مطالعه انتخاب بهینه مقاومت مقاومت‌های فراهم‌کننده محدودکننده جریان خطا برای سیستم‌های انتقال مستقیم جریان کارامد

۱ محدودکننده جریان خطا مقاومتی ابررسانا

۱.۱ اصل عملکرد

با افزایش مقیاس شبکه‌های برق، ظرفیت کوتاه مداری سیستم‌های برق داخلی به طور سریع افزایش یافته و چالش‌های قابل توجهی برای ساخت و عملیات شبکه ایجاد می‌کند. برای رفع مشکل جریان‌های کوتاه مداری بیش از حد، محدودکننده‌های جریان خطا ابررسانا (SFCLs) مبتنی بر اصول ابررسانایی مورد توجه فزاینده‌ای قرار گرفته‌اند. بر اساس ویژگی‌های دمپینگ آنها در حال عبور به حالت مقاومت بالا، SFCLs می‌توانند به دو نوع مقاومتی و القایی تقسیم شوند.

از میان این‌ها، محدودکننده جریان خطا مقاومتی ابررسانا دارای ساختار ساده، اندازه کوچک و وزن سبک است و اصل عملکرد آن واضح است. هنگامی که به حالت مقاومت بالا می‌رسد، موانع جریان‌سنجی آن به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد و توانایی قوی در زیر برمی‌آورد برای کاهش جریان خطا. علاوه بر این، ظرفیت دستگاه می‌تواند با استفاده از پیکربندی‌های سری یا موازی ابررساناها به طور انعطاف‌پذیر تنظیم شود. در سال‌های اخیر، پیشرفت‌هایی در مواد ابررسانا در دمای اتاق ایجاد شده است که منجر به این شده است که هم در دانشگاه و هم در صنعت، محدودکننده‌های جریان خطا مقاومتی ابررسانا را به عنوان جهت اصلی توسعه آینده می‌شناسند.

جریان بحرانی، میدان مغناطیسی بحرانی و دمای بحرانی پارامترهای فیزیکی کلیدی برای تعیین اینکه آیا یک ابررسانا در حالت ابررسانایی است یا خیر هستند. هنگامی که هر یک از این پارامترها از مقدار بحرانی خود فراتر می‌رود، ابررسانا از حالت ابررسانایی به حالت خاموشی می‌رسد. فرآیند خاموشی شامل دو مرحله است: ابتدا حالت جریان مغناطیسی و سپس حالت مقاومتی عادی. هنگامی که چگالی جریان عبوری از ابررسانا از چگالی جریان بحرانی آن فراتر می‌رود، ابررسانا به حالت جریان مغناطیسی می‌رسد.

که در آن: E قدرت میدان الکتریکی است؛ EC قدرت میدان الکتریکی بحرانی است؛ J چگالی جریان است؛ JCT چگالی جریان بحرانی است؛ α ثابتی است؛ Tt1 و Tt2 دماهای ابررسانا در زمان‌های t1 و t2 هستند؛ QRS گرما تولید شده توسط مقاومت Rs از t1 تا t2 است؛ QC گرما تبادل شده بین ابررسانا و محیط اطراف در بازه زمانی t1–t2 است؛ Cm ظرفیت گرمایی خاص ابررسانا است؛ JCT(77) چگالی جریان بحرانی در 77 K (77 K دمای محیط نیتروژن مایع است)؛ TC دمای بحرانی است؛ T دمای ابررسانا است.

بر اساس معادله (۱)، هنگامی که چگالی جریان J افزایش می‌یابد، قدرت میدان الکتریکی E ابررسانا به طور سریع افزایش می‌یابد و منجر به افزایش مقاومت آن می‌شود. افزایش مقاومت تأثیر گرمایی را افزایش می‌دهد و مطابق با معادله (۲)، دمای ابررسانا نیز به طور متناسب افزایش می‌یابد.

از معادله (۳) معلوم می‌شود که افزایش دما چگالی جریان بحرانی را کاهش می‌دهد و این امر منجر به افزایش قدرت میدان الکتریکی E می‌شود که باعث می‌شود مقاومت ابررسانا به طور مداوم افزایش یابد. همزمان با افزایش مقاومت، گرما تولید شده توسط ابررسانا به تدریج با گرما تبدیل شده به محیط اطراف متعادل می‌شود و دما پایدار می‌شود و در نهایت به حالت مقاومتی عادی می‌رسد.

