Studija o optimalnom odabiru otpora otpornih nadprovodnih ograničitelja strujnih grešaka za sustave fleksibilne DC prijenosa

1 Otpornički superprovodni ograničitelj strujnog preopterećenja

1.1 Način rada

S obzirom na kontinuirano širenje mreža snage, kapacitet kratkoslovnih struja unutarnjih sustava snage brzo raste, što predstavlja značajne izazove za građevinsko i operativno područje. Da bi se riješio problem prekomjernih kratkoslovnih struja, superprovodni ograničitelji strujnog preopterećenja (SFCL) temeljeni na principima superprovodnosti privlače sve veću pažnju. Prema svojoj karakteristici prigušivanja tijekom prijelaza u stanje visokog otpora, SFCL se mogu klasificirati kao otpornički i induktivni tipovi.

Među njima, otpornički superprovodni ograničitelj strujnog preopterećenja ima jednostavnu konstrukciju, kompaktnu veličinu i malu težinu, s jasnim načinom rada. Kada prelazi u stanje visokog otpora, njegov ograničujući impedans se brzo povećava, omogućujući snažnu sposobnost potiskivanja struje preopterećenja. Također, kapacitet uređaja može se fleksibilno prilagoditi kroz serijalne ili paralelne konfiguracije superprovodnika. U posljednjih godina, napredak u materijalima za superprovodnost pri sobnoj temperaturi doveo je do toga da se i akademski i industrijski krugovi široko smatraju otporničkim SFCL-ovima primarnim smjerom budućeg razvoja.

Kritična struja, kritično magnetsko polje i kritična temperatura su ključni fizički parametri za određivanje je li superprovodnik u stanju superprovodnosti. Kada bilo koji od ovih parametara prelazi svoju kritičnu vrijednost, superprovodnik prelazi iz stanja superprovodnosti u stanje ugase. Proces ugase sastoji se od dvije faze: najprije faza protoka fluksa, zatim normalno otporničko stanje. Kada gustoća struje koja prođe kroz superprovodnik prelazi njegovu kritičnu gustoću struje, superprovodnik ulazi u fazu protoka fluksa.

Gdje: E je jačina električnog polja; EC je kritična jačina električnog polja; J je gustoća struje; JCT je kritična gustoća struje; α je konstanta; Tt1 i Tt2 su temperature superprovodnika u trenucima t1 i t2, redom; QRS je toplina generirana otporom Rs od t1 do t2; QC je razmjena topline između superprovodnika i okoline tijekom vremenskog intervala t1–t2; Cm je specifična toplotna kapacitancija superprovodnika; JCT(77) je kritična gustoća struje na 77 K (77 K je temperatura okoline cistog azota); TC je kritična temperatura; T je temperatura superprovodnika.

Prema jednadžbi (1), kada gustoća struje J poraste, jačina električnog polja E superprovodnika brzo raste, što dovodi do povećanja njegovog otpora. Povećan otpor jača toplinski efekt, a prema jednadžbi (2), temperatura superprovodnika se odgovarajuće povećava.

Iz jednadžbe (3) znamo da porast temperature smanjuje kritičnu gustoću struje, što dalje povećava jačinu električnog polja E, uzrokujući kontinuirani rast otpora superprovodnika. Kako otpor raste, toplina generirana superprovodnikom postepeno doseže ravnotežu s toplinom rasipanom u okoliš, a temperatura se stabilizira, stvarajući konstantno-otporničko normalno stanje.

1.2 Primjena R-SFCL-a u fleksibilnim DC sustavima

U fleksibilnim DC prijenosnim sustavima, DC struja nema prirodne nultočke. Kada se dogodi kratkoslovni propust, struja preopterećenja brzo raste, predstavljajući ozbiljan opasnost za električne uređaje u sustavu. Da bi se osigurala pouzdanost sustava, prekidači moraju brzo izolirati oštećenu liniju. Trenutno, DC prekidači još nisu u potpunosti zadovoljili zahtjeve praktične upotrebe.

Kada se dogodi propust na DC strani, obično se isključuju prekidači na AC strani, ali to neizbježno dovodi do zaustavljanja pretvaračke stanice, a elektronički uređaji možda oštetit će se zbog prekomjerne struje tijekom tog perioda. DC zaštita mora dovršiti cijeli zaštitni proces u nekoliko milisekundi, dok je najbrža radna vrijeme AC prekidača obično 50 ms, što ih čini neefikasnim za zaštitu elektroničkih uređaja u sustavu.

Tehnologija trenutno omogućuje R-SFCL-ovima da dostignu normalno otporničko stanje unutar otprilike 3 ms. Otpornički superprovodni ograničitelj strujnog preopterećenja prelazi u stanje ograničavanja struje puno brže nego reljefna zaštita, i postiže stanje visokog impedansa prije otklanjanja propusta, time efikasno smanjujući struju preopterećenja.

