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柔軟直流送電システム用抵抗性超伝導故障電流制限器の最適抵抗選択に関する研究

James
James
フィールド: 電気操作
China

1 抵抗性超導故障電流制限器

1.1 動作原理

電力網の規模が拡大するにつれて、国内の電力システムの短絡容量は急速に増加しており、電力網の建設と運転に大きな課題をもたらしています。過大な短絡電流の問題に対処するために、超伝導原理に基づく超伝導故障電流制限器(SFCL)が注目されています。高抵抗状態への遷移時の減衰特性によって、SFCLは抵抗型と誘導型に分類されます。

これらのうち、抵抗型超伝導故障電流制限器は構造が単純で、コンパクトかつ軽量であり、動作原理が明確です。高抵抗状態に入ると、その電流制限インピーダンスは急激に上昇し、強力な故障電流抑制能力を提供します。さらに、超伝導体の直列または並列接続により、装置の容量を柔軟に調整することができます。近年、常温超伝導材料に関するブレイクスルーが見られ、学術界と産業界では抵抗型SFCLが将来の主要な開発方向であると広く認識されています。

臨界電流、臨界磁場、および臨界温度は、超伝導体が超伝導状態にあるかどうかを決定する重要な物理パラメータです。これらのパラメータのいずれかが臨界値を超えると、超伝導体は超伝導状態からクエンチ状態へと遷移します。クエンチ過程は2つの段階から成り立っており、まずフラックスフローステート、次に通常抵抗状態となります。超伝導体を通る電流密度がその臨界電流密度を超えると、超伝導体はフラックスフローステートに入ります。

ただし:Eは電場強度;ECは臨界電場強度;Jは電流密度;JCTは臨界電流密度;αは定数;Tt1とTt2はそれぞれ時刻t1とt2における超伝導体の温度;QRSは時刻t1からt2までの間に抵抗Rsによって生成される熱;QCは時刻t1からt2までの間に超伝導体とその周囲環境との間で交換される熱;Cmは超伝導体の比熱容量;JCT(77)は77K(液体窒素環境の温度)における臨界電流密度;TCは臨界温度;Tは超伝導体の温度。

式(1)によれば、電流密度Jが増加すると、超伝導体の電場強度Eが急速に上昇し、それにより抵抗が増大します。抵抗の増大は熱効果を強化し、式(2)に示すように、超伝導体の温度が上昇します。

式(3)から、温度の上昇が臨界電流密度を減少させ、これにより電場強度Eがさらに増大し、超伝導体の抵抗が継続的に増大することがわかります。抵抗が増大すると、超伝導体によって生成される熱が周囲に放出される熱と徐々に平衡を保ち、温度は安定し、最終的に一定抵抗の通常状態に達します。

1.2 R-SFCLの柔軟な直流システムへの応用

柔軟な直流送電システムでは、直流電流には自然なゼロクロスがありません。一度短絡障害が発生すると、障害電流は急速に上昇し、システム内の電気機器に深刻な脅威をもたらします。システムの信頼性を確保するために、回路遮断器は障害線を迅速に隔離する必要があります。現在、直流回路遮断器はまだ実用的な要件を完全に満たしていません。

直流側の障害が発生した場合、通常は交流側の遮断器がトリップされますが、これは必然的に変換所の停止を引き起こし、この期間中に電力電子デバイスが過電流により損傷する可能性があります。直流保護は通常数ミリ秒以内に全体の保護シーケンスを完了しなければなりませんが、最も速い交流回路遮断器の動作時間は通常50ミリ秒であり、これがシステム内の電力電子デバイスを有効に保護することはできません。

現在の技術により、R-SFCLは約3ミリ秒以内に通常抵抗状態に到達することができます。抵抗型超伝導故障電流制限器は、リレー保護よりもはるかに早く電流制限状態に遷移し、障害除去前に高インピーダンス状態に達することで、短絡電流を効果的に低減します。

