Studie zur optimalen Widerstandsauswahl für widerstandsgekoppelte supraleitende Fehlerstrombegrenzer in flexiblen Gleichstromübertragungssystemen

1 Widerstandssuperleitender Schaltkreisstrombegrenzer

1.1 Arbeitsprinzip

Da die Skalierung von Stromnetzen weiter zunimmt, wächst die Kurzschlusskapazität inländischer Energiesysteme schnell, was erhebliche Herausforderungen für den Netzausbau und -betrieb darstellt. Um das Problem der zu hohen Kurzschlussströme zu lösen, erlangen superleitende Schaltkreisstrombegrenzer (SFCLs) aufgrund ihrer Superleiterprinzipien zunehmend an Bedeutung. Abhängig von ihren Dämpfungseigenschaften beim Übergang in den Hochwiderstandsmodus können SFCLs in widerstandsbasierte und induktionsbasierte Typen unterteilt werden.

Dabei zeichnet sich der widerstandsbasierte superleitende Schaltkreisstrombegrenzer durch eine einfache Struktur, kompakten Bau und geringes Gewicht sowie ein klares Arbeitsprinzip aus. Sobald er in den Hochwiderstandsmodus übergeht, steigt seine strömungsbeschränkende Impedanz stark an, was eine starke Unterdrückung des Fehlerschaltkreisstroms ermöglicht. Darüber hinaus kann die Gerätekapazität flexibel durch Serien- oder Parallelschaltung von Superleitern angepasst werden. In jüngster Zeit sind Durchbrüche bei Raumtemperatur-Superleitermaterialien erfolgt, wodurch sowohl Wissenschaft als auch Industrie den widerstandsbasierten SFCL als die Hauptentwicklungslinie für die Zukunft betrachten.

Kritische Stromstärke, kritisches Magnetfeld und kritische Temperatur sind entscheidende physikalische Parameter, um festzustellen, ob ein Superleiter im superleitenden Zustand ist. Wenn einer dieser Parameter seinen kritischen Wert überschreitet, wechselt der Superleiter vom superleitenden in den quenched-Zustand. Der Quench-Prozess besteht aus zwei Stufen: zunächst dem Flussflusszustand, gefolgt vom normalen Widerstandsmodus. Wenn die Stromdichte durch den Superleiter seine kritische Stromdichte überschreitet, tritt der Superleiter in den Flussflusszustand ein.

Wobei: E die elektrische Feldstärke ist; EC die kritische elektrische Feldstärke; J die Stromdichte; JCT die kritische Stromdichte; α eine Konstante; Tt1 und Tt2 die Temperaturen des Superleiters zu den Zeiten t1 und t2 sind; QRS die durch den Widerstand Rs von t1 bis t2 erzeugte Wärme; QC der zwischen dem Superleiter und seiner Umgebung während des Zeitintervalls t1–t2 ausgetauschte Wärmemenge; Cm die spezifische Wärmekapazität des Superleiters; JCT(77) die kritische Stromdichte bei 77 K (77 K ist die Temperatur in einer flüssigen Stickstoffumgebung); TC die kritische Temperatur; T die Temperatur des Superleiters.

Gemäß Gleichung (1) steigt die elektrische Feldstärke E des Superleiters, wenn die Stromdichte J ansteigt, was zu einem Anstieg seines Widerstands führt. Der erhöhte Widerstand verstärkt den thermischen Effekt, und wie in Gleichung (2) dargestellt, steigt die Temperatur des Superleiters entsprechend.

Aus Gleichung (3) geht hervor, dass der Temperaturanstieg die kritische Stromdichte reduziert, was die elektrische Feldstärke E weiter erhöht und den Widerstand des Superleiters kontinuierlich anwachsen lässt. Mit zunehmendem Widerstand wird die vom Superleiter erzeugte Wärme schrittweise mit der an die Umgebung abgegebenen Wärme ausgeglichen, und die Temperatur stabilisiert sich, erreicht schließlich einen konstanten Widerstandsnormalzustand.

