Изучаване на оптималното избор на съпротивление за резистивни свръхпроводящи ограничители на тока при дефект в гъвкими DC системи за пренос на електроенергия

1 Резистивен суперпроводящ ограничител на тока при дефект

1.1 Принцип на действие

С увеличаването на мащабите на електрическите мрежи, краткосрочната капацитет на домакинските електрически системи бързо расте, което представлява значителни предизвикателства за изграждането и функционирането на мрежата. За решаване на проблема с прекомерно високи краткосрочни токове, суперпроводящите ограничители на тока при дефект (SFCLs) основани на принципите на суперпроводимостта привличат все по-голямо внимание. В зависимост от техните демпферни характеристики при прехода към състояние с високо съпротивление, SFCLs могат да бъдат класифицирани като резистивни и индуктивни типове.

От тях, резистивният суперпроводящ ограничител на тока при дефект разполага с проста конструкция, компактен размер и лека маса, с ясен принцип на действие. Когато влезе в състояние с високо съпротивление, неговото ограничаващо импеданс нараства рязко, предоставяйки силна способност за подтискване на дефектния ток. Освен това, капацитетът на устройството може да бъде гъвкаво регулиран чрез сериозно или паралелно конфигуриране на суперпроводниците. През последните години, преместванията в материалите за суперпроводимост при стайна температура доведоха до широко признаване както в академичните, така и в индустриалните среди, че резистивните SFCLs са основната посока за бъдещото развитие.

Критичният ток, критичното магнитно поле и критичната температура са ключови физически параметри за определяне дали суперпроводникът е в състояние на суперпроводимост. Когато някой от тези параметри надхвърли своята критична стойност, суперпроводникът преминава от състояние на суперпроводимост към изчерпано състояние. Процесът на изчерпване се състои от две фази: първо, фазата на поток на флукс, следвана от нормалното съпротивително състояние. Когато плътността на тока през суперпроводника надхвърли критичната плътност на тока, суперпроводникът влизаше в фазата на поток на флукс.

Където: E е напрежението на електрическото поле; EC е критичното напрежение на електрическото поле; J е плътността на тока; JCT е критичната плътност на тока; α е константа; Tt1 и Tt2 са температурите на суперпроводника в моменти t1 и t2, съответно; QRS е теплото, генерирано от съпротивлението Rs от t1 до t2; QC е разменяното топло между суперпроводника и околната среда в интервала t1–t2; Cm е специфичната топлова капацитет на суперпроводника; JCT(77) е критичната плътност на тока при 77 K (77 K е температурата на азотен хладилник); TC е критичната температура; T е температурата на суперпроводника.

Според уравнение (1), когато плътността на тока J нараства, напрежението на електрическото поле E на суперпроводника се увеличава бързо, водейки до увеличение на съпротивлението му. Увеличението на съпротивлението подсилва термичния ефект, и както показва уравнение (2), температурата на суперпроводника съответно се увеличава.

От уравнение (3) се знае, че повишаването на температурата намалява критичната плътност на тока, което допълнително увеличава напрежението на електрическото поле E, причинявайки съпротивлението на суперпроводника да продължи да расте. С увеличаването на съпротивлението, генерираното от суперпроводника топло постепенно се равновеси с излъчваното към околната среда, и температурата се стабилизира, достигайки постоянна съпротивителна нормална състояние.

1.2 Приложение на R-SFCL в гъвкими DC системи

В гъвкими DC системи за передаване, DC токът липсва на естествени нулеви пресичания. Когато се случи краткосрочен дефект, дефектният ток бързо нараства, представлявайки сериозна заплаха за електрическото оборудване в системата. За гарантиране на надеждността на системата, прекъсвителите трябва бързо да изолират дефектната линия. В момента, DC прекъсвителите все още не са напълно отговаряли на практиката на приложението.

При дефект в DC страна, обикновено се изключват прекъсвителите в AC страна, но това неизбежно води до спиране на преобразувателната станция, и електронните устройства за управление на мощността могат да бъдат повредени поради прекомерен ток в този период. DC защитата трябва да завърши цялата защитна процедура в няколко милисекунди, докато най-бързото време за действие на AC прекъсвителите обикновено е около 50 милисекунди, което ги прави неспособни да защитят електронните устройства за управление на мощността в системата.

Съвременната технология позволява на R-SFCL да достигнат нормалното съпротивително състояние за около 3 милисекунди. Резистивният суперпроводящ ограничител на тока при дефект преминава в режим на ограничаване на тока много по-бързо от операцията на реле-защитата, и постига състояние с високо съпротивление преди изчистването на дефекта, което ефективно намалява краткосрочния ток.

