Studie av optimal motstandsvurdering for motstandsbaserte superledende feilstrøm begrenser for fleksible DC-transmisjonssystemer

1 Motstandsbasert superkonduktiv feilstrømsgrenser

1.1 Driftsprinsipp

Med økende skalaer for kraftnett, vokser kortslutningskapasiteten i nasjonale kraftsystemer raskt, noe som stiller betydelige utfordringer for nettbygging og -drift. For å håndtere problemet med for høye kortslutningsstrømer, får superkonduktive feilstrømsgrenser (SFCL-er) basert på superkonduktivitet prinsippet mer og mer oppmerksomhet. Avhengig av deres dempingsegenskaper når de overgår til høy motstandstilstand, kan SFCL-er deles inn i motstands- og induktivtyper.

Av disse har den motstandsbaserte superkonduktive feilstrømsgrenser en enkel struktur, kompakt størrelse, og lav vekt, med et klart driftsprinsipp. Når den går over til høy motstandstilstand, øker dens strømgrensende impedansje markant, noe som gir sterk evne til å undertrykke feilstrømmer. I tillegg kan enhetsk kapasitet fleksibelt justeres gjennom serie- eller parallelloppsett av superkonