Studo pri Optimuma Elekto de Resistanto por Rezistecaj Superkondukaj Fekta Kurentlimigiloj en Flekseblaj DC Transdonadaj Sistemoj

1 Rezista Resistanca Superkondukta Fektopa Limigilo

1.1 Funkcioprinipo

Kiel la grandeco de elektraj retoj daŭre pligrandiĝas, la kapablo de internaj elektraj sistemoj por kurta ĉeno rapideme pliiĝas, kio prezentas signifan defion al la konstruado kaj operacio de la reto. Por solvi la problemon de tro granda kurta ĉena fluo, superkonduktaj fekto-limigiloj (SFCL) bazitaj sur la principo de superkonduktiveco ricevas pli kaj pli da atento. La SFCL povas esti dividadaj en rezistancan kaj induktan tipojn depende de ilia amorteca karakterizo dum la transiro al alta rezistanca stato.

Inter tiuj, la rezista superkondukta fekto-limigilo havas simplan strukturon, kompaktan grandon, kaj malpezon, kun klara funkcioprinipo. Kiam ĝi eniras la altrezistancan staton, sia limiga impedanco rapide pliiĝas, oferante fortan kapablon por suprimi fektan fluon. Plue, la kapablo de la aparato povas esti flekseble regula per serio- aŭ paralela aranĝo de superkondukantoj. En lastaj jaroj, progreso en materioj por superkonduktado je ambieta temperaturo estas farita, kio kaŭzas, ke akademia mondo kaj industrio vaste rigardas la rezistan SFCL kiel la ĉefan direkton por estonteca disvolvo.

Kritika fluo, kritika magnetkampo, kaj kritika temperaturo estas gravaj fizikaj parametroj por determini ĉu superkondukanto estas en superkonduksta stato. Kiam iu el tiuj parametroj superas sian kritikan valoron, la superkondukanto transiros de la superkonduksta stato al la kvencita stato. La kvenci-proceso konsistas el du etapo: unue, la flua stato, sekve la normala rezistanca stato. Kiam la fluodenseco tra la superkondukanto superas sian kritikan fluodensecon, la superkondukanto eniras la fluan staton.

Kie: E estas la fortokoeficiento; EC estas la kritika fortokoeficiento; J estas la fluodenseco; JCT estas la kritika fluodenseco; α estas konstanto; Tt1 kaj Tt2 estas la temperaturoj de la superkondukanto je tempo t1 kaj t2 respektive; QRS estas la varmo produktita de la rezisto Rs inter t1 kaj t2; QC estas la varminterŝanĝo inter la superkondukanto kaj sia ĉirkaŭa medio dum la tempintervalo t1–t2; Cm estas la specifa varmkapacito de la superkondukanto; JCT(77) estas la kritika fluodenseco je 77 K (77 K estas la temperaturo de likva azoto); TC estas la kritika temperaturo; T estas la temperaturo de la superkondukanto.

Laŭ Eq. (1), kiam la fluodenseco J pliiĝas, la fortokoeficiento E de la superkondukanto rapide pliiĝas, kaŭzante pliiĝon de ĝia rezisto. La pliiĝo de la rezisto potencigas la termikefekton, kaj laŭ Eq. (2), la temperaturo de la superkondukanto sekve pliiĝas.

El Eq. (3) oni scias, ke la pliiĝo de la temperaturo reduktas la kritikan fluodensecon, kio plue pliiĝigas la fortokoeficienton E, kaŭzante daŭran pliiĝon de la rezisto de la superkondukanto. Dum la rezisto pliiĝas, la varmo produktita de la superkondukanto graduale ekvilibros kun la varmo dissendata al la ĉirkaŭa medio, kaj la temperaturo stabilos, fine atinganta la konstantrezistanca normalan staton.

1.2 Apliko de R-SFCL en Fleksiblaj DC Sistemoj

En fleksiblaj DC transdonaj sistemoj, la DC fluo mankas naturlajn nultranspasojn. Unufoje okazis kurta ĉena eraro, la fekta fluo rapide pliiĝas, prezentante severan danĝeron al la elektra equipamento en la sistemo. Por certigi la fidindeco de la sistemo, cirkvitrompiloj devas rapide izoligi la defektan linion. Aktualaj DC cirkvitrompiloj ankoraŭ ne plene respondas praktikajn aplikecpostulojn.

Kiam okazas DC-flanka defekto, kutime rompiĝas AC-flankaj rompiloj, sed ĉi tio neeviteble kaŭzas fermigon de la konvertista stacio, kaj elektronikaj equipamentoj povas esti damaĝitaj pro superfluo dum ĉi tiu periodo. DC-protektado devas fini la tutan protektadsekvencon en kelkaj milisekundoj, dum la plej rapida operaciotempo de AC cirkvitrompiloj tipike estas 50 ms, kio ne ebligas efektivan protektadon de elektronikaj equipamentoj en la sistemo.

Aktuala teknologio ebligas al R-SFCL'oj atingi la normalan rezistancan staton en proksimume 3 ms. La rezista superkondukta fekto-limigilo transiras al la fluo-limitanta stato multe pli rapide ol la operacio de rela protektado, kaj atingas la altimpedancan staton antaŭ la forigo de la defekto, efektive reduktante la kurta ĉenan fluon.