2 Karakteristike DC propusta u fleksibilnim DC sustavima

Lokacija točke propusta utječe samo na impedans sustava, a ne na putanju struje ili fundamentalne karakteristike kratkoslovnog propusta. Radi modeliranja, propust se postavlja na sredini DC linije i pretpostavlja se da je metalički kratkoslovni propust. Model simulacije dvokrajnog fleksibilnog DC sustava i model R-SFCL-a izgrađeni su pomoću PSCAD/EMTDC, s nominalnom naprezanjem sustava od ±110 kV i nominalnom snage od 75 MW. Lokacija instalacije R-SFCL-a prikazana je na Slici 1.

Kada se dogodi DC kratkoslovni propust, IGBT detektira i odmah blokira kroz svoju funkciju blokiranja kad oseti struju propusta. Međutim, diode spojene paralelno s IGBT-om i prijenosne linije formiraju nekontrolirani most rectifikacije, omogućujući nastavak komutacije čak i nakon blokiranja IGBT-a. DC pole-to-pole kratkoslovni propust se može glavno podijeliti u tri faze: Prva faza se događa odmah nakon propusta, tijekom koje se DC kondenzator brzo ispražnjava, a DC struja raste do svoje vrhunskog vrijednosti unutar nekoliko milisekundi.

U drugoj fazi, nakon što pada napona kondenzatora na nulu, struja koja prođe kroz diode može doseći više od deset puta njihovu nominalnu struju, čime elektronički uređaji postaju vrlo osetljivi na oštećenje. U trećoj fazi, kada DC struja preopterećenja opada ispod struje AC mreže, AC mreža počinje slati struju preopterećenja u točku DC propusta. DC zemljni propust nema drugu fazu; inače, njegove karakteristike su slične karakteristikama pole-to-pole propusta.

Tijekom unosa AC struje, struja koja prođe kroz diode iznosi približno deset puta njihovu nominalnu struju. Putanje struje za ove dva tipa DC kratkoslovnih propusta u fleksibilnom DC sustavu prikazane su na Slici 2 i Slici 3, redom. Instalacija R-SFCL-a duž putanje struje propusta može brzo povećati otpor petlje preopterećenja, pružajući više vremena za otklanjanje propusta i smanjujući zahtjeve na vlastito vremensko otvaranje i prekidnu kapacitet DC prekidača.

3 Analiza simulacije

Korištenjem softvera za simulaciju PSCAD/EMTDC, razvijeni model R-SFCL-a integriran je u postavljeni model simulacije dvokrajnog fleksibilnog DC sustava s kapacitetom od 75 MW za provjeru. Performanse ograničavanja struje kod DC pole-to-pole propusta prikazane su na Slici 4, a kod DC line-to-ground propusta na Slici 5. Kao što se može vidjeti na Slici 4 i Slici 5, vrhunska struja propusta smanjuje se kako normalni otpor raste. Jasno je da postoji određena funkcionalna veza između otpora R-SFCL-a i vrhunske struje propusta nakon instalacije.

Da bi se proširila primjena, originalni model je postupno skalirao na temelju tri sustava kapaciteta: 75 MW, 150 MW i 300 MW. Pod uvjetima DC pole-to-pole kratkoslovnog propusta i DC line-to-ground kratkoslovnog propusta, proučavana je veza između vrijednosti normalnog otpora R-SFCL-a i vrhunske struje preopterećenja dobivanjem vrhunskih vrijednosti struja preopterećenja. Rezultati prikazani su na Slici 6 i Slici 7.

Korištenjem funkcije prilagođavanja krivulja u MATLAB-u, krivulje na Slici 6 i Slici 7 su prilagođene, rezultirajući funkcionalnim izrazima oblika f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, s posebnim parametrima navedenim u Tablici 1. Diferenciranjem prilagođene funkcije dobiva se f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Iz Tablice 1 može se uočiti da za isti tip propusta, parametar b ostaje gotovo konstantan, dok parametar a raste s kapacitetom sustava. Budući da je b relativno mali, izrazi nagiba krivulja za isti tip propusta su skoro identični.Stoga, R-SFCL-ovi s istim normalnim otporom pokazuju istu stopu promjene vrhunske struje propusta na različitim kapacitetima sustava za isti tip propusta, što ukazuje na konzistentnu performansu ograničavanja struje.

Dodatno, kako se normalni otpor R-SFCL-a linearno povećava, njegova učinkovitost ograničavanja struje postepeno opada. Na temelju nagiba krivulja na Slici 6 i Slici 7, optimalni raspon normalnog otpora R-SFCL-a za maksimalnu stopu smanjenja vrhunske struje propusta je 0–10 Ω.

4 Zaključak

Instalacija R-SFCL-a na DC izlaznoj strani pretvaračke stanice u fleksibilnom DC prijenosnom sustavu može efikasno smanjiti DC struje preopterećenja. Kako se vrijednost otpora R-SFCL-a linearno povećava, njegova učinkovitost ograničavanja struje postepeno opada. Uzimajući u obzir trenutno stanje istraživanja, inženjerske troškove i zahtjeve za površinom, preporučuje se da optimalni raspon normalnog otpora R-SFCL-a bude 0–10 Ω.