Estudo sobre a selección óptima de resistencias para limitadores de corrente de fallo supercondutores resistivos en sistemas de transmisión DC flexible

1 Limiter de corrente de fallo supercondutor resistivo

1.1 Principio de funcionamento

Conforme as redes eléctricas continúan expandíndose, a capacidade de curto circuito dos sistemas eléctricos nacionais está aumentando rapidamente, o que supón un desafío significativo para a construción e operación das redes. Para abordar o problema das correntes de fallo excesivas, os limitadores de corrente de fallo superconductores (SFCLs) basados en principios de superconductividad están recibindo cada vez máis atención. Dependendo das súas características de atenuación ao transicionar ao estado de alta resistencia, os SFCLs poden clasificarse en tipos resistivos e inductivos.

Dentro destes, o limitador de corrente de fallo supercondutor resistivo caracterízase por unha estrutura simple, tamaño compacto e peso reducido, cun principio de funcionamento claro. Unha vez que entra no estado de alta resistencia, a impedancia de limitación de corrente aumenta bruscamente, proporcionando unha forte capacidade de supresión da corrente de fallo. Ademais, a capacidade do dispositivo pode ser ajustada flexiblemente a través de configuracións en serie ou paralelo de superconductores. Nos últimos anos, houbo avances nos materiais superconductores a temperatura ambiente, levando tanto a academia como a industria a considerar amplamente os SFCLs resistivos como a principal dirección para o desenvolvemento futuro.

A corrente crítica, o campo magnético crítico e a temperatura crítica son parámetros físicos clave para determinar se un superconductor está no estado superconductor. Cando calquera destes parámetros excede o seu valor crítico, o superconductor transiciona do estado superconductor ao estado quenchado. O proceso de quench consiste en dúas etapas: primeiro, o estado de fluxo de fluxo, seguido polo estado resistivo normal. Cando a densidade de corrente a través do superconductor excede a súa densidade de corrente crítica, o superconductor entra no estado de fluxo de fluxo.

Onde: E é a intensidade do campo eléctrico; EC é a intensidade do campo eléctrico crítico; J é a densidade de corrente; JCT é a densidade de corrente crítica; α é unha constante; Tt1 e Tt2 son as temperaturas do superconductor aos tempos t1 e t2, respectivamente; QRS é o calor xerado pola resistencia Rs dende t1 a t2; QC é o calor intercambiado entre o superconductor e o seu entorno durante o intervalo de tempo t1–t2; Cm é a capacidade térmica específica do superconductor; JCT(77) é a densidade de corrente crítica a 77 K (77 K sendo a temperatura do ambiente de nitróxeno líquido); TC é a temperatura crítica; T é a temperatura do superconductor.

Segundo a Eq. (1), cando a densidade de corrente J aumenta, a intensidade do campo eléctrico E do superconductor aumenta rapidamente, levando a un aumento na súa resistencia. O aumento da resistencia refórza o efecto térmico, e, como se mostra na Eq. (2), a temperatura do superconductor aumenta en consecuencia.

A partir da Eq. (3), sabe-se que o aumento da temperatura reduce a densidade de corrente crítica, aumentando ainda máis a intensidade do campo eléctrico E, causando que a resistencia do superconductor creza continuamente. A medida que a resistencia aumenta, o calor xerado polo superconductor equilibra gradualmente co calor dissipado ao entorno, e a temperatura estabiliza, chegando finalmente a un estado normal de resistencia constante.

1.2 Aplicación do R-SFCL en sistemas DC flexibles

Nas transmisións DC flexibles, a corrente DC carece de cruces de cero naturais. Cando ocorre un fallo de curto circuito, a corrente de fallo aumenta rapidamente, supoñendo unha ameaza grave para o equipamento eléctrico no sistema. Para asegurar a fiabilidade do sistema, os interruptores deben isolar rápidamente a liña con fallo. Actualmente, os interruptores DC aínda non cumpriron completamente os requisitos de aplicación práctica.

Cando ocorre un fallo no lado DC, típicamente se activan os interruptores no lado AC, pero isto inevitavelmente causa o apagado da estación de conversión, e os dispositivos electrónicos de potencia poden danarse debido á sobrecorrente durante este período. A protección DC debe completar toda a secuencia de protección en poucos milisegundos, mentres que o tempo de operación máis rápido dos interruptores AC é tipicamente de 50 ms, facéndolos incapaces de proteger eficazmente os dispositivos electrónicos de potencia no sistema.

A tecnoloxía actual permite que os R-SFCLs alcancen o estado resistivo normal en aproximadamente 3 ms. O limitador de corrente de fallo supercondutor resistivo transiciona ao estado de limitación de corrente moito máis rápido que a protección por relés, e alcanza o estado de alta impedancia antes da eliminación do fallo, reducindo así eficazmente a corrente de curto circuito.

