Kajian Pilihan Rintangan Optimum bagi Pembatas Arus Kerosakan Superkonduktor Resistif untuk Sistem Penghantaran DC Fleksibel

1 Pembatas Arus Kerosakan Superkonduktor Resistif

1.1 Prinsip Operasi

Dengan peningkatan skala grid tenaga, kapasiti korsotan pendek sistem tenaga domestik meningkat dengan cepat, menimbulkan cabaran yang signifikan kepada pembinaan dan operasi grid. Untuk mengatasi masalah arus korsotan yang berlebihan, pembatas arus kerosakan superkonduktor (SFCL) berdasarkan prinsip superkonduktiviti menerima perhatian yang semakin meningkat. Bergantung pada ciri pemendamannya apabila beralih ke keadaan rintangan tinggi, SFCL boleh diklasifikasikan menjadi jenis resistif dan induktif.

Di antaranya, pembatas arus kerosakan superkonduktor resistif mempunyai struktur yang mudah, saiz yang padat, dan berat yang ringan, dengan prinsip operasi yang jelas. Apabila ia beralih ke keadaan rintangan tinggi, rintangan had arusnya meningkat dengan tiba-tiba, memberikan kemampuan penghambatan arus kerosakan yang kuat. Selain itu, kapasiti peranti boleh disesuaikan secara fleksibel melalui konfigurasi siri atau selari superkonduktor. Dalam beberapa tahun terakhir, terdapat penemuan dalam bahan superkonduktor suhu bilik, menyebabkan kedua-dua akademik dan industri melihat pembatas arus superkonduktor resistif sebagai arah utama untuk perkembangan masa depan.

Arus kritis, medan magnet kritis, dan suhu kritis adalah parameter fizikal penting untuk menentukan sama ada superkonduktor berada dalam keadaan superkonduktiv. Apabila mana-mana parameter ini melebihi nilai kritisnya, superkonduktor beralih dari keadaan superkonduktiv ke keadaan quenched. Proses quenching terdiri daripada dua tahap: pertama, keadaan aliran fluks, diikuti oleh keadaan resistif biasa. Apabila ketumpatan arus melalui superkonduktor melebihi ketumpatan arus kritisnya, superkonduktor beralih ke keadaan aliran fluks.

Di mana: E adalah kekuatan medan elektrik; EC adalah kekuatan medan elektrik kritis; J adalah ketumpatan arus; JCT adalah ketumpatan arus kritis; α adalah pemalar; Tt1 dan Tt2 adalah suhu superkonduktor pada masa t1 dan t2, masing-masing; QRS adalah haba yang dihasilkan oleh rintangan Rs dari t1 hingga t2; QC adalah haba yang ditukar antara superkonduktor dan persekitarannya selama selang masa t1–t2; Cm adalah kapasiti haba spesifik superkonduktor; JCT(77) adalah ketumpatan arus kritis pada 77 K (77 K adalah suhu persekitaran nitrogen cecair); TC adalah suhu kritis; T adalah suhu superkonduktor.

Berdasarkan Persamaan (1), apabila ketumpatan arus J meningkat, kekuatan medan elektrik E superkonduktor meningkat dengan cepat, menyebabkan rintangannya meningkat. Rintangan yang meningkat meningkatkan kesan termal, dan seperti yang ditunjukkan dalam Persamaan (2), suhu superkonduktor meningkat sepadan.

Dari Persamaan (3), diketahui bahawa peningkatan suhu mengurangkan ketumpatan arus kritis, lebih-lebih lagi meningkatkan kekuatan medan elektrik E, menyebabkan rintangan superkonduktor terus meningkat. Seiring dengan peningkatan rintangan, haba yang dihasilkan oleh superkonduktor secara bertahap seimbang dengan haba yang dibuang ke persekitaran, dan suhu stabil, akhirnya mencapai keadaan resistif biasa yang tetap.

1.2 Aplikasi R-SFCL dalam Sistem DC Fleksibel

Dalam sistem transmisi DC fleksibel, arus DC tidak mempunyai persilangan sifar semula jadi. Apabila kerosakan korsotan pendek berlaku, arus korsotan meningkat dengan cepat, membawa ancaman serius kepada peralatan elektrik dalam sistem. Untuk memastikan kebolehpercayaan sistem, pemutus litar harus segera mengasingkan litar yang rosak. Pada masa kini, pemutus litar DC belum sepenuhnya memenuhi keperluan aplikasi praktikal.

Apabila kerosakan sisi DC berlaku, pemutus litar sisi AC biasanya dipicu, tetapi ini tidak dapat dielakkan menyebabkan stesen penukar ditutup, dan peranti elektron daya mungkin rosak akibat arus berlebihan semasa tempoh ini. Perlindungan DC harus menyelesaikan seluruh urutan perlindungan dalam beberapa milisekon, manakala masa operasi pemutus litar AC yang paling pantas biasanya 50 ms, menjadikan mereka tidak dapat melindungi peranti elektron daya dalam sistem dengan efektif.

Teknologi semasa membolehkan R-SFCL mencapai keadaan resistif biasa dalam kira-kira 3 ms. Pembatas arus superkonduktor resistif beralih ke keadaan pembatasan arus jauh lebih cepat daripada operasi perlindungan relai, dan mencapai keadaan rintangan tinggi sebelum kerosakan dikosongkan, dengan demikian mengurangkan arus korsotan pendek secara efektif.

