Pangutana sa Optimal nga Pili sa Resistensya alang sa Resistive Superconducting Fault Current Limiters para sa Flexible DC Transmission Systems

1 Resistive Superconducting Fault Current Limiter

1.1 Prinsip Operasyon

Bis-an ang paglawak sa sistema sa kuryente, ang kapasidad sa short-circuit sa lokal nga sistema sa kuryente adunay pagdako ngadto sa dako, nga nagpakita og significanteng hamubo sa pagtukod ug operasyon sa grid. Aron mapugos ang problema sa excess nga short-circuit current, ang superconducting fault current limiters (SFCLs) batas sa prinsipyong superconductivity adunay kasinatian nga atensyon. Batas sa ilang damping characteristics sa pagtransisyon sa high-resistance state, ang SFCLs mahimong maghatag og resistive ug inductive types.

Sa mga butang, ang resistive superconducting fault current limiter adunay simple nga struktura, compact nga sukal, ug lightweight, uban sa clear nga prinsipyo sa operasyon. Sa panahon nga ito moadto sa high-resistance state, ang iyang current-limiting impedance adunay sharp nga pagtaas, nga naghatag og strong nga fault current suppression capability. Gihapon, ang device capacity mahimo nga ma-adjust sa flexible nga paagi pinaagi sa series o parallel configurations sa superconductors. Sa katapusan nga mga tuig, ang mga breakthrough sa room-temperature superconducting materials adunay pagkita, nga gihatagan sa akademya ug industriya og wide nga pagkita isip primary direction sa future development.

Ang critical current, critical magnetic field, ug critical temperature mao ang key physical parameters aron masabot kung ang superconductor adunay superconducting state. Sa panahon nga ania ang mga parameters adunay pag-exceed sa ilang critical values, ang superconductor mag-transisyon gikan sa superconducting state ngadto sa quenched state. Ang proseso sa quenching adunay duha ka yugto: unang, ang flux flow state, sumala sa normal resistive state. Sa panahon nga ang current density sa superconductor adunay pag-exceed sa critical current density, ang superconductor moadto sa flux flow state.

Kung diin: E mao ang electric field strength; EC mao ang critical electric field strength; J mao ang current density; JCT mao ang critical current density; α mao ang constant; Tt1 ug Tt2 mao ang temperatura sa superconductor sa oras t1 ug t2, respectively; QRS mao ang heat generated sa resistance Rs gikan t1 ngadto t2; QC mao ang heat exchanged sa pagitan sa superconductor ug iyang surrounding environment sa interval t1–t2; Cm mao ang specific heat capacity sa superconductor; JCT(77) mao ang critical current density sa 77 K (77 K mao ang temperatura sa liquid nitrogen environment); TC mao ang critical temperature; T mao ang temperatura sa superconductor.

Batasan sa Eq. (1), sa panahon nga ang current density J adunay pagtaas, ang electric field strength E sa superconductor adunay rapid nga pagtaas, nga nagresulta sa pagtaas sa iyang resistance. Ang pagtaas sa resistance nag-enhance sa thermal effect, ug gikan sa Eq. (2), ang temperatura sa superconductor adunay pagtaas accordingly.

Gikan sa Eq. (3), gi-alamin nga ang pagtaas sa temperatura nag-reduce sa critical current density, nga nagresulta sa mas taas nga electric field strength E, nga nagresulta sa continuous nga pagtaas sa resistance sa superconductor. Sa panahon nga ang resistance adunay pagtaas, ang heat generated sa superconductor gradual nga balance sa heat dissipated sa surroundings, ug ang temperatura stabilize, eventual nga nagsabot sa constant-resistance normal state.

1.2 Application of R-SFCL in Flexible DC Systems

Sa flexible DC transmission systems, ang DC current wala adunay natural nga zero-crossings. Sa panahon nga adunay short-circuit fault, ang fault current adunay rapid nga pagtaas, nga nagpakita og severe nga bantay sa electrical equipment sa sistema. Aron masiguro ang reliabilidad sa sistema, ang circuit breakers kinahanglan quick nga isolate ang faulted line. Kasagaran, ang DC circuit breakers wala pa adunay fully met practical application requirements.

Sa panahon nga adunay DC-side fault, ang AC-side breakers typical nga tripped, apan ini inevitable nga nag-resulta sa shutdown sa converter station, ug ang power electronic devices mahimo nga adunay damage tungod sa overcurrent sa panahon. Ang DC protection kinahanglan kompleto ang tanang sequence sa protection sa few milliseconds, apan ang fastest operating time sa AC circuit breakers typical nga 50 ms, nga nagpakita nga wala sila makaeffective nga protect ang power electronic devices sa sistema.

Ang kasamtangan nga teknolohiya nag-enable sa R-SFCLs nga moadto sa normal resistive state sa approximate nga 3 ms. Ang resistive superconducting fault current limiter adunay mas rapido nga transition sa current-limiting state kay sa relay protection, ug achieve ang high-impedance state sa dili pa ang fault clearance, nga nagresulta sa effective nga pagbawas sa short-circuit current.

