Joustavan HVDC-siirtojärjestelmän vastuskytkentäisien superjohtavien sijaintivirranrajoittimien optimia vastuksen valintaan liittyvä tutkimus

1 Vastustava superjohdinvirranrajoitin

1.1 Toimintaperiaate

Kun sähköverkot jatkavat laajentumistaan, kotimaisten sähköjärjestelmien lyhytsulkuvarmuus kasvaa nopeasti, mikä aiheuttaa huomattavia haasteita verkkojen rakentamiselle ja toiminnalle. Liian suurelle lyhytsulkuvarmuudelle on löydetty ratkaisu superjohdinperusteisissa virranrajoitteissa (SFCL), jotka perustuvat superjohdinnelmiin. SFCL:t voidaan luokitella vastustavaksi ja induktiiviseksi tyypiksi niiden vaimennusominaisuuksien mukaan siirtymässä korkeavastuutilaan.

Vastustava superjohdinvirranrajoitin on yksinkertainen, kompakti ja kevyt, ja sen toimintaperiaate on selkeä. Kun se siirtyy korkeavastuutilaan, sen rajoittavavastus kasvaa jyrkästi, tarjoten voimakasta virranrajoituskykyä. Lisäksi laitteen kapasiteettia voidaan joustavasti säätää superjohdinteiden sarja- tai rinnakkaissijoituksen avulla. Viime vuosina huipputiedostut superjohdinvaihtoehdot ovat tehneet akateemisen ja teollisen tutkimuksen katsomaan vastustavan SFCL:n tulevaisuuden kehityssuunnaksi.

Kriittinen virta, kriittinen magneettikenttä ja kriittinen lämpötila ovat keskeisiä fysikaalisia parametreja, jotka määrittelevät, onko superjohdinpätkä superjohtavassa tilassa. Kun näistä parametreista jokin ylittää kriittisen arvonsa, superjohdinpätkä siirtyy superjohtavasta tilasta sammutustilaan. Sammutusprosessi koostuu kahdesta vaiheesta: ensin fluxin virtausvaihe, jota seuraa normaali vastuutila. Kun superjohdinta kulkee läpi olevan virttiheyden arvo ylittää kriittisen virttiheyden, superjohdinpätkä siirtyy fluxin virtausvaiheeseen.

Missä: E on sähkökentän voimakkuus; EC on kriittinen sähkökentän voimakkuus; J on virttiheys; JCT on kriittinen virttiheys; α on vakio; Tt1 ja Tt2 ovat superjohdinpätkän lämpötilat aikojen t1 ja t2; QRS on vastuun Rs tuottama lämpö t1:stä t2:een; QC on superjohdinpätkän ja sen ympäristön välillä tapahtuva lämmönvaihto ajanjakson t1–t2 aikana; Cm on superjohdinpätkän ominaislämpökapasiteetti; JCT(77) on kriittinen virttiheys 77 K:ssa (77 K on nestemäisen typin lämpötila); TC on kriittinen lämpötila; T on superjohdinpätkän lämpötila.

Yhtälön (1) mukaan, kun virttiheys J kasvaa, superjohdinnan sähkökentän voimakkuus E nousee nopeasti, mikä johtaa vastuun kasvuun. Kasvava vastus lisää lämpötehoa, ja kuten yhtälö (2) osoittaa, superjohdinpätkän lämpötila nousee vastaavasti.

Yhtälöstä (3) tiedetään, että lämpötilan nousu pienentää kriittistä virttiheyttä, mikä edelleen kasvattaa sähkökentän voimakkuutta E, mikä taas kasvattaa superjohdinnan vastusta jatkuvasti. Kun vastus kasvaa, superjohdinnan tuottama lämpö tasapainoo lopulta lämpön häviölle ympäristöön, ja lämpötila stabilisoituu, saavuttaen lopulta vakiovastuun normaalin tilan.

1.2 R-SFCL:n soveltaminen joustaviin HVDC-järjestelmiin

Joustavissa HVDC-siirtojärjestelmissä HVDC-virta ei omaa luonnollisia nollakohtia. Kun lyhytsulkupetri tapahtuu, petrivirta nousee nopeasti, mikä aiheuttaa vakavan uhan järjestelmän sähkölaitteille. Jotta varmistetaan järjestelmän luotettavuus, kytkimet täytyy eristää nopeasti petriviivan. Nykyisin HVDC-kytkimet eivät ole vielä täysin käytännön vaatimuksiin perehtyneitä.

HVDC-puolen petrin tapahtuessa AC-puolen kytkimet poistetaan usein, mutta tämä aiheuttaa muuntajan lopettamisen, ja sähkölaitteet voivat vaurioitua liian suuresta virtasta. HVDC-suojus on toteutettava koko suojusjärjestely muutamassa millisekunnissa, kun taas nopeimman AC-kytkimen toiminta-aika on yleensä noin 50 ms, mikä tekee niistä tehottomia sähkölaitteiden suojelemiseen järjestelmässä.

Nykyinen teknologia mahdollistaa R-SFCL:n siirtymisen normaalivastuutilaan noin 3 ms:n kuluessa. Vastustava superjohdinpetrivirtarajoitin siirtyy nopeammin kuin suojusrelé toimii, ja saavuttaa korkeavastuutilan ennen petrin poistamista, mikä tehokkaasti vähentää lyhytsulkupetrisvirtaa.