2 Характеристики на DC дефектите в гъвкими DC системи

Местонахождението на точката на дефект влияе само върху импеданса на системата, а не върху пътя на тока или основните характеристики на краткосрочния дефект. За удобство при моделирането, дефектът се поставя в средата на DC линията и се приема, че е метален краткосрочен дефект. Изгражда се двустранна симулационна модель на гъвкима DC система и модел на R-SFCL използвайки PSCAD/EMTDC, с номинално напрежение ±110 kV и номинална мощност 75 MW. Местонахождението на R-SFCL е показано на фигура 1.

Когато се случи DC краткосрочен дефект, IGBT се детектира и веднага се блокира чрез неговата функция за блокиране при усетяване на дефектния ток. Обаче, диодите, свързани успоредно с IGBT и линиите за передаване, формират неконтролируема мостова правоъгълна схема, позволяваща комутацията да продължава дори след блокирането на IGBT. DC полюс-до-полюс краткосрочен дефект може основно да се раздели на три фази: Първата фаза се случва веднага след дефект, когато DC кондензаторът бързо разтоварва и DC токът нараства до максималната си стойност за няколко милисекунди.

Във втората фаза, след като напрежението на кондензатора падне до нула, токът, минаващ през диодите, може да достигне повече от десет пъти номиналния ток, което прави електронните устройства за управление на мощността изключително чувствителни към повреди. В третата фаза, когато DC краткосрочният ток намалее под тока на AC мрежата, AC мрежата започва да подава краткосрочен ток към DC точка на дефект. DC земен дефект не има втора фаза; в противен случай, неговите характеристики са подобни на тези на полюс-до-полюс дефект.

По време на подаването на AC ток, токът през диодите е приблизително десет пъти номиналния ток. Пътят на тока за тези два типа DC краткосрочни дефекти в гъвкима DC система са илюстрирани съответно на фигура 2 и фигура 3. Инсталирането на R-SFCL по пътя на дефектния ток може бързо да увеличи съпротивлението на краткосрочния контур, предоставяйки повече време за изчистване на дефекта и намалявайки изискванията към вграденото време за отваряне и прекъсващата капацитет на DC прекъсвителите.

3 Анализ на симулацията

Използвайки софтуера за симулация PSCAD/EMTDC, развитата R-SFCL модел е интегрирана в установената двустранна симулационна модель на гъвкима DC система с капацитет 75 MW за проверка. Ограничаващата производителност при DC полюс-до-полюс дефект е показана на фигура 4, а при DC линия-до-земя дефект - на фигура 5. Както се вижда от фигура 4 и фигура 5, пиковият дефектен ток намалява с увеличаването на съпротивлението в нормално състояние. Едно явно е, че съпротивлението на R-SFCL и пиковият дефектен ток след инсталацията имат определена декларативна функционална връзка.

За разширяване на областта на приложение, оригиналният модел беше постепенно увеличен на базата на три системни капацитета: 75 MW, 150 MW и 300 MW. Под условията на DC полюс-до-полюс краткосрочен дефект и DC линия-до-земя краткосрочен дефект, връзката между стойността на съпротивлението в нормално състояние на R-SFCL и пиковият краткосрочен ток беше изучена, като бяха получени пиковите стойности на краткосрочните токове. Резултатите са показани на фигура 6 и фигура 7.

Използвайки функцията за криволинейно припасване в MATLAB, кривите на фигура 6 и фигура 7 бяха припаснени съответно, резултиращи в функционални изрази от формата f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, с конкретни параметри, изброени в таблица 1. Диференцирането на припасната функция дава f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. От таблица 1 може да се види, че за един и същ тип дефект, параметър b остава почти константен, докато параметър a нараства с капацитета на системата. Тъй като b е относително малко, наклонът на кривите за един и същ тип дефект е почти идентичен.Затова, R-SFCL с еднакво съпротивление в нормално състояние показват еднакъв темп на промяна на пиковия дефектен ток в различни системни капацитети за един и същ тип дефект, указвайки последователна ограничаваща производителност.

Освен това, с линейното увеличаване на съпротивлението в нормално състояние на R-SFCL, неговата ограничаваща ефективност постепенно намалява. На основата на наклоните на кривите на фигура 6 и фигура 7, оптималната област на съпротивлението в нормално състояние на R-SFCL за максимизиране на темпа на намаляване на пиковия дефектен ток е 0–10 Ω.

4 Заключение

Инсталирането на R-SFCL на DC изхода на преобразувателна станция в гъвкима DC система за передаване може ефективно да намали DC краткосрочните дефектни токове. С линейното увеличаване на съпротивлението на R-SFCL, неговата ограничаваща ефективност постепенно намалява. С оглед текущото състояние на изследванията, инженерните разходи и изискванията за площ, се препоръчва оптималната област на съпротивлението в нормално състояние на R-SFCL да бъде 0–10 Ω.