2 DC Fault Characteristics in Flexible DC Systems

Ang location sa fault point affect lang ang system impedance, dili ang current path o fundamental characteristics sa short-circuit fault. Para sa convenience sa modeling, ang fault gitapos sa midpoint sa DC line ug assumed nga metallic short circuit. Ang two-terminal flexible DC system simulation model ug R-SFCL model gibuild gamit ang PSCAD/EMTDC, uban sa system rated voltage nga ±110 kV ug rated power nga 75 MW. Ang installation location sa R-SFCL gitapos sa Fig. 1.

Sa panahon nga adunay DC short-circuit fault, ang IGBT detected ug immediate nga blocked pinaagi sa blocking function sa pag-sense sa fault current. Apan, ang diodes connected sa parallel sa IGBT ug transmission lines form uncontrolled bridge rectifier circuit, nga nag-allow sa commutation sa dili pa ang IGBT blocked. Ang DC pole-to-pole short circuit mahimong ma-divide sa three stages: Unang stage immediate sa pagkatapos sa fault, sa panahon nga ang DC-side capacitor adunay rapid discharge ug ang DC current adunay pagtaas ngadto sa peak value sa few milliseconds.

Sa ikaduha nga stage, sa panahon nga ang capacitor voltage adunay pag-drop sa zero, ang current flowing sa diodes mahimo nga reach more than ten times sa ilang rated current, nga nag-make sa power electronic devices highly susceptible sa damage. Sa ikatulo nga stage, sa panahon nga ang DC short-circuit current decay below the AC grid current, ang AC grid magsugyot sa short-circuit current sa DC fault point. Ang DC ground fault wala adunay second stage; otherwise, ang characteristics similar sa pole-to-pole fault.

Sa panahon nga adunay AC current feed-in, ang fault current sa diodes approximate nga ten times sa ilang rated current. Ang current paths para sa duha ka types sa DC short-circuit faults sa flexible DC system gitapos sa Fig. 2 ug Fig. 3, respectively. Ang installation sa R-SFCL along sa fault current path mahimong rapid nga increase ang resistance sa short-circuit loop, nga nag-provide og mas daghan nga oras sa fault clearance ug nag-reduce sa requirements sa inherent opening time ug interrupting capacity sa DC circuit breakers.

3 Simulation Analysis

Gamit ang PSCAD/EMTDC simulation software, ang developed R-SFCL model integrated sa established two-terminal flexible DC system simulation model sa capacity nga 75 MW para sa verification. Ang current-limiting performance sa DC pole-to-pole fault gitapos sa Fig. 4, ug sa DC line-to-ground fault gitapos sa Fig. 5. Gi-observe sa Fig. 4 ug Fig. 5, ang peak fault current adunay pagbawas sa pagtaas sa normal-state resistance. Clear nga ang resistance sa R-SFCL ug peak fault current after installation exhibit certain decaying functional relationship.

Para sa broaden sa application scope, ang original model gradual nga scaled up based sa three system capacities: 75 MW, 150 MW, ug 300 MW. Sa conditions sa DC pole-to-pole short circuit ug DC line-to-ground short circuit, ang relationship sa normal-state resistance value sa R-SFCL ug peak short-circuit current studied sa pag-obtain sa peak values sa short-circuit currents. Ang results gitapos sa Fig. 6 ug Fig. 7.

Gamit ang curve-fitting function sa MATLAB, ang curves sa Fig. 6 ug Fig. 7 fitted, resulting sa functional expressions sa form f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, uban sa specific parameters listed sa Table 1. Ang differentiation sa fitted function yields f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Gi-observe sa Table 1, ang parameter b remains nearly constant, apan ang parameter a increases sa system capacity. Sa pagka-b relatively small, ang slope expressions sa curves sa same fault type almost identical.Therefore, R-SFCLs sa same normal-state resistance exhibit same rate of change sa peak fault current across different system capacities sa same fault type, indicating consistent current-limiting performance.

Furthermore, sa linear nga pagtaas sa normal-state resistance sa R-SFCL, ang current-limiting effectiveness gradual nga diminish. Based sa slopes sa curves sa Fig. 6 ug Fig. 7, ang optimal range sa R-SFCL's normal-state resistance para sa maximize sa rate of reduction sa peak fault current 0–10 Ω.

4 Conclusion

Ang installation sa R-SFCL sa DC output side sa converter station sa flexible DC transmission system mahimong effectively reduce DC short-circuit fault currents. Sa linear nga pagtaas sa resistance value sa R-SFCL, ang current-limiting effect gradual nga diminish. Considering ang current research status, engineering costs, ug land area requirements, recommended nga ang optimal normal-state resistance range sa R-SFCL 0–10 Ω.