1.2 Anwendung des R-SFCL in flexiblen Gleichstromsystemen

In flexiblen Gleichstromübertragungssystemen fehlen natürliche Nullübergänge. Bei einem Kurzschlussfehler steigt der Fehlerstrom schnell an, was eine ernsthafte Bedrohung für die elektrischen Geräte im System darstellt. Um die Systemzuverlässigkeit sicherzustellen, müssen Schaltgeräte den defekten Leiter schnell isolieren. Aktuell erfüllen Gleichstrom-Schaltgeräte noch nicht vollständig die Anforderungen der praktischen Anwendung.

Bei einem Gleichstromseitenfehler werden in der Regel Wechselstromseite-Auslöser betätigt, was unweigerlich zur Stilllegung der Umspannanlage führt, und leistungselektronische Geräte können während dieser Zeit durch Überstrom beschädigt werden. Die Gleichstromschutzanlage muss den gesamten Schutzablauf innerhalb weniger Millisekunden abschließen, während die schnellste Betriebszeit von Wechselstrom-Schaltgeräten in der Regel 50 ms beträgt, was sie unfähig macht, die leistungselektronischen Geräte im System effektiv zu schützen.

Die aktuelle Technologie ermöglicht es, dass R-SFCLs den normalen Widerstandsmodus innerhalb von etwa 3 ms erreichen. Der widerstandsbasierte superleitende Schaltkreisstrombegrenzer wechselt viel schneller in den strömungsbeschränkenden Modus als Relais-Schutzanlagen und erreicht den Hochimpedanzmodus vor der Fehlerbehebung, was zu einer effektiven Reduzierung des Kurzschlussstroms führt.

2 Gleichstromfehlercharakteristiken in flexiblen Gleichstromsystemen

Der Standort des Fehlerpunkts beeinflusst nur die Systemimpedanz, nicht den Strompfad oder die grundlegenden Charakteristika des Kurzschlussfehlers. Zur Vereinfachung der Modellierung wird der Fehler in der Mitte der Gleichstromleitung platziert und als metallischer Kurzschluss angenommen. Ein Simulationsmodell eines zweipoligen flexiblen Gleichstromsystems und ein R-SFCL-Modell werden mit PSCAD/EMTDC erstellt, mit einem Systemnennspannung von ±110 kV und einer Nennleistung von 75 MW. Die Installationsposition des R-SFCL ist in Abb. 1 gezeigt.

Bei einem Gleichstromkurzschlussfehler wird der IGBT durch seine Blockierungsfunktion sofort nach Erkennen des Fehlerstroms blockiert. Allerdings bilden die parallel zum IGBT geschalteten Dioden und die Übertragungsleitungen eine unkontrollierbare Brückengleichrichterschaltung, die die Kommutation auch nach der Blockierung des IGBT fortsetzt. Ein Gleichstrompol-zu-Polkurzschluss kann in drei Hauptschritte unterteilt werden: Der erste Schritt tritt unmittelbar nach dem Fehler auf, während dessen der Gleichstromkondensator schnell entlädt und der Gleichstrom innerhalb weniger Millisekunden auf seinen Spitzenwert ansteigt.

Im zweiten Schritt, nachdem die Kondensatorenspannung auf Null fällt, kann der durch die Dioden fließende Strom mehr als zehnmal ihre Nennstromstärke erreichen, was leistungselektronische Geräte sehr anfällig für Beschädigungen macht. Im dritten Schritt, wenn der Gleichstromkurzschlussstrom unter den Wechselstromnetzstrom sinkt, beginnt das Wechselstromnetz, Kurzschlussstrom in den Gleichstromfehlerpunkt einzuspeisen. Ein Gleichstrom-Erdschluss hat keinen zweiten Schritt; andernfalls sind seine Charakteristika denen eines Pol-zu-Polfaults ähnlich.