2 Ciri-ciri Kerosakan DC dalam Sistem DC Fleksibel

Lokasi titik kerosakan hanya mempengaruhi rintangan sistem, bukan laluan arus atau ciri asas korsotan pendek. Untuk kemudahan pemodelan, kerosakan ditempatkan di tengah litar DC dan diandaikan sebagai korsotan pendek logam. Model simulasi sistem DC fleksibel dua terminal dan model R-SFCL dibina menggunakan PSCAD/EMTDC, dengan voltan sistem bernisbah ±110 kV dan kuasa bernisbah 75 MW. Lokasi pemasangan R-SFCL ditunjukkan dalam Gambaraj 1.

Apabila kerosakan korsotan pendek DC berlaku, IGBT dikesan dan segera diblok melalui fungsi bloknya apabila mengesan arus kerosakan. Walau bagaimanapun, diod yang disambung selari dengan IGBT dan litar transmisi membentuk litar rektifikasi jambatan yang tidak terkawal, membolehkan komutasi berterusan walaupun setelah IGBT diblok. Korsotan pendek kutub-ke-kutub DC boleh dibahagikan menjadi tiga tahap: Tahap pertama berlaku segera selepas kerosakan, di mana kapasitor sisi DC mengeluarkan muatan dengan cepat dan arus DC meningkat ke nilai puncaknya dalam beberapa milisekon.

Dalam tahap kedua, setelah voltan kapasitor turun ke sifar, arus yang mengalir melalui diod boleh mencapai lebih dari sepuluh kali arus bernisbahnya, membuat peranti elektron daya sangat rentan kepada kerosakan. Dalam tahap ketiga, apabila arus korsotan pendek DC merosot di bawah arus grid AC, grid AC bermula memberi arus korsotan pendek ke titik kerosakan DC. Kerosakan DC ke tanah tidak mempunyai tahap kedua; sebaliknya, ciri-cirinya serupa dengan kerosakan kutub-ke-kutub.

Semasa penyaluran arus AC, arus kerosakan melalui diod adalah kira-kira sepuluh kali arus bernisbahnya. Laluan arus untuk kedua-dua jenis kerosakan korsotan pendek DC dalam sistem DC fleksibel ditunjukkan dalam Gambaraj 2 dan Gambaraj 3, masing-masing. Pemasangan R-SFCL sepanjang laluan arus kerosakan dapat meningkatkan rintangan gelung korsotan pendek dengan cepat, memberikan lebih banyak masa untuk pengkosongan kerosakan dan mengurangkan keperluan pada masa pembukaan intrinsik dan kapasiti pemutusan pemutus litar DC.

3 Analisis Simulasi

Menggunakan perisian simulasi PSCAD/EMTDC, model R-SFCL yang dibangunkan diintegrasikan ke dalam model simulasi sistem DC fleksibel dua terminal yang telah dibina dengan kapasiti 75 MW untuk pengesahan. Prestasi pembatasan arus di bawah kerosakan kutub-ke-kutub DC ditunjukkan dalam Gambaraj 4, dan prestasi di bawah kerosakan litar-ke-tanah DC ditunjukkan dalam Gambaraj 5. Seperti yang dapat dilihat dari Gambaraj 4 dan Gambaraj 5, arus kerosakan puncak berkurang sejajar dengan peningkatan rintangan keadaan biasa. Jelas bahawa rintangan R-SFCL dan arus kerosakan puncak selepas pemasangan menunjukkan hubungan fungsional tertentu yang menurun.

Untuk memperluas lingkup aplikasi, model asal secara beransur-ansur diperbesar berdasarkan tiga kapasiti sistem: 75 MW, 150 MW, dan 300 MW. Di bawah keadaan korsotan pendek kutub-ke-kutub DC dan korsotan pendek litar-ke-tanah DC, hubungan antara nilai rintangan keadaan biasa R-SFCL dan arus korsotan pendek puncak diteliti dengan mendapatkan nilai puncak arus korsotan pendek. Hasilnya ditunjukkan dalam Gambaraj 6 dan Gambaraj 7.

Menggunakan fungsi pelacakan lengkung dalam MATLAB, lengkung dalam Gambaraj 6 dan Gambaraj 7 dipelacak masing-masing, menghasilkan ungkapan fungsional bentuk f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, dengan parameter spesifik disenaraikan dalam Jadual 1. Penurunan fungsi yang dipelacak menghasilkan f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Dari Jadual 1, dapat diperhatikan bahawa untuk jenis kerosakan yang sama, parameter b kekal hampir tetap, manakala parameter a meningkat dengan kapasiti sistem. Oleh kerana b adalah relatif kecil, ungkapan cerun lengkung untuk jenis kerosakan yang sama hampir identik.Oleh itu, R-SFCL dengan rintangan keadaan biasa yang sama menunjukkan kadar perubahan yang sama dalam arus kerosakan puncak di seluruh kapasiti sistem yang berbeza untuk jenis kerosakan yang sama, menunjukkan prestasi pembatasan arus yang konsisten.

Selain itu, seiring dengan peningkatan linear rintangan keadaan biasa R-SFCL, keberkesanan pembatasan arusnya beransur-ansur berkurang. Berdasarkan cerun lengkung dalam Gambaraj 6 dan Gambaraj 7, julat optimal rintangan keadaan biasa R-SFCL untuk memaksimumkan kadar pengurangan arus kerosakan puncak adalah 0–10 Ω.

4 Kesimpulan

Pemasangan R-SFCL di sisi output DC stesen penukar dalam sistem transmisi DC fleksibel dapat mengurangkan arus korsotan pendek DC secara efektif. Seiring dengan peningkatan linear nilai rintangan R-SFCL, keberkesanan pembatasan arusnya beransur-ansur berkurang. Mengambil kira status penyelidikan semasa, kos kejuruteraan, dan keperluan kawasan tanah, disarankan bahawa julat rintangan keadaan biasa optimal untuk R-SFCL adalah 0–10 Ω.