Студија за оптимална селекција на отпорноста на отпорни супраодучни ограничители на токот при флексибилни DC преносни системи

1 Отиван резистивен суперпроводен ограничител на токот за грешки

1.1 Принцип на работа

Како што електроплесните мрежи продолжат да се разшируваат, капацитетот за кратко поврзување на домашните системи за енергија брзо се зголемува, што предизвика големи предизвици во изградбата и операцијата на мрежата. За да се реши проблемот со прекумерно високи краткочасни токови, суперпроводни ограничители на токот за грешки (SFCLs) базирани на принципите на суперпроводноста добиваат все поголемо внимание. Во зависност од нивните демпфирачки карактеристики при преминувањето во состојба со висок отпор, SFCL-тите можат да се класифицираат како резистивни и индуктивни типови.

Од овие, резистивниот суперпроводен ограничител на токот за грешки има едноставна структура, компактен размер и мал маса, со јасен принцип на работа. Кога влезе во состојба со висок отпор, неговата ограничуваща импеданса се зголемува брзо, што му дава силна способност за подолгање на токот за грешки. Поради тоа, капацитетот на уредот може да се приспособува флексибилно преку серијско или паралелно конфигурирање на суперпроводниците. Недавно, имаа напредок во материјалите за суперпроводност при собрани температури, што доведе до тоа дека академските и индустријски кругови широко ги сметаат резистивните SFCL-ти како главната насока за идната развојна линија.

Критичниот ток, критичното магнетно поле и критичната температура се клучни физички параметри за одредување дали суперпроводникот е во состојба на суперпроводност. Кога било кој од овие параметри надмине својата критична вредност, суперпроводникот преминува од состојбата на суперпроводност до состојбата на загаснување. Процесот на загаснување се состои од две фази: прво, состојбата на проток на поток, а потоа нормалната резистивна состојба. Кога густината на токот кој минува низ суперпроводникот надмине неговата критична густина на ток, суперпроводникот влегува во состојбата на проток на поток.

Каде: E е јачината на електричното поле; EC е критичната јачина на електричното поле; J е густината на токот; JCT е критичната густината на токот; α е константа; Tt1 и Tt2 се температурите на суперпроводникот во моментите t1 и t2, соодветно; QRS е топлината генерирана од отпорот Rs од t1 до t2; QC е топлината разменета помеѓу суперпроводникот и неговата околина за времето t1–t2; Cm е специфичната топлина на суперпроводникот; JCT(77) е критичната густината на токот при 77 K (77 K е температурата на околината на течната азот); TC е критичната температура; T е температурата на суперпроводникот.

Според Јд. (1), кога густината на токот J се зголемува, јачината на електричното поле E на суперпроводникот брзо се зголемува, што доведува до зголемување на неговиот отпор. Зголемениот отпор подобрува термичкиот ефект, и како што е прикажано во Јд. (2), температурата на суперпроводникот се зголемува соодветно.

Од Јд. (3) се знае дека зголемувањето на температурата намалува критичната густината на токот, што дополнително зголемува јачината на електричното поле E, што доведува до непрекинато зголемување на отпорот на суперпроводникот. Како што отпорот се зголемува, топлината генерирана од суперпроводникот постепено се изравнува со топлината испуштена во околината, и температурата се стабилизира, конечна достигнувајќи до состојба на константен отпор.

1.2 Примена на R-SFCL во флексибилни DC системи

Во флексибилни системи за префрлање на DC, DC токот нема природни нулти пресеки. Кога се случи кратко поврзување, токот за грешка брзо се зголемува, што предизвика сериозна опасност за електричните опреми во системот. За да се осигура надежноста на системот, прекинувачите мораат брзо да изолираат повредената линија. Тренутно, прекинувачите за DC не се целосно спроведени во практична примена.

Кога се случи грешка на DC страната, обично се прекинуваат прекинувачите на AC страната, но ова неизбежно доведува до завршување на работата на станцијата за префрлање, и елементите на степенот на моќ можат да бидат повредени поради прекумерен ток во овој период. DC заштитата мора да заврши целиот процес на заштита во неколку милисекунди, додека најбрзото функционирање на прекинувачите на AC е обично 50 милисекунди, што ги прави неспособни да ефективно заштитат елементите на степенот на моќ во системот.

Тековната технологија овозможува R-SFCL-тите да достигнат до нормалната резистивна состојба во приближно 3 милисекунди. Резистивниот суперпроводен ограничител на токот за грешки преминува во состојба на ограничување на токот многу брзо одколку функционира реле заштитата, и достигнува состојбата со висока импеданса пред клирингот на грешката, што ефективно го намалува краткочасниот ток.