۱.۲ کاربرد R-SFCL در سیستم‌های DC انعطاف‌پذیر

در سیستم‌های انتقال DC انعطاف‌پذیر، جریان DC نمی‌تواند صفر شود. هنگامی که یک خطا کوتاه مداری رخ می‌دهد، جریان خطا به سرعت افزایش می‌یابد و تهدید جدی برای تجهیزات برق در سیستم می‌شود. برای اطمینان از قابلیت اطمینان سیستم، برش‌کننده‌های مدار باید به سرعت خط خراب را جدا کنند. در حال حاضر، برش‌کننده‌های DC هنوز تمام نیازهای کاربردی را برآورده نمی‌کنند.

هنگامی که یک خطا در سمت DC رخ می‌دهد، معمولاً برش‌کننده‌های AC خاموش می‌شوند، اما این امر به طور غیرقابل اجتناب منجر به خاموشی ایستگاه تبدیل می‌شود و دستگاه‌های الکترونیکی قدرت ممکن است به دلیل جریان بیش از حد در این مدت آسیب ببینند. محافظت DC باید کل دنباله محافظت را در چند میلی‌ثانیه انجام دهد، در حالی که سریع‌ترین زمان عمل برش‌کننده‌های AC معمولاً ۵۰ میلی‌ثانیه است که آن‌ها را قادر به محافظت مؤثر از دستگاه‌های الکترونیکی در سیستم نمی‌سازد.

فناوری فعلی به R-SFCL‌ها اجازه می‌دهد تا در حدود ۳ میلی‌ثانیه به حالت مقاومتی عادی برسند. محدودکننده جریان خطا مقاومتی ابررسانا به سرعت بیشتری نسبت به عملکرد محافظت رله‌ای وارد حالت محدودکننده جریان می‌شود و قبل از رفع خطا به حالت مقاومت بالا می‌رسد، بنابراین به طور مؤثر جریان کوتاه مداری را کاهش می‌دهد.

۲ ویژگی‌های خطا DC در سیستم‌های DC انعطاف‌پذیر

مکان نقطه خطا فقط تاثیر بر روی امپدانس سیستم دارد و نه بر مسیر جریان یا ویژگی‌های اساسی خطا کوتاه مداری. برای راحتی مدل‌سازی، خطا در وسط خط DC قرار داده شده و فرض می‌شود که یک کوتاه مدار فلزی است. یک مدل شبیه‌سازی دو سری سیستم DC انعطاف‌پذیر و یک مدل R-SFCL با استفاده از PSCAD/EMTDC ساخته شده است، با ولتاژ اسمی ±۱۱۰ kV و توان اسمی ۷۵ MW. مکان نصب R-SFCL در شکل ۱ نشان داده شده است.

هنگامی که یک خطا کوتاه مداری DC رخ می‌دهد، IGBT با استفاده از عملکرد بلاک‌شدن خود در صورت تشخیص جریان خطا بلاک می‌شود. با این حال، دیودهای متصل شده به صورت موازی با IGBT و خطوط انتقال یک مدار مستقیم غیرقابل کنترل را تشکیل می‌دهند که حتی بعد از بلاک‌شدن IGBT، تبدیل‌دهی ادامه دارد. یک خطا کوتاه مداری قطب به قطب DC می‌تواند به سه مرحله اصلی تقسیم شود: مرحله اول بلافاصله بعد از خطا رخ می‌دهد که در آن خازن سمت DC به سرعت تخلیه می‌شود و جریان DC در چند میلی‌ثانیه به مقدار حداکثر خود می‌رسد.

در مرحله دوم، پس از رسیدن ولتاژ خازن به صفر، جریان عبوری از دیودها می‌تواند بیش از ده برابر جریان اسمی آنها شود که دستگاه‌های الکترونیکی قدرت را به شدت در معرض خطر آسیب قرار می‌دهد. در مرحله سوم، وقتی که جریان کوتاه مداری DC زیر جریان شبکه AC بیاید، شبکه AC شروع به تغذیه جریان کوتاه مداری به نقطه خطا DC می‌کند. یک خطا کوتاه مداری زمینی DC مرحله دوم را ندارد؛ در غیر این صورت، ویژگی‌های آن مشابه خطا قطب به قطب است.

