( 2) JTE 区前段 位于 VLD 区域内部, 受 VLD 区掺杂分布的影响, 掺 杂区域也渐变。 JTE 区后端掺杂浓度恒定; (3) 衬底上 方覆盖的是 SIPOS 结构。 SIPOS 结构从主结位置开始 一直覆盖到截止环的中心位置。
新能源电力系统国家重点实验室
新能源电力系统国家重点实验室自主研究课题管理办法（ 2012年1月1日修订）根据科技部《国家重点实验室建设与运行管理办法》有关规定，国家重点实验室发展的重要任务之一是：围绕建设任务和研究方向设立自主研究课题，组织团队开展持续深入的系统性研究工作，鼓励开展探索性的自主选题研究及实验技术方法的创新研究。
为此，特制订新能源电力系统国家重点实验室（以下简称本室）自主研究课题的管理办法。
第一章总则自主研究课题包括重点研究课题与探索性研究课题。
其中重点研究课题的期限一般为2年；探索性研究课题的期限一般为1-2年。
重点实验室对自主研究课题的执行情况进行定期检查，并及时验收。
课题的检查和验收坚持“鼓励创新、稳定支持、定性评价、宽容失败”的原则。
第一条自主研究课题主要用于支持本室研究人员特别是优秀中青年教师在科学研究领域内开展自由探索和自主创新的科研活动，目的是不断培养和提高各学术团队的科研力量，形成具有创新型意识的优秀科研人才，培育具有前瞻性和创新型的科研项目和成果，提升实验室科学研究的自主创新能力和水平。
第二条自主研究课题的选题遵循“自主、公正”的管理原则，按照科学民主的宗旨，通过实验室专家评审、公示等环节进行遴选，确保公正、透明。
第二章课题范围自主研究课题的选题和设置应主要以我国规模化新能源开发、利用的重大需求，发挥实验室多学科综合交叉与融合的团队优势，围绕新能源电力系统的重大科技问题，开展创新性研究，主攻新能源电力系统安全、经济运行的基础和应用基础理论，深入研究规模化风能、太阳能等新能源电力接入后对电力系统的影响与交互作用机理，建立大时间尺度紧密耦合且具有强随机性的复杂电力系统分析、控制理论与方法的科学研究体系，为我国能源可持续发展以及新能源战略性新兴产业发展提供科技支撑。
第三条重点研究课题：面向重大需求、瞄准国际前沿，围绕实验室重点任务，组织团队开展持续深入的系统性基础研究或应用基础研究。
优先资助可望经过2-5年的研究取得重大或突破性研究成果的科学研究。
新能源电力系统国家重点实验室
新能源电力系统国家重点实验室是以“电力系统保护与力态安全监控”教育部重点实验室为基础，整合华北电力大学其他优势科技资源而形成的一个研究实体，20U年3月获科支部批准开始建设，2014年9月通过科技部验收。
实验室面向我国能源转型发展需求，发挥能源电力学科优欵推动多学科交叉,聚集和培育优秀人才，开展新能源电力系:充基础理论与关键技术创新研究，目的是将实验室建设成为支掌我国新能源电力系统发展并在国际上具有显著影响力的科学研究与人才培养基地。
2014年以来，共获得国家级奖励9项,其中科技进步特等奖1项、科技进步一等奖1项、技术发明二等奖2项、科技进步二等奖5项省部级一等奖19项。
各类科技奖励共计100余项。
实验室有固定人员103名,其中研究人员93人，技术保障及管理人员10人。
有中国工程院院士2人，国酱彗青年科学基金获得者4人，国家“千人计划”3人，“%计划”领军人才4人，国家级教学名师1人，国家百千仝才工程人选4人，中科院百人计划3人.国家优秀『年科学基金获得者4人,科技部中存年科技创新须军人13丿、，“万人计划”青年拔尖人才1人，“青年「人讣划”1〈钦育部新世纪优秀人才8人，科技部重点领域创新团队!个,国家自然科学基金委创新研究群体1个，教用M入2个,“111”学科创新引智基地3个。
软磁材料高频磁化特性和损耗特性分析
图14种软磁材料的相对磁导率软磁材料高频磁化特性和损耗特性分析李盈（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京102206）摘要：磁芯材料的工作磁通密度和损耗是决定高频变压器的体积和效率的关键。
现测量分析了4种典型的软磁材料———硅钢、铁氧体、非晶和纳米晶在宽频范围内的磁化特性和损耗特性，为变压器磁芯材料的选型提供了依据。
结果表明，纳米晶的饱和磁感应强度仅次于硅钢，高于非晶和铁氧体。
纳米晶的磁导率远大于其他材料，而且宽频特性更加平稳，高频下损耗远小于其他材料。
关键词：高频变压器；磁芯；软磁材料；磁化特性；损耗特性0引言高频变压器广泛应用于高频开关电源、高频逆变电源及大功率DC -DC 变换器等场合[1-4]。
提高高频变压器的工作频率可以提高能量密度、减小体积，有助于电源和变换器设备的集成化设计。
然而随着工作频率的升高，变压器的铁芯损耗和温升也随之增加[5-8]。
因此，需要根据高频变压器铁芯材料的磁化特性和损耗特性，选择合适的工作频点。
目前，用于高频变压器磁芯的典型材料有硅钢、铁氧体、非晶、纳米晶，这4种典型磁芯材料的磁化特性、饱和磁密、矫顽力、磁导率、电阻率、磁滞伸缩系数、居里温度和叠片厚度等性能在很大程度上决定了高频变压器的工作品质[9-10]。
本文依托华北电力大学国家重点实验室的软磁材料测试平台，通过实验测量获得了硅钢、铁氧体、非晶、纳米晶4种软磁材料在1～20kHz 频率范围内、不同磁感应强度下的磁化特性与损耗特性。
在此基础上，提出了供能系统高频变压器选材和工作频点的设计建议。
1软磁材料的磁化特性软磁材料的饱和磁感应强度表达了该材料中最大能够导通的磁通密度。
材料具有高饱和磁感可以减小软磁材料用量，有利于降低磁性器件的铁损，并节约其他材料，如线圈铜导线等，减小设备体积。
磁导率是反映磁性材料激磁能力的重要指标。
软磁材料的磁导率一般会随着频率发生变化，为了保证高频设备工作在最佳频点，对4种软磁材料的磁导率随着频率变化情况进行了测量。