Studie af optimalt modstandsvælgning for resistive superledende fejlstrøm begrænsere i flexible DC-transmissions-systemer

1 Resistiv superledende fejlstrøm begrænser

1.1 Funktionss princip

Med den fortsatte udvikling af strømnetværk stiger kortslutningskapaciteten i indenlandske strømsystemer hurtigt, hvilket stiller betydelige udfordringer for netopbygning og -drift. For at løse problemet med overskridende kortslutningsstrømme får superledende fejlstrømbegrænsere (SFCLs) baseret på superledende principper stadig mere opmærksomhed. Baseret på deres dempingsegenskaber under overgang til højresistivt tilstand kan SFCLs inddeles i resistive og induktive typer.

Af disse har den resistive superledende fejlstrømbegrænser en simpel konstruktion, kompakt størrelse og let vægt, samt et klart funktionss princip. Når den går over i højresistivt tilstand, stiger dens strømbegrænsende impedans skarpt, hvilket giver en stærk evne til at dæmpe fejlstrømmer. Desuden kan enhedskapaciteten fleksibelt justeres ved serie- eller parallelforbindelse af superledere. I de seneste år er der sket gennembrud med superledende materialer ved rumtemperatur, hvilket har ført til, at både akademia og industrien anser resistive SFCLs for at være den primære retning for fremtidig udvikling.

Kritisk strøm, kritisk magnetfelt og kritisk temperatur er nøglefysiske parametre for at bestemme, om en superleder er i superledende tilstand. Når nogen af disse parametre overstiger deres kritiske værdier, går superlederen over fra superledende tilstand til kvæstet tilstand. Kvæstningsprocessen består af to faser: først fluxflow-tilstanden, derefter normal resistiv tilstand. Når strømtætheden gennem superlederen overstiger dens kritiske strømtæthed, går superlederen ind i fluxflow-tilstanden.

Hvor: E er elektrisk feltstyrke; EC er kritisk elektrisk feltstyrke; J er strømtæthed; JCT er kritisk strømtæthed; α er en konstant; Tt1 og Tt2 er temperaturen af superlederen ved tidspunkter t1 og t2 henholdsvis; QRS er varmen genereret af resistancen Rs fra t1 til t2; QC er värmeudvekslingen mellem superlederen og dens omgivelser i tidsintervallet t1–t2; Cm er specifik varmekapacitet for superlederen; JCT(77) er kritisk strømtæthed ved 77 K (77 K er temperaturen i en flydende kvælstofmiljø); TC er kritisk temperatur; T er temperaturen af superlederen.

Ifølge ligning (1) stiger elektrisk feltstyrken E af superlederen hurtigt, når strømtætheden J øges, hvilket fører til en stigning i dens resistans. Den øgede resistans forstærker varmeeffekten, og som vist i ligning (2), stiger superlederens temperatur i overensstemmelse hermed.

Fra ligning (3) er det kendt, at stigningen i temperatur reducerer den kritiske strømtæthed, hvilket yderligere øger elektrisk feltstyrken E, og får superlederens resistans til at stige kontinuerligt. Når resistansen stiger, gradvis balancerer den varme, der genereres af superlederen, med den varme, der dissiperes til omgivelserne, og temperaturen stabiliseres, og endelig nås en konstant-resistiv normal tilstand.

1.2 Anvendelse af R-SFCL i flexible DC-systemer

I flexible DC-transmissionsystemer mangler DC-strømmen naturlige null-gennemløb. Når en kortslutningsfejl opstår, stiger fejlstrømmen hurtigt, hvilket udgør en alvorlig trussel mod elektriske anlæg i systemet. For at sikre systemets pålidelighed skal brydere hurtigt isolere den defekte linje. I øjeblikket opfylder DC-brydere ikke endnu praktiske anvendelseskrav fuldt ud.

Når en DC-side fejl opstår, aktiveres typisk AC-side brydere, men dette medfører uundgåeligt, at omsætningsstationen lukkes ned, og power electronics kan blive skadt på grund af overstrøm under denne periode. DC-beskyttelse skal udføre hele beskyttelsessekvensen inden for få millisekunder, mens den hurtigste reaktions tid for AC-brydere typisk er 50 ms, hvilket gør dem ude af stand til effektivt at beskytte power electronics i systemet.

Den nuværende teknologi gør det muligt for R-SFCLs at nå den normale resistive tilstand inden for cirka 3 ms. Den resistive superledende fejlstrømbegrænser går over i strømbegrænsende tilstand meget hurtigere end relæbeskyttelsen opererer, og opnår højimpedanstilstanden inden fejlrydning, hvilket effektivt reducerer kortslutningsstrømmen.