2 Характеристики на DC грешки во флексибилни DC системи

Локацијата на точката на грешка влија само на импедансата на системот, а не на патеката на токот или основните карактеристики на краткочасната грешка. За удобност на моделирање, грешката се поставува на средината на DC линијата и се претпоставува дека е метална кратка поврзувања. Се гради моделирање на двострана флексибилна DC система и модел на R-SFCL користејќи PSCAD/EMTDC, со системска номинална напонска вредност од ±110 kV и номинална моќ од 75 MW. Локацијата на инсталацијата на R-SFCL е прикажана на Слика 1.

Кога се случи DC кратка поврзувања, IGBT-тот се детектира и одмах се блокира преку неговата функција за блокирање кога се сензира токот за грешки. Меѓутоа, диодите поврзани паралелно со IGBT-тот и преносните линии формираат неконтролирана мостова правоугулна опрема, што овозможува комутацијата да продолжи и по блокирањето на IGBT-тот. DC пол-до-пол кратка поврзувања може главно да се подели на три фази: Првата фаза се случува одмах следе грешката, кога DC-то капацитет брзо се исцедува и DC-тиот ток се зголемува до својата врвна вредност во неколку милисекунди.

Во втората фаза, кога напонот на капацитетот се понизи до нула, токот кој протекува низ диодите може да достигне повеќе од десет пати нивната номинална вредност, што ги прави елементите на степенот на моќ врло чувствителни на повреди. Во третата фаза, кога DC-тиот ток за грешки се понизи под токот на AC мрежата, AC мрежата почнува да федира ток за грешки во DC точката на грешка. DC грешка на земјата нема втора фаза; во друг случај, нивните карактеристики се слични на онев на пол-до-пол грешка.

Покрај токот на AC, токот за грешки кој протекува низ диодите е приближно десет пати нивната номинална вредност. Патеките на токот за овие два типа на DC кратки поврзувања во флексибилниот DC систем се прикажани на Слика 2 и Слика 3, соодветно. Инсталацијата на R-SFCL врз патеката на токот за грешки може брзо да го зголеми отпорот на краткочасната петлица, што овозможува повеќе време за клиринг на грешката и намалување на барањето за вграденото време за отварање и прекинувачка моќ на DC прекинувачите.

3 Анализа на симулација

Користејќи софтверот за симулација PSCAD/EMTDC, развиениот модел на R-SFCL се интегрира во веќе постојечкиот модел за симулација на двострана флексибилна DC система со моќ од 75 MW за верификација. Барањето на ограничување на токот при DC пол-до-пол грешка е прикажано на Слика 4, а тоа при DC линија-до-земја грешка е прикажано на Слика 5. Како што може да се види од Слика 4 и Слика 5, врвниот ток за грешки се намалува како што се зголемува отпорот во нормалната состојба. Јасно е дека отпорот на R-SFCL-тот и врвниот ток за грешки по инсталација покажуваат одредена функционална врска со намалување.

За да се прошират областа на примената, оригиналниот модел се постепено зголемуваше на основа на три системски капацитети: 75 MW, 150 MW и 300 MW. Под услови на DC пол-до-пол кратка поврзувања и DC линија-до-земја кратка поврзувања, се истражувала врската помеѓу вредноста на отпорот во нормалната состојба на R-SFCL-тот и врвниот краткочасен ток, добивајќи врвните вредности на краткочасните токови. Резултатите се прикажани на Слика 6 и Слика 7.

Користејќи функцијата за криволиниско прилагодување во MATLAB, кривите на Слика 6 и Слика 7 се прилагодени соодветно, што резултираше во функционални изрази во формата f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, со конкретни параметри прикажани во Табела 1. Диференцирањето на прилагодениот функционален израз дава f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Од Табела 1 може да се забележи дека за истиот тип на грешка, параметарот b останува приближно константен, додека параметарот a се зголемува со системскиот капацитет. Бидејќи b е релативно мал, изразите за наклонот на кривите за истиот тип на грешка се приближно исти.Значи, R-SFCL-тите со истиот отпор во нормалната состојба покажуваат истиот процент на промена во врвниот ток за грешки за различни системски капацитети за истиот тип на грешка, што указува на константна ефикасност на ограничување на токот.

Поради тоа, како што отпорот во нормалната состојба на R-SFCL-тот се зголемува линеарно, неговата ефикасност во ограничување на токот се намалува постепено. На основа на наклоните на кривите на Слика 6 и Слика 7, оптималниот опсег на отпорот во нормалната состојба на R-SFCL-тот за максимално намалување на врвниот ток за грешки е 0–10 Ω.

4 Заклучок

Инсталацијата на R-SFCL на DC излезната страна на станцијата за префрлање во флексибилниот DC систем за префрлање може ефективно да го намали DC-тиот краткочасен ток за грешки. Како што отпорот на R-SFCL-тот се зголемува линеарно, неговата ефикасност во ограничување на токот се намалува постепено. Земајќи ги во предвид тековните истражувања, инженерскиот кошт и барањето за површина, препорачува се оптималниот опсег на отпорот во нормалната состојба на R-SFCL-тот да биде 0–10 Ω.