Pagsusuri sa Optimal na Paggamit ng Resistansiya para sa Resistive Superconducting Fault Current Limiters para sa Flexible DC Transmission Systems

1 Resistive Superconducting Fault Current Limiter

1.1 Patakaran ng Pagganap

Bilang ang mga grid ng kuryente patuloy na lumalaki, ang kakayahan sa pag-short circuit ng mga lokal na sistema ng kuryente ay mas mabilis na tumataas, na nagbibigay ng malaking hamon sa konstruksyon at operasyon ng grid. Upang tugunan ang problema ng sobrang short-circuit current, ang mga superconducting fault current limiter (SFCLs) batay sa prinsipyo ng superconductivity ay nakuha ng lalong higit na pansin. Batay sa kanilang mga katangian sa pag-dampen kapag nasa high-resistance state, ang mga SFCLs maaaring ikategorya bilang resistive at inductive.

Sa mga ito, ang resistive superconducting fault current limiter ay may simple na istraktura, kompakto, at magaan, na may malinaw na patakaran ng pagganap. Kapag nasa high-resistance state, ang kanyang current-limiting impedance ay tumaas nang mabilis, na nagbibigay ng matibay na kakayahan sa pag-suppress ng fault current. Bukod dito, ang kapasidad ng aparato maaaring ma-adjust nang flexible sa pamamagitan ng series o parallel configuration ng mga superconductor. Sa mga nakaraang taon, ang mga paglabas ng room-temperature superconducting materials ay naging sanhi upang ang resistive SFCLs ay malawakang ituring bilang pangunahing direksyon para sa hinaharap ng pag-unlad.

Ang critical current, critical magnetic field, at critical temperature ay mga pangunahing pisikal na parameter para sa pagtukoy kung ang isang superconductor ay nasa superconducting state. Kapag anuman sa mga ito ay lumampas sa kanyang critical value, ang superconductor ay lumilipat mula sa superconducting state patungo sa quenched state. Ang proseso ng quenching ay binubuo ng dalawang yugto: una, ang flux flow state, kasunod ng normal resistive state. Kapag ang current density sa pamamagitan ng superconductor ay lumampas sa kanyang critical current density, ang superconductor ay lumilipat sa flux flow state.

Kung saan: E ang lakas ng electric field; EC ang critical electric field strength; J ang current density; JCT ang critical current density; α ang constant; Tt1 at Tt2 ang temperatura ng superconductor sa oras na t1 at t2, respectively; QRS ang init na nabuo ng resistance Rs mula t1 hanggang t2; QC ang init na ipinadala sa pagitan ng superconductor at ang kanyang paligid sa panahong t1–t2; Cm ang specific heat capacity ng superconductor; JCT(77) ang critical current density sa 77 K (77 K ang temperatura ng liquid nitrogen environment); TC ang critical temperature; T ang temperatura ng superconductor.

Ayon sa Eq. (1), kapag ang current density J ay tumataas, ang lakas ng electric field E ng superconductor ay tumaas nang mabilis, na nagdudulot ng pagtaas ng kanyang resistance. Ang pagtaas ng resistance ay nagpapataas ng thermal effect, at tulad ng ipinakita sa Eq. (2), ang temperatura ng superconductor ay tumataas nang kaugnay.

Mula sa Eq. (3), alam na ang pagtaas ng temperatura ay nagbabawas ng critical current density, na nagdudulot ng mas mataas na electric field strength E, na nagpapataas ng resistance ng superconductor nang patuloy. Habang ang resistance ay tumataas, ang init na nabubuo ng superconductor ay unti-unting bumabalanse sa init na inililipat sa paligid, at ang temperatura ay nagsisistabilisa, at sa wakas ay umabot sa constant-resistance normal state.

1.2 Paggamit ng R-SFCL sa Flexible DC Systems

Sa flexible DC transmission systems, ang DC current ay walang natural na zero-crossings. Kapag nangyari ang short-circuit fault, ang fault current ay tumaas nang mabilis, na nagbibigay ng malaking banta sa electrical equipment sa sistema. Upang tiyakin ang reliabilidad ng sistema, ang mga circuit breaker ay kailangan mabilis na i-isolate ang faulted line. Sa kasalukuyan, ang mga DC circuit breaker ay hindi pa ganap na sumasapat sa praktikal na mga pangangailangan ng aplikasyon.

Kapag nangyari ang DC-side fault, karaniwang inii-trip ang AC-side breakers, ngunit ito ay hindi mapapigilan ang converter station na mag-shutdown, at ang mga power electronic devices maaaring masira dahil sa overcurrent sa panahong ito. Ang DC protection ay kailangan matapos ang buong sequence ng proteksyon sa loob ng ilang milisegundo, habang ang pinakamabilis na operating time ng AC circuit breakers ay karaniwang 50 ms, kaya sila ay hindi maaaring mabuti na maprotektahan ang mga power electronic devices sa sistema.

Ang kasalukuyang teknolohiya ay nagbibigay-daan para sa R-SFCLs na makarating sa normal resistive state sa loob ng humigit-kumulang 3 ms. Ang resistive superconducting fault current limiter ay lumilipat sa current-limiting state mas mabilis kaysa sa relay protection, at nakakamit ang high-impedance state bago ang fault clearance, na nagbibigay ng epektibong pagbawas ng short-circuit current.