2 DC-fejl karakteristikker i flexible DC-systemer

Fejlpladsen påvirker kun systemets impedans, ikke strømvejen eller de fundamentale karakteristika af kortslutningsfejlen. For modeleringens skyld placeres fejlen midt på DC-linjen og antages at være en metallisk kortslutning. En simuleringsmodel for et to-terminalers flexibelt DC-system og en R-SFCL-model bygges med PSCAD/EMTDC, med et systemets nominelle spænding på ±110 kV og en nominel effekt på 75 MW. Installationen af R-SFCL vises i figur 1.

Når en DC-kortslutningsfejl opstår, detekteres IGBT og blokeres umiddelbart via sin blokeringsfunktion, når den registrerer fejlstrømmen. Imidlertid dannes af dioderne, der er forbundet parallelt med IGBT, og transmissionslinjerne en ubegrænset brystbro-cirkuit, hvilket tillader kommutation at fortsætte, selv efter at IGBT er blokeret. En DC-pole til pole kortslutning kan hovedsagelig opdeles i tre faser: Den første fase foregår lige efter fejlen, hvor DC-siden kapacitator slukker hurtigt, og DC-strømmen stiger til sit maksimale værdi inden for få millisekunder.

I den anden fase, efter at kapacitator-spændingen falder til nul, kan strømmen gennem dioderne nå mere end ti gange deres nominelle strøm, hvilket gør power electronics meget sårbar for skade. I den tredje fase, når DC-kortslutningsstrømmen aftager under AC-netstrømmen, begynder AC-nettet at fede kortslutningsstrøm ind i DC-fejlpunktet. En DC-jordfejl har ikke en anden fase; ellers er dens karakteristika lignende dem af en pole til pole fejl.

Under AC-strømfeed-in, er fejlstrømmen gennem dioderne ca. ti gange deres nominelle strøm. Strømvejene for disse to typer DC-kortslutningsfejl i det flexible DC-system illustreres i figur 2 og figur 3. Ved installation af en R-SFCL langs fejlstrømvejen kan resistansen af kortslutningscirkuitet hurtigt øges, hvilket giver mere tid til fejlrydning og reducerer kravene til den inbyggede åbnings tid og afbrydelses kapacitet for DC-brydere.

3 Simulationsanalyse

Med PSCAD/EMTDC-simuleringssoftware integreres den udviklede R-SFCL-model i den etablerede to-terminalers flexibelt DC-systemsimuleringsmodel med en kapacitet på 75 MW for verifikation. Strømbegrænsningsydeevnen under DC-pole til pole fejl vises i figur 4, og under DC-linje til jord fejl vises i figur 5. Som ses i figur 4 og figur 5, falder topfejlstrømmen, når den normale resistans øges. Det er tydeligt, at R-SFCL's resistans og topfejlstrøm efter installation viser en bestemt aftagende funktional relation.

For at udvide anvendelsesområdet blev den originale model gradvist skaleret op baseret på tre systemkapaciteter: 75 MW, 150 MW og 300 MW. Under forhold af DC-pole til pole kortslutning og DC-linje til jord kortslutning blev forholdet mellem R-SFCL's normale resistansværdi og topkortslutningsstrømmen undersøgt ved at opnå topværdierne for kortslutningsstrømmene. Resultaterne vises i figur 6 og figur 7.

Ved hjælp af kurvetilpasningsfunktionen i MATLAB blev kurverne i figur 6 og figur 7 respektivt tilpasset, hvilket resulterede i funktionelle udtryk af formen f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, med specifikke parametre angivet i tabel 1. Differentiering af den tilpassede funktion resulterer i f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Fra tabel 1 kan det ses, at for samme fejltype, parameter b forbliver næsten konstant, mens parameter a stiger med systemkapaciteten. Da b er relativt lille, er hældningsudtrykkene for kurverne af samme fejltype næsten identiske.Derfor viser R-SFCLs med samme normale resistans samme ændringssats i topfejlstrøm over forskellige systemkapaciteter for samme fejltype, hvilket indikerer en konsekvent strømbegrænsningsydeevne.

Desuden, da den normale resistans af R-SFCL øges lineært, mindskes dets strømbegrænsende effektivitet gradvist. Baseret på hældningen af kurverne i figur 6 og figur 7, er det optimale område for R-SFCL's normale resistans for at maksimere reduktionssatsen i topfejlstrøm 0–10 Ω.

4 Konklusion

Installation af en R-SFCL på DC-udgangssiden af en omsætningsstation i et flexibelt DC-transmissionsystem kan effektivt reducere DC-kortslutningsfejlstrømme. Da R-SFCL's resistansværdi øges lineært, mindskes dets strømbegrænsende effekt gradvist. Med hensyn til den nuværende forskningsstatus, ingeniøringsomkostninger og arealanvendelseskrav, anbefales det, at det optimale normale resistansområde for R-SFCL er 0–10 Ω.