2 柔軟な直流システムにおける直流障害特性

障害点の位置は、システムのインピーダンスに影響を与えるのみで、電流経路や短絡障害の基本的な特性には影響しません。モデル化の便宜上、障害は直流線路の中点に配置され、金属短絡と仮定します。PSCAD/EMTDCを使用して二端子柔軟直流システムシミュレーションモデルとR-SFCLモデルを構築し、システムの額定電圧は±110kV、額定出力は75MWです。R-SFCLの設置位置は図1に示されています。

直流短絡障害が発生すると、IGBTは障害電流を検出し、そのブロック機能によりすぐにブロックされます。しかし、IGBTと並列に接続されたダイオードと送電線は制御不能な整流回路を形成し、IGBTがブロックされた後でも換流が続きます。直流極間短絡は主に3つの段階に分けられます。第一段階は障害直後で、直流側のキャパシタが急速に放電し、直流電流が数ミリ秒以内にピーク値に達します。

第二段階では、キャパシタ電圧がゼロに下がった後、ダイオードを通る電流はその定格電流の10倍以上に達し、電力電子デバイスが過電流により損傷しやすい状態になります。第三段階では、直流短絡電流が交流グリッド電流以下に減少すると、交流グリッドが直流障害点に短絡電流を供給し始めます。直流接地障害は第二段階を持たないが、その他の特性は極間障害と似ています。

交流電流の供給中、ダイオードを通る障害電流は約10倍の定格電流です。これらの2種類の直流短絡障害の電流経路は、それぞれ図2と図3に示されています。障害電流経路上にR-SFCLを設置することで、短絡ループの抵抗を急速に増加させることができ、障害除去の時間を長くし、直流回路遮断器の固有の開放時間と切断容量の要件を低減することができます。

3 シミュレーション分析

PSCAD/EMTDCシミュレーションソフトウェアを使用して、開発されたR-SFCLモデルを75MWの二端子柔軟直流システムシミュレーションモデルに組み込んで検証しました。直流極間障害下での電流制限性能は図4に、直流線対地障害下での電流制限性能は図5に示されています。図4と図5から、通常状態の抵抗が増加すると障害電流のピーク値が減少することがわかります。R-SFCLの抵抗と設置後の障害電流のピーク値には一定の減衰関数関係があることが明らかです。

適用範囲を広げるために、元のモデルを75MW、150MW、300MWの3つのシステム容量に基づいて徐々にスケールアップしました。直流極間短絡および直流線対地短絡の条件下で、R-SFCLの通常状態の抵抗値と短絡電流のピーク値の関係を研究し、短絡電流のピーク値を得ました。結果は図6と図7に示されています。

MATLABの曲線フィッティング機能を使用して、図6と図7の曲線をそれぞれフィッティングし、f(x) = ae⁻ᵇˣ + cという形式の関数表現を得ました。具体的なパラメータは表1にリストされています。フィッティングされた関数を微分すると、f'(x) = -abe⁻ᵇˣとなります。表1から、同じ障害タイプに対してパラメータbはほぼ一定であり、パラメータaはシステム容量とともに増加することがわかります。bが比較的小さいため、同じ障害タイプの曲線の傾き表現はほぼ同一です。したがって、同じ通常状態の抵抗を持つR-SFCLは、同じ障害タイプに対する異なるシステム容量で障害電流のピーク値の変化率が一致し、一貫した電流制限性能を示します。

さらに、R-SFCLの通常状態の抵抗が線形に増加すると、その電流制限効果は徐々に低下します。図6と図7の曲線の傾きに基づいて、障害電流のピーク値の減少率を最大化するためのR-SFCLの通常状態の抵抗の最適範囲は0〜10Ωです。

4 結論

柔軟直流送電システムの変換所の直流出力側にR-SFCLを設置することで、直流短絡障害電流を効果的に低減することができます。R-SFCLの抵抗値が線形に増加すると、その電流制限効果は徐々に低下します。現状の研究、工事費用、土地面積の要件を考慮すると、R-SFCLの最適な通常状態の抵抗範囲は0〜10Ωであることが推奨されます。

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