2 Katangian ng DC Fault sa Flexible DC Systems

Ang lokasyon ng fault point ay nakakaapekto lamang sa system impedance, hindi sa current path o fundamental characteristics ng short-circuit fault. Para sa convenience ng pag-model, ang fault ay inilagay sa midpoint ng DC line at inasumosyon na metallic short circuit. Isinagawa ang two-terminal flexible DC system simulation model at R-SFCL model gamit ang PSCAD/EMTDC, na may system rated voltage na ±110 kV at rated power na 75 MW. Ang installation location ng R-SFCL ay ipinakita sa Fig. 1.

Kapag nangyari ang DC short-circuit fault, ang IGBT ay nadetect at agad na ibinlock sa pamamagitan ng kanyang blocking function kapag nasensya ang fault current. Gayunpaman, ang mga diode na konektado sa parallel sa IGBT at ang transmission lines ay bumubuo ng uncontrollable bridge rectifier circuit, na nagpapahintulot sa commutation na magpatuloy kahit na ang IGBT ay nabilog. Ang DC pole-to-pole short circuit maaaring bahagyang hatiin sa tatlong yugto: Ang unang yugto ay nangyayari agad pagkatapos ng fault, kung saan ang DC-side capacitor ay nag-discharge nang mabilis at ang DC current ay tumataas sa kanyang peak value sa loob ng ilang milisegundo.

Sa pangalawang yugto, pagkatapos ang capacitor voltage ay bumaba sa zero, ang current na dumadaan sa mga diode ay maaaring umabot sa higit sa sampung beses ng kanilang rated current, na nagpapahina sa mga power electronic devices. Sa pangatlong yugto, kapag ang DC short-circuit current ay bumaba sa ibaba ng AC grid current, ang AC grid ay nagsisimula na mag-feed ng short-circuit current sa DC fault point. Ang DC ground fault ay walang pangalawang yugto; ngunit sa ibang aspeto, ang kanyang mga katangian ay katulad ng pole-to-pole fault.

Sa panahon ng AC current feed-in, ang fault current na dumadaan sa mga diode ay humigit-kumulang sampung beses ng kanilang rated current. Ang mga ruta ng current para sa mga itong dalawang uri ng DC short-circuit faults sa flexible DC system ay ipinakita sa Fig. 2 at Fig. 3, respectively. Ang pag-install ng R-SFCL sa ruta ng fault current ay mabilis na nagpapataas ng resistance ng short-circuit loop, na nagbibigay ng mas maraming oras para sa fault clearance at nagbabawas ng mga requirement sa inherent opening time at interrupting capacity ng DC circuit breakers.

3 Pag-aanalisis ng Simulasyon

Gamit ang PSCAD/EMTDC simulation software, ang naimpluwentong R-SFCL model ay nilapat sa itatag na two-terminal flexible DC system simulation model na may kapasidad na 75 MW para sa verification. Ang performance sa pag-limit ng current sa ilalim ng DC pole-to-pole fault ay ipinakita sa Fig. 4, at ang iyon sa ilalim ng DC line-to-ground fault ay ipinakita sa Fig. 5. Tulad ng makikita sa Fig. 4 at Fig. 5, ang peak fault current ay bumababa habang ang normal-state resistance ay tumataas. Malinaw na ang resistance ng R-SFCL at ang peak fault current pagkatapos ng installation ay nagpapakita ng isang decaying functional relationship.

Upang palawakin ang sakop ng aplikasyon, ang orihinal na modelo ay unti-unting pinalaki batay sa tatlong sistema ng kapasidad: 75 MW, 150 MW, at 300 MW. Sa kondisyong DC pole-to-pole short circuit at DC line-to-ground short circuit, ang relasyon sa pagitan ng normal-state resistance value ng R-SFCL at peak short-circuit current ay pinag-aralan sa pamamagitan ng pagkuha ng peak values ng short-circuit currents. Ang mga resulta ay ipinakita sa Fig. 6 at Fig. 7.

Gamit ang curve-fitting function sa MATLAB, ang mga kurba sa Fig. 6 at Fig. 7 ay fitted nang respective, na nagresulta sa functional expressions ng anyo f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, na may specific parameters na nakalista sa Table 1. Ang differentiation ng fitted function ay nagresulta sa f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Mula sa Table 1, makikita na para sa parehong uri ng fault, ang parameter b ay halos constant, habang ang parameter a ay tumataas kasabay ng kapasidad ng sistema. Dahil ang b ay relatibong maliit, ang slope expressions ng mga kurba para sa parehong uri ng fault ay halos pareho.Dahil dito, ang mga R-SFCL na may parehong normal-state resistance ay nagpapakita ng parehong rate of change sa peak fault current sa iba't ibang kapasidad ng sistema para sa parehong uri ng fault, na nagpapakita ng consistent current-limiting performance.

Bukod dito, habang ang normal-state resistance ng R-SFCL ay tumataas nang linear, ang kanyang effectiveness sa pag-limit ng current ay unti-unting bumababa. Batay sa slopes ng mga kurba sa Fig. 6 at Fig. 7, ang optimal range ng normal-state resistance ng R-SFCL para sa maximum rate of reduction sa peak fault current ay 0–10 Ω.

4 Pagtatapos

Ang pag-install ng R-SFCL sa DC output side ng converter station sa flexible DC transmission system ay maaaring epektibong mabawasan ang DC short-circuit fault currents. Habang ang resistance value ng R-SFCL ay tumataas nang linear, ang kanyang current-limiting effect ay unti-unting bumababa. Kasama ang kasalukuyang estado ng pag-aaral, engineering costs, at land area requirements, inirerekomenda na ang optimal normal-state resistance range para sa R-SFCL ay 0–10 Ω.