2 Características de fallos DC en sistemas DC flexibles

A localización do punto de fallo afecta só a impedancia do sistema, non á ruta de corrente ou ás características fundamentais do fallo de curto circuito. Por comodidade de modelado, o fallo colócase no punto medio da liña DC e supónse que é un curto circuito metálico. Constrúese un modelo de simulación dun sistema DC flexible de dous terminais e un modelo de R-SFCL usando PSCAD/EMTDC, cunha tensión nominal do sistema de ±110 kV e unha potencia nominal de 75 MW. A localización da instalación do R-SFCL móstrase na Fig. 1.

Cando ocorre un fallo de curto circuito DC, o IGBT detecta e bloquea inmediatamente a corrente de fallo mediante a súa función de bloqueo. No entanto, os díodos conectados en paralelo co IGBT e as liñas de transmisión forman un circuito rectificador de ponte non controlable, permitindo que a conmutación continue mesmo despois de bloquear o IGBT. Un curto circuito de polo a polo DC pode dividirse principalmente en tres etapas: a primeira etapa ocorre inmediatamente despois do fallo, durante a cal o capacitor do lado DC descarga rapidamente e a corrente DC aumenta ao seu valor máximo en poucos milisegundos.

Na segunda etapa, despois de que a tensión do capacitor cae a cero, a corrente que fluye a través dos díodos pode chegar a máis de dez veces a súa corrente nominal, facendo que os dispositivos electrónicos de potencia sexan altamente susceptibles a danos. Na terceira etapa, cando a corrente de fallo DC decréase abaixo da corrente da rede AC, a rede AC comeza a alimentar a corrente de fallo ao punto de fallo DC. Un fallo a terra DC non ten unha segunda etapa; de resto, as súas características son similares ás dun fallo de polo a polo.

Durante a alimentación de corrente AC, a corrente de fallo a través dos díodos é aproximadamente dez veces a súa corrente nominal. As rutas de corrente para estes dous tipos de fallos de curto circuito DC no sistema DC flexible ilústranse nas Fig. 2 e Fig. 3, respectivamente. Instalar un R-SFCL ao longo da ruta de corrente de fallo pode aumentar rapidamente a resistencia do lazo de curto circuito, proporcionando máis tempo para a eliminación do fallo e reducindo os requisitos sobre o tempo de apertura intrínseco e a capacidade de interrupción dos interruptores DC.

3 Análise de simulación

Usando o software de simulación PSCAD/EMTDC, o modelo de R-SFCL desenvolvido incorporouse no modelo de simulación establecido dun sistema DC flexible de dous terminais cunha capacidade de 75 MW para verificación. O rendemento de limitación de corrente baixo un fallo de polo a polo DC móstrase na Fig. 4, e o baixo un fallo de liña a terra DC na Fig. 5. Como se pode ver nas Fig. 4 e Fig. 5, a corrente de fallo máxima diminúe a medida que aumenta a resistencia no estado normal. É evidente que a resistencia do R-SFCL e a corrente de fallo máxima despois da instalación exhiben unha relación funcional decrecente.

Para ampliar o alcance de aplicación, o modelo orixinal escalouse gradualmente baseándose en tres capacidades de sistema: 75 MW, 150 MW e 300 MW. Baixo condicións de curto circuito de polo a polo DC e curto circuito de liña a terra DC, estudouse a relación entre o valor de resistencia no estado normal do R-SFCL e a corrente de fallo máxima obtendo os valores máximos das correntes de fallo. Os resultados móstranse nas Fig. 6 e Fig. 7.

Usando a función de axuste de curvas en MATLAB, as curvas nas Fig. 6 e Fig. 7 axustáronse respectivamente, resultando en expresións funcionais da forma f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, con parámetros específicos listados na Tabla 1. Diferenciando a función axustada obtense f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Da Tabla 1, pódese observar que para o mesmo tipo de fallo, o parámetro b permanece case constante, mentres que o parámetro a aumenta coa capacidade do sistema. Como b é relativamente pequeno, as expresións de pendente das curvas para o mesmo tipo de fallo son case idénticas.Por tanto, os R-SFCLs coa mesma resistencia no estado normal exhiben a mesma taxa de cambio na corrente de fallo máxima a través de diferentes capacidades do sistema para o mesmo tipo de fallo, indicando un rendemento de limitación de corrente consistente.

Ademais, a medida que a resistencia no estado normal do R-SFCL aumenta linearmente, a súa efectividade de limitación de corrente diminúe gradualmente. Basándonos nas pendentes das curvas nas Fig. 6 e Fig. 7, o rango óptimo da resistencia no estado normal do R-SFCL para maximizar a taxa de reducción da corrente de fallo máxima é de 0–10 Ω.

4 Conclusión

Instalar un R-SFCL no lado de saída DC dunha estación de conversión nun sistema de transmisión DC flexible pode reducir eficazmente as correntes de fallo de curto circuito DC. A medida que o valor de resistencia do R-SFCL aumenta linearmente, o seu efecto de limitación de corrente diminúe gradualmente. Considerando o estado actual da investigación, os custos de enxeñaría e os requisitos de área de terreo, recoméndase que o rango óptimo de resistencia no estado normal para o R-SFCL sexa de 0–10 Ω.