در حین تغذیه جریان AC، جریان خطا عبوری از دیودها حدوداً ده برابر جریان اسمی آنها است. مسیرهای جریان برای این دو نوع خطا کوتاه مداری DC در سیستم DC انعطاف‌پذیر در شکل ۲ و شکل ۳ نشان داده شده‌اند. نصب یک R-SFCL در مسیر جریان خطا می‌تواند مقاومت حلقه کوتاه مداری را به سرعت افزایش دهد و فرصت بیشتری برای رفع خطا فراهم کند و نیازهای زمان باز شدن ذاتی و ظرفیت قطع برش‌کننده‌های DC را کاهش دهد.

۳ تحلیل شبیه‌سازی

با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی PSCAD/EMTDC، مدل توسعه یافته R-SFCL در مدل شبیه‌سازی دو سری سیستم DC انعطاف‌پذیر با ظرفیت ۷۵ MW یکپارچه شده و اعتبارسنجی شده است. عملکرد محدودکننده جریان تحت خطا کوتاه مداری قطب به قطب DC در شکل ۴ و تحت خطا کوتاه مداری خط به زمین DC در شکل ۵ نشان داده شده است. مطابق با شکل ۴ و شکل ۵، جریان خطا حداکثر با افزایش مقاومت حالت عادی کاهش می‌یابد. واضح است که مقاومت R-SFCL و جریان خطا حداکثر پس از نصب رابطه تابعی کاهشی مشخصی دارند.

برای گسترش دامنه کاربرد، مدل اصلی بر اساس سه ظرفیت سیستمی ۷۵ MW، ۱۵۰ MW و ۳۰۰ MW به تدریج مقیاس‌بندی شده است. تحت شرایط خطا کوتاه مداری قطب به قطب DC و خطا کوتاه مداری خط به زمین DC، رابطه بین مقدار مقاومت حالت عادی R-SFCL و جریان خطا حداکثر با دریافت مقدار حداکثر جریان‌های کوتاه مداری مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج در شکل ۶ و شکل ۷ نشان داده شده‌اند.

با استفاده از تابع برازش منحنی در MATLAB، منحنی‌های شکل ۶ و شکل ۷ به ترتیب برازش شده‌اند که به توابع به فرم f(x) = ae⁻ᵇˣ + c منجر شده‌اند، با پارامترهای خاصی که در جدول ۱ فهرست شده‌اند. مشتق تابع برازش شده f'(x) = -abe⁻ᵇˣ است. از جدول ۱ می‌توان دید که برای همان نوع خطا، پارامتر b تقریباً ثابت است، در حالی که پارامتر a با ظرفیت سیستم افزایش می‌یابد. چون b نسبتاً کوچک است، عبارات شیب منحنی‌ها برای همان نوع خطا تقریباً یکسان هستند.بنابراین، R-SFCL‌های با مقاومت حالت عادی یکسان نرخ تغییر یکسانی در جریان خطا حداکثر در سیستم‌های مختلف با ظرفیت‌های یکسان برای همان نوع خطا نشان می‌دهند که عملکرد محدودکننده جریان یکسانی دارند.

علاوه بر این، با افزایش خطی مقاومت حالت عادی R-SFCL، اثربخشی محدودکننده جریان به تدریج کاهش می‌یابد. بر اساس شیب منحنی‌ها در شکل ۶ و شکل ۷، محدوده بهینه مقاومت حالت عادی R-SFCL برای حداکثر کاهش نرخ جریان خطا حداکثر ۰-۱۰ Ω است.

۴ نتیجه‌گیری

نصب یک R-SFCL در سمت خروجی DC یک ایستگاه تبدیل در یک سیستم انتقال DC انعطاف‌پذیر می‌تواند به طور مؤثر جریان‌های خطا کوتاه مداری DC را کاهش دهد. با افزایش خطی مقاومت R-SFCL، اثربخشی محدودکننده جریان به تدریج کاهش می‌یابد. با توجه به وضعیت تحقیقات فعلی، هزینه‌های مهندسی و نیازهای مساحتی، پیشنهاد می‌شود که محدوده بهینه مقاومت حالت عادی R-SFCL ۰-۱۰ Ω باشد.