Während der Wechselstromspeisung beträgt der durch die Dioden fließende Fehlerstrom etwa zehnmal ihre Nennstromstärke. Die Strompfade für diese beiden Arten von Gleichstromkurzschlussfehlern im flexiblen Gleichstromsystem sind in Abb. 2 und Abb. 3 dargestellt. Die Installation eines R-SFCLs entlang des Fehlerstrompfades kann den Widerstand des Kurzschlussschleifens schnell erhöhen, was mehr Zeit für die Fehlerbehebung bietet und die Anforderungen an die inhärente Öffnungszeit und Unterbrechungskapazität von Gleichstrom-Schaltgeräten verringert.

3 Simulationsanalyse

Mit der PSCAD/EMTDC-Simulationssoftware wird das entwickelte R-SFCL-Modell in das bestehende Simulationsmodell eines zweipoligen flexiblen Gleichstromsystems mit einer Kapazität von 75 MW integriert, um die Verifikation durchzuführen. Die strömungsbeschränkende Leistung bei einem Gleichstrompol-zu-Polkurzschluss ist in Abb. 4 und bei einem Gleichstromleitung-zu-Erde-Kurzschluss in Abb. 5 dargestellt. Wie in Abb. 4 und Abb. 5 zu sehen ist, nimmt der Spitzenfehlerstrom mit zunehmendem Widerstandsnormalzustand ab. Es ist offensichtlich, dass der Widerstand des R-SFCL und der Spitzenfehlerstrom nach der Installation eine bestimmte abfallende funktionale Beziehung aufweisen.

Um den Anwendungsbereich zu erweitern, wurde das ursprüngliche Modell basierend auf drei Systemkapazitäten (75 MW, 150 MW und 300 MW) schrittweise aufgestockt. Unter Bedingungen eines Gleichstrompol-zu-Polkurzschlusses und eines Gleichstromleitung-zu-Erde-Kurzschlusses wurde die Beziehung zwischen dem Widerstandsnormalwert des R-SFCL und dem Spitzenkurzschlussstrom durch die Bestimmung der Spitzenwerte der Kurzschlussströme untersucht. Die Ergebnisse sind in Abb. 6 und Abb. 7 dargestellt.

Mit der Kurvenanpassungsfunktion in MATLAB wurden die Kurven in Abb. 6 und Abb. 7 jeweils angepasst, wobei Funktionen der Form f(x) = ae⁻ᵇˣ + c resultierten, mit spezifischen Parametern, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Die Ableitung der angepassten Funktion ergibt f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Aus Tabelle 1 kann man erkennen, dass für denselben Fehlertyp der Parameter b nahezu konstant bleibt, während der Parameter a mit der Systemkapazität zunimmt. Da b relativ klein ist, sind die Steigungsausdrücke der Kurven für denselben Fehlertyp fast identisch.Daher zeigen R-SFCLs mit demselben Widerstandsnormalwert dieselbe Änderungsrate des Spitzenfehlerstroms über verschiedene Systemkapazitäten für denselben Fehlertyp, was eine konsistente strömungsbeschränkende Leistung anzeigt.

Darüber hinaus nimmt die strömungsbeschränkende Wirksamkeit des R-SFCL mit zunehmendem Widerstandsnormalwert linear ab. Basierend auf den Steigungen der Kurven in Abb. 6 und Abb. 7 liegt der optimale Bereich des Widerstandsnormalwerts des R-SFCL für die Maximierung der Reduktion des Spitzenfehlerstroms zwischen 0 und 10 Ω.

4 Schlussfolgerung

Die Installation eines R-SFCL am Gleichstromausgang einer Umspannanlage in einem flexiblen Gleichstromübertragungssystem kann Gleichstromkurzschlussfehlerströme effektiv reduzieren. Je höher der Widerstandsnormalwert des R-SFCL, desto geringer ist seine strömungsbeschränkende Wirkung. Berücksichtigung der aktuellen Forschungsstatus, der Ingenieurkosten und der Flächennutzungsanforderungen wird empfohlen, dass der optimale Widerstandsnormalbereich des R-SFCL zwischen 0 und 10 Ω liegen sollte.