Onderzoek naar de optimale weerstandselectie van resistieve supergeleidende kortscheutstroombeperkers voor flexibele DC-transmissiesystemen

1 Weerstand Supergeleidend Stroombeperker

1.1 Werking Principe

Terwijl de schaal van elektriciteitsnetwerken blijft uitbreiden, neemt de korte-slagcapaciteit van nationale elektriciteitsystemen snel toe, wat aanzienlijke uitdagingen oplevert voor het bouwen en beheren van netwerken. Om het probleem van te hoge korte-slagstromen aan te pakken, krijgen supergeleidende stroombeperkers (SFCLs) op basis van supergeleidingprincipes steeds meer aandacht. Afhankelijk van hun dempingseigenschappen bij de overgang naar de hoogweerstandsstaat, kunnen SFCLs worden ingedeeld in weerstand- en inductieve types.

Daarvan heeft de weerstandsupergeleidend stroombeperker een eenvoudige structuur, compacte afmetingen en lage gewicht, met een duidelijk werking principe. Zodra hij de hoogweerstandsstaat bereikt, neemt zijn stroombeperkende impedantie sterk toe, waardoor er een sterke vermogen om korte-slagstromen te onderdrukken ontstaat. Bovendien kan de capaciteit van het apparaat flexibel worden aangepast door middel van serieschakeling of parallelle configuraties van supergeleiders. In recente jaren hebben er doorbraken plaatsgevonden in kamertemperatuur supergeleidende materialen, waardoor zowel academici als de industrie de weerstand SFCLs algemeen beschouwen als de primaire richting voor toekomstige ontwikkeling.

Kritische stroom, kritisch magnetisch veld en kritische temperatuur zijn cruciale fysieke parameters voor het bepalen of een supergeleider zich in de supergeleidende staat bevindt. Wanneer een van deze parameters boven de kritieke waarde uitkomt, gaat de supergeleider over van de supergeleidende staat naar de gekoelde staat. Het koelingsproces bestaat uit twee fasen: eerst de fluxflow staat, gevolgd door de normale weerstandsstaat. Wanneer de stroomdichtheid door de supergeleider boven de kritische stroomdichtheid uitkomt, gaat de supergeleider over in de fluxflow staat.

Waarbij: E is de elektrische veldsterkte; EC is de kritische elektrische veldsterkte; J is de stroomdichtheid; JCT is de kritische stroomdichtheid; α is een constante; Tt1 en Tt2 zijn de temperaturen van de supergeleider op tijdstippen t1 en t2, respectievelijk; QRS is de warmte die wordt geproduceerd door de weerstand Rs van t1 tot t2; QC is de warmte die wordt uitgewisseld tussen de supergeleider en de omringende omgeving tijdens de tijdsinterval t1–t2; Cm is de specifieke warmtecapaciteit van de supergeleider; JCT(77) is de kritische stroomdichtheid bij 77 K (77 K is de temperatuur van een vloeibare stikstofomgeving); TC is de kritische temperatuur; T is de temperatuur van de supergeleider.

Volgens vergelijking (1), wanneer de stroomdichtheid J toeneemt, neemt de elektrische veldsterkte E van de supergeleider snel toe, wat leidt tot een toename van de weerstand. De toegenomen weerstand verhoogt het thermische effect, en zoals weergegeven in vergelijking (2), neemt de temperatuur van de supergeleider overeenkomstig toe.

Uit vergelijking (3) is bekend dat de stijging van de temperatuur de kritische stroomdichtheid vermindert, wat de elektrische veldsterkte E verder doet toenemen, waardoor de weerstand van de supergeleider continu toeneemt. Naarmate de weerstand toeneemt, komt de door de supergeleider geproduceerde warmte geleidelijk in evenwicht met de warmte die naar de omgeving wordt afgevoerd, en stabiliseert de temperatuur, waarna uiteindelijk een constante-weerstand normale staat wordt bereikt.

1.2 Toepassing van R-SFCL in Flexibele DC Systemen

In flexibele DC transmissiesystemen ontbreekt de natuurlijke nuloverschrijding van de DC-stroom. Zodra een kortsluiting optreedt, neemt de foutstroom snel toe, wat een ernstig gevaar vormt voor elektrische apparatuur in het systeem. Om de betrouwbaarheid van het systeem te waarborgen, moeten circuitbrekers de gefaald lijn snel isoleren. Momenteel voldoen DC-circuitbrekers nog niet volledig aan de praktische toepassingsvereisten.

Bij een fout aan de DC-kant worden AC-kant circuitbrekers meestal getriggerd, maar dit veroorzaakt onvermijdelijk een shutdown van de converterstation, en krachtige elektronische apparatuur kan worden beschadigd door overstroom tijdens deze periode. DC-bescherming moet de volledige beschermingscyclus binnen enkele milliseconden voltooien, terwijl de snelste reactietijd van AC-circuitbrekers meestal 50 ms is, waardoor ze niet in staat zijn om de krachtige elektronische apparatuur in het systeem effectief te beschermen.

Huidige technologie stelt R-SFCLs in staat om binnen ongeveer 3 ms de normale weerstandsstaat te bereiken. De weerstandsupergeleidend stroombeperker gaat veel sneller over in de stroombeperkende staat dan relaisbescherming, en bereikt de hoogimpedantiestaat voordat de fout wordt opgeruimd, waardoor de korte-slagstroom effectief wordt verlaagd.

2 DC Fout Karakteristieken in Flexibele DC Systemen

De locatie van het foutpunt beïnvloedt alleen de systeemimpedantie, niet het stroompad of de fundamentele karakteristieken van de korte-slagfout. Voor modelconvenientie wordt de fout geplaatst op het midden van de DC-lijn en wordt ervan uitgegaan dat het een metalen kortsluiting is. Een simulatiemodel van een flexibel DC-systeem met twee terminals en een R-SFCL-model worden gebouwd met PSCAD/EMTDC, met een systeem nominale spanning van ±110 kV en een nominale vermogen van 75 MW. De installatielocatie van de R-SFCL is weergegeven in figuur 1.

Bij een DC-kortsluiting wordt de IGBT gedetecteerd en onmiddellijk geblokkeerd via zijn blokkeerfunctie bij het detecteren van de foutstroom. Echter, de dioden die parallel met de IGBT en de transmissielijnen zijn aangesloten, vormen een oncontroleerbare brugrectifiercircuit, waardoor commutatie kan doorgaan zelfs nadat de IGBT is geblokkeerd. Een DC-pool-naar-pool kortsluiting kan voornamelijk worden verdeeld in drie fasen: de eerste fase vindt onmiddellijk na de fout plaats, waarbij de DC-zijde condensator snel ontladen wordt en de DC-stroom binnen enkele milliseconden tot haar piekwaarde stijgt.

In de tweede fase, nadat de condensatorspanning tot nul daalt, kan de stroom door de dioden meer dan tien keer hun nominale stroom bereiken, waardoor krachtige elektronische apparatuur zeer vatbaar is voor schade. In de derde fase, wanneer de DC-kortsluitstroom afneemt onder de AC-netwerkstroom, begint het AC-netwerk kortsluitstroom te voeden naar het DC-foutpunt. Een DC-aardsfout heeft geen tweede fase; anders zijn de kenmerken vergelijkbaar met die van een pool-naar-pool fout.

Tijdens de AC-stroomvoeding is de foutstroom door de dioden ongeveer tien keer hun nominale stroom. De stroompaden voor deze twee soorten DC-kortsluitfouten in het flexibele DC-systeem worden weergegeven in figuur 2 en figuur 3, respectievelijk. Het installeren van een R-SFCL langs het foutstroompad kan de weerstand van de kortsluitlus snel verhogen, wat meer tijd biedt voor foutopruiming en de eisen op de inherente openings- en interruptievermogens van DC-circuitbrekers vermindert.

3 Simulatie Analyse

Met behulp van de PSCAD/EMTDC simulatiesoftware wordt het ontwikkelde R-SFCL-model geïntegreerd in het opgezette simulatiemodel van een flexibel DC-systeem met twee terminals en een capaciteit van 75 MW voor verificatie. De stroombeperkende prestaties bij een DC-pool-naar-pool fout zijn weergegeven in figuur 4, en die bij een DC-lijn-naar-aarde fout in figuur 5. Zoals te zien is in figuur 4 en figuur 5, neemt de piekfoutstroom af naarmate de normale weerstand toeneemt. Het is duidelijk dat de weerstand van de R-SFCL en de piekfoutstroom na installatie een bepaalde afnemende functionele relatie vertonen.

Om de toepassingsomvang te verbreden, werd het originele model geleidelijk opgeschaald op basis van drie systeemcapaciteiten: 75 MW, 150 MW en 300 MW. Onder de omstandigheden van een DC-pool-naar-pool kortsluiting en een DC-lijn-naar-aarde kortsluiting werd de relatie tussen de normale weerstandswaarde van de R-SFCL en de piekkortsluitstroom bestudeerd door de piekwaarden van de kortsluitstromen te verkrijgen. De resultaten zijn weergegeven in figuur 6 en figuur 7.

Met behulp van de curve-fitting functie in MATLAB werden de curves in figuur 6 en figuur 7 respectievelijk aangepast, resulterend in functionele expressies van de vorm f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, met specifieke parameters vermeld in tabel 1. Differentiatie van de aangepaste functie levert f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Uit tabel 1 kan worden geobserveerd dat voor dezelfde foutsoort, parameter b vrijwel constant blijft, terwijl parameter a toeneemt met de systeemcapaciteit. Aangezien b relatief klein is, zijn de hellingexpressies van de curves voor dezelfde foutsoort bijna identiek.Dus R-SFCLs met dezelfde normale weerstand tonen dezelfde veranderingssnelheid in piekfoutstroom over verschillende systeemcapaciteiten voor dezelfde foutsoort, wat consistente stroombeperkende prestaties aantoont.

Bovendien, naarmate de normale weerstand van de R-SFCL lineair toeneemt, neemt de effectiviteit van het stroombeperken geleidelijk af. Op basis van de hellingen van de curves in figuur 6 en figuur 7, is het optimale bereik van de normale weerstand van de R-SFCL voor maximale reductie van de piekfoutstroom 0–10 Ω.

4 Conclusie

Het installeren van een R-SFCL aan de DC-uitvoerside van een converterstation in een flexibel DC-transmissiesysteem kan effectief DC-kortsluitstroom verlagen. Naarmate de weerstandswaarde van de R-SFCL lineair toeneemt, neemt het stroombeperkende effect geleidelijk af. Rekening houdend met de huidige onderzoeksstatus, ingenieurskosten en grondoppervlakte-eisen, wordt aanbevolen dat het optimale normale weerstandsbereik voor de R-SFCL 0–10 Ω is.