2 HVDC-petrin ominaisuudet joustavissa HVDC-järjestelmissä

Petrilohkon sijainti vaikuttaa vain järjestelmän impedanssiin, ei virtareittiin tai lyhytsulkupetrin perusominaisuuksiin. Simulaatioiden helpottamiseksi petri asetetaan HVDC-viivan keskipisteeseen ja oletetaan metallinen lyhytsulku. Kaksipisteen joustava HVDC-järjestelmän simulaatiomalli ja R-SFCL-malli on rakennettu PSCAD/EMTDC:llä, järjestelmän nimellisjännitteellä ±110 kV ja nimellisteholla 75 MW. R-SFCL:n asennussijainti on kuvassa 1.

Kun HVDC-lyhytsulkupetri tapahtuu, IGBT havaitsee ja estää välittömästi petrivirtaa tunnistuessaan. Kuitenkin diodit, jotka on yhdistetty rinnakkaan IGBT:hen, ja siirtoviivat muodostavat hallitsemattoman silmukkarätistin, joka sallii kommutoinnin jatkuvaan IGBT:n estämisen jälkeen. HVDC-puoli-puoli lyhytsulkupetri voidaan pääasiassa jakaa kolmeen vaiheeseen: Ensimmäinen vaihe tapahtuu heti petrin jälkeen, jolloin HVDC-puolen kondensaattori purkautuu nopeasti ja HVDC-virta nousee huippuarvoonsa muutamassa millisekunnissa.

Toisessa vaiheessa, kun kondensaattorin jännite laskee nollaan, diodeihin kulkeva virta voi nousta yli kymmenkertaiseksi niiden nimellisestä arvosta, mikä tekee sähkölaitteista alttiita vaurioitumiselle. Kolmannessa vaiheessa, kun HVDC-lyhytsulkuvirta laskee alle AC-verkon virtan, AC-verkko alkaa syöttää lyhytsulkuvirtaa HVDC-petrin paikkaan. HVDC-maapetri ei sisällä toista vaihetta; muuten sen ominaisuudet ovat samankaltaiset puoli-puoli-petrin kanssa.

AC-virtasyötteessä diodeihin kulkeva virta on noin kymmenkertainen niiden nimelliselle arvolle. Nämä kaksi HVDC-lyhytsulkupetrityyppiä joustavassa HVDC-järjestelmässä on kuvattu kuvissa 2 ja 3. R-SFCL:n asentaminen petrivirtareittiin voi nopeasti lisätä lyhytsulkusilmukan vastusta, tarjoten enemmän aikaa petrin poistamiseen ja vähentäen HVDC-kytkimien sisäisen avaustun ja katkaisukapasiteetin vaatimuksia.

3 Simulointianalyysi

PSCAD/EMTDC-simulaatioohjelmistolla kehitetty R-SFCL-malli on integroitu kaksipisteen joustavaan HVDC-järjestelmän simulaatiomalliin, jonka kapasiteetti on 75 MW, verifikaationa. HVDC-puoli-puoli lyhytsulkupetrin rajoituskyky on kuvassa 4, ja HVDC-viiva-maapetrin rajoituskyky on kuvassa 5. Kuvista 4 ja 5 nähdään, että huippupetrivirta laskee normaalivastuun kasvaessa. On ilmeistä, että R-SFCL:n vastus ja huippupetrivirta sen asentamisen jälkeen näyttävät tietyltä vähenemisfunktiolta.

Sovellusalan laajentamiseksi alkuperäinen malli on asteittain skaalattu kolmen järjestelmän kapasiteetin mukaan: 75 MW, 150 MW ja 300 MW. HVDC-puoli-puoli lyhytsulkun ja HVDC-viiva-maapetrin olosuhteissa on tutkittu R-SFCL:n normaalivastuun ja huippulyhytsulkuvirran välisen suhteen saamalla huippulyhytsulkuvirrat. Tulokset on kuvissa 6 ja 7.

MATLABin käyräsovittamisfunktiolla kuvien 6 ja 7 käyrät on sovitettu muotoon f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, jossa erityiset parametrit on listattu taulukossa 1. Sositetyn funktion derivointi antaa f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Taulukosta 1 voidaan huomata, että saman petrityypin käsittelyn parametri b pysyy melko vakiona, kun taas parametri a kasvaa järjestelmän kapasiteetin mukaan. Koska b on suhteellisen pieni, käyrien kulmakertoimet saman petrityypin käsittelyssä ovat melkein samat.Näin ollen saman normaalivastuun R-SFCL:t näyttävät samanlaiselta huippupetrivirran muuttumisnopeudelta eri järjestelmien kapasiteeteilla saman petrityypin käsittelyssä, mikä osoittaa yhdenmukaista rajoituskykyä.

Lisäksi, kun R-SFCL:n normaalivastus kasvaa lineaarisesti, sen rajoitusvaikutus heikkenee asteittain. Käyrien kulmakertoimien perusteella kuvissa 6 ja 7 R-SFCL:n optimialue normaalivastuulle huippupetrivirran vähentämisen nopeuden maksimoimiseksi on 0–10 Ω.

4 Johtopäätös

R-SFCL:n asentaminen muuntamolaitoksen HVDC-ulostulolle joustavassa HVDC-siirtojärjestelmässä voi tehokkaasti vähentää HVDC-lyhytsulkuvirtoja. Kun R-SFCL:n vastus arvo kasvaa lineaarisesti, sen rajoitusvaikutus heikkenee asteittain. Nykyisen tutkimustilanteen, tekniikan kustannusten ja maapinta-alan vaatimusten huomioon ottaen suositellaan, että R-SFCL:n optimialue normaalivastuulle olisi 0–10 Ω.