2 Karakterizoj de DC Defektoj en Fleksiblaj DC Sistemoj

La loko de la defektpunkto nur afektas la sistemresistancon, ne la fluovicon aŭ la fundamentajn karakterizojn de la kurta ĉena defekto. Pro modeligkomforteco, la defekto situas en la mezo de la DC-linio kaj estas supozita esti metalurta ĉeno. Simula modelo de duflanka fleksibla DC-sistemo kaj R-SFCL-modelo estas konstruitaj uzante PSCAD/EMTDC, kun sistemerata voltajo de ±110 kV kaj eratarpotenco de 75 MW. La installokogo de la R-SFCL estas montrita en Fig. 1.

Kiam okazas DC-kurta ĉena defekto, la IGBT estas detektita kaj tuj blokeblas per sia blokeblafunkcio sentante la defektan fluon. Tamen, la diodoj paralele konektitaj kun la IGBT kaj la transdonlinioj formas nekontroligeblan rektifikan cirkvitan, permesantan daŭrigi la komutadon eĉ post blokeblo de la IGBT. La DC-polo-al-pola kurta ĉeno povas esti ĉefe dividita en tri etapo: La unua etapo okazas tuj post la defekto, dum kiu la DC-flanka kondensilo rapide elŝargas kaj la DC-fluo pliiĝas al sia pinto en kelkaj milisekundoj.

En la dua etapo, post kiam la kondensilvoltajo falas al nul, la fluo tra la diodoj povas atingi pli ol dekoble sian norman fluon, faciligante damaĝon de elektronikaj equipamentoj. En la tria etapo, kiam la DC-kurta ĉena fluo malkreskas sub la AC-reto-fluo, la AC-reto komencas sendi kurta ĉenan fluon al la DC-defektpunkto. DC-terdefekto ne havas duan etapon; alie, ĝiaj karakterizoj similas tiujn de pol-al-pol-defekto.

Dum la sendado de AC-fluo, la defektfluo tra la diodoj estas proksimume dekoble la norma fluo. La fluovicoj por ĉi tiuj du specoj de DC-kurta ĉena defekto en la fleksibla DC-sistemo estas montritaj en Fig. 2 kaj Fig. 3 respektive. Instalado de R-SFCL laŭ la defektfluvico povas rapide pliiĝi la reziston de la kurta ĉena cirkvito, donante pli da tempo por la forigo de la defekto kaj reduktante la postulojn pri la esenca malfermtempo kaj interrompa kapablo de DC-cirkvitrompiloj.

3 Simula Analizo

Uzante la simulprogramon PSCAD/EMTDC, la evoluigita R-SFCL-modelo estas integrita en la konstruita duflanka fleksibla DC-sistemsimulmodelo kun kapablo de 75 MW por kontrolado. La fluo-limitada efektiveco sub DC-polo-al-pola defekto estas montrita en Fig. 4, kaj sub DC-linio-al-tero defekto en Fig. 5. El Fig. 4 kaj Fig. 5 oni povas vidi, ke la pinta defektfluo malkreskas kiel la normalrezistanco pliiĝas. Evidente, la rezisto de la R-SFCL kaj la pinta defektfluo post instalaĵo montras certan funkcian rilaton.

Por vastigi la aplikan areon, la originala modelo estis postepo post epe skaligita bazite sur tri sistemaparatoj: 75 MW, 150 MW, kaj 300 MW. Sub kondiĉoj de DC-polo-al-pola kurta ĉeno kaj DC-linio-al-tero kurta ĉeno, la rilato inter la normalrezistancovaloro de la R-SFCL kaj la pinta kurta ĉena fluo estis studita akirante la pintojn de la kurta ĉena fluo. La rezultoj estas montritaj en Fig. 6 kaj Fig. 7.

Uzante la kurvfitan funkcion en MATLAB, la kurvoj en Fig. 6 kaj Fig. 7 estas fite respektive, rezultigante funkciajn esprimojn de la formo f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, kun specifaj parametroj listigitaj en Tab. 1. Diferencialado de la fita funkcio donas f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. El Tab. 1 oni povas vidi, ke por sama defektotipo, la parametro b restas preskaŭ konstanta, dum la parametro a pliiĝas kun sistemaparato. Ĉar b estas relative malgranda, la pendanecesprimoj de la kurvoj por sama defektotipo estas preskaŭ identaj.Do, R-SFCL'oj kun sama normalrezistanco montras saman ŝanĝrapidecon de pinta defektfluo en diversaj sistemaparatoj por sama defektotipo, indikante konsistantan fluo-limitadan efektivon.

Plue, kiel la normalrezistanco de la R-SFCL lineare pliiĝas, ĝia fluo-limita efektiveco graduale malkreskas. Bazitaj sur la pendancoj de la kurvoj en Fig. 6 kaj Fig. 7, la optimuma intervalo de la normalrezistanco de la R-SFCL por maksimumigi la reduktan rapido de la pinta defektfluo estas 0–10 Ω.

4 Konkludo

Instalado de R-SFCL sur la DC-eliga flanko de konvertista stacio en fleksibla DC-transdona sistemo povas efektive redukti DC-kurtĉenan defektfluon. Kiel la rezistancovaloro de la R-SFCL lineare pliiĝas, ĝia fluo-limita efektiveco graduale malkreskas. Konsiderante la nunan esplorstaton, inĝenieraj kostojn, kaj terarepostulojn, estas sugestite, ke la optimuma normalrezistanca intervalo por la R-SFCL estu 0–10 Ω.