Estudi sobre la selecció òptima de la resistència de limitadors de corrent de falla superconductors resistius per a sistemes de transmissió DC flexible

1 Limitador de corrent de falla superconductora resistiva

1.1 Principi d'operació

A mesura que les xarxes elèctriques continuen expandint-se, la capacitat de curtcircuït dels sistemes elèctrics nacionals augmenta ràpidament, plantejant grans reptes a la construcció i operació de la xarxa. Per abordar el problema de les corrents de curtcircuït excessives, els limitadors de corrent de falla superconductors (SFCLs) basats en els principis de la supercondutivitat estan rebent cada cop més atenció. Segons les seves característiques d'amortigament quan passen a l'estat de alta resistència, els SFCLs es poden classificar en tipus resistiu i inductiu.

D'aquests, el limitador de corrent de falla superconductora resistiva presenta una estructura simple, un tamany compacte i un pes lleuger, amb un principi d'operació clar. Un cop entra en l'estat de alta resistència, la seva impedància limitadora de corrent augmenta de manera aguda, proporcionant una forta capacitat de supressió de la corrent de falla. A més, la capacitat del dispositiu es pot ajustar flexiblement mitjançant configuracions en sèrie o paral·lela de superconductors. En els últims anys, han aparegut avanços en materials superconductors a temperatura ambient, fent que tant l'àmbit acadèmic com l'industrial considerin els SFCLs resistentials com la direcció principal per al futur desenvolupament.

La corrent crítica, el camp magnètic crític i la temperatura crítica són els paràmetres físics clau per determinar si un superconductor està en l'estat superconductor. Quan qualsevol d'aquests paràmetres supera el seu valor crític, el superconductor passa de l'estat superconductor a l'estat quenched. El procés de quench consta de dos etapes: primer, l'estat de flux, seguit per l'estat resistiu normal. Quan la densitat de corrent que passa pel superconductor supera la densitat de corrent crítica, el superconductor entra en l'estat de flux.

On: E és la intensitat del camp elèctric; EC és la intensitat crítica del camp elèctric; J és la densitat de corrent; JCT és la densitat de corrent crítica; α és una constant; Tt1 i Tt2 són les temperatures del superconductor als temps t1 i t2, respectivament; QRS és el calor generat per la resistència Rs de t1 a t2; QC és el calor intercanviat entre el superconductor i el seu entorn durant l'interval de temps t1–t2; Cm és la capacitat calorífica específica del superconductor; JCT(77) és la densitat de corrent crítica a 77 K (77 K és la temperatura de l'entorn de nitrogen líquid); TC és la temperatura crítica; T és la temperatura del superconductor.

Segons l'Eq. (1), quan la densitat de corrent J augmenta, la intensitat del camp elèctric E del superconductor augmenta ràpidament, provocant un increment de la seva resistència. L'increment de la resistència augmenta l'efecte tèrmic, i, com mostra l'Eq. (2), la temperatura del superconductor augmenta en conseqüència.

De l'Eq. (3), es sap que l'augment de la temperatura disminueix la densitat de corrent crítica, augmentant encara més la intensitat del camp elèctric E, fent que la resistència del superconductor continuï augmentant. Com la resistència augmenta, el calor generat pel superconductor es compensa gradualment amb el calor dissipat a l'entorn, i la temperatura es stabilitza, arribant finalment a un estat normal de resistència constant.

1.2 Aplicació de R-SFCL en sistemes DC flexibles

En els sistemes de transmissió DC flexible, la corrent DC no té creuaments naturals a zero. Un cop es produeix una falla de curtcircuït, la corrent de falla augmenta ràpidament, posant una amenaça greu a l'equip electrònic del sistema. Per assegurar la fiabilitat del sistema, els interruptors de circuit han de poder aïllar ràpidament la línia defectuosa. Actualment, els interruptors de circuit DC encara no han complert completament les exigències d'aplicació pràctica.

Quan es produeix una falla al costat DC, sovint es desactiven els interruptors al costat AC, però això provoca inevitablement que la central conversora s'aturi, i els dispositius electrònics de potència podrien deteriorar-se a causa de la sobrecorrent durant aquest període. La protecció DC ha de completar tota la seqüència de protecció en poques mil·lisegones, mentre que el temps d'operació més ràpid dels interruptors de circuit AC és típicament de 50 ms, fet que els fa incapaces de protegir eficientment els dispositius electrònics de potència del sistema.

La tecnologia actual permet que els R-SFCLs arribin a l'estat resistiu normal en aproximadament 3 ms. El limitador de corrent de falla superconductora resistiva passa a l'estat de limitació de corrent molt més ràpidament que la protecció relé, i assolint l'estat d'alta impedància abans de la neteja de la falla, reduint efectivament la corrent de curtcircuït.

2 Característiques de la falla DC en sistemes DC flexibles

La ubicació del punt de falla afecta només la impedància del sistema, no la ruta de la corrent ni les característiques fonamentals de la falla de curtcircuït. Per facilitar la modelització, la falla es col·loca al mig de la línia DC i es suposa que és un curtcircuït metàl·lic. Es construeix un model de simulació d'un sistema DC flexible de dos punts i un model R-SFCL utilitzant PSCAD/EMTDC, amb una tensió nominal del sistema de ±110 kV i una potència nominal de 75 MW. La ubicació de l'instal·lació de R-SFCL es mostra en la Fig. 1.

Quan es produeix una falla de curtcircuït DC, l'IGBT es detecta i es bloqueja immediatament mitjançant la seva funció de bloqueig al detectar la corrent de falla. No obstant això, els díodes connectats en paral·lel amb l'IGBT i les línies de transmissió formen un circuit rectificador pont no controlable, permetent que la commutació continui fins i tot després que l'IGBT es bloquegi. Una falla de curtcircuït DC pol a pol es pot dividir principalment en tres etapes: la primera etapa ocorre immediatament després de la falla, durant la qual el condensador del costat DC es descarrega ràpidament i la corrent DC augmenta al seu valor màxim en poques mil·lisegones.

En la segona etapa, després que la tensió del condensador baixa a zero, la corrent que passa pels díodes pot arribar a més de deu vegades la seva corrent nominal, fent que els dispositius electrònics de potència siguin altament susceptibles a danys. En la tercera etapa, quan la corrent de curtcircuït DC decreix per sota de la corrent de la xarxa AC, la xarxa AC comença a alimentar la corrent de curtcircuït al punt de falla DC. Una falla a terra DC no té una segona etapa; en altres aspectes, les seves característiques són similars a les d'una falla pol a pol.

Durant l'alimentació de corrent AC, la corrent de falla pels díodes és aproximadament deu vegades la seva corrent nominal. Les rutes de corrent per a aquests dos tipus de falles de curtcircuït DC en el sistema DC flexible es mostren en la Fig. 2 i la Fig. 3, respectivament. Instal·lar un R-SFCL a la ruta de la corrent de falla pot augmentar ràpidament la resistència del bucle de curtcircuït, proporcionant més temps per a la neteja de la falla i reduint les exigències sobre el temps inherent d'obertura i la capacitat d'interrupció dels interruptors de circuit DC.

3 Anàlisi de simulació

Utilitzant el programari de simulació PSCAD/EMTDC, el model R-SFCL desenvolupat s'integra en el model de simulació d'un sistema DC flexible de dos punts amb una capacitat de 75 MW per a la verificació. El rendiment de limitació de corrent en la falla pol a pol DC es mostra en la Fig. 4, i en la falla de línia a terra DC es mostra en la Fig. 5. Com es pot veure en la Fig. 4 i la Fig. 5, la corrent de falla màxima disminueix a mesura que augmenta la resistència en l'estat normal. És evident que la resistència del R-SFCL i la corrent de falla màxima després de la instal·lació presenten una certa relació funcional decrescent.

Per ampliar l'àmbit d'aplicació, el model original va ser escalat gradualment basant-se en tres capacitats del sistema: 75 MW, 150 MW i 300 MW. Sota condicions de curtcircuït DC pol a pol i curtcircuït DC de línia a terra, s'estudià la relació entre el valor de la resistència en l'estat normal del R-SFCL i la corrent de curtcircuït màxima obtenint els valors màxims de les corrents de curtcircuït. Els resultats es mostren en la Fig. 6 i la Fig. 7.

Utilitzant la funció de ajust de corbes en MATLAB, les corbes de la Fig. 6 i la Fig. 7 s'ajusten respectivament, resultant en expressions funcionals de la forma f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, amb paràmetres específics llistats en la Taula 1. Derivant la funció ajustada s'obté f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. De la Taula 1, es pot observar que per al mateix tipus de falla, el paràmetre b roman gairebé constant, mentre que el paràmetre a augmenta amb la capacitat del sistema. Com que b és relativament petit, les expressions de la pendent de les corbes per al mateix tipus de falla són gairebé idèntiques.Per tant, els R-SFCLs amb la mateixa resistència en l'estat normal mostren la mateixa taxa de canvi en la corrent de falla màxima en diferents capacitats del sistema per al mateix tipus de falla, indicant un rendiment de limitació de corrent consistent.

A més, a mesura que la resistència en l'estat normal del R-SFCL augmenta linealment, la seva eficàcia de limitació de corrent disminueix gradualment. Basant-se en les pendents de les corbes de la Fig. 6 i la Fig. 7, el rang òptim de la resistència en l'estat normal del R-SFCL per a maximitzar la taxa de reducció de la corrent de falla màxima és de 0–10 Ω.

4 Conclusió

Instal·lar un R-SFCL al costat de sortida DC d'una central conversora en un sistema de transmissió DC flexible pot reduir efectivament les corrents de falla de curtcircuït DC. A mesura que el valor de la resistència del R-SFCL augmenta linealment, el seu efecte de limitació de corrent disminueix gradualment. Considerant l'estat actual de la recerca, els costos d'enginyeria i les exigències d'àrea, es recomana que el rang òptim de la resistència en l'estat normal del R-SFCL sigui de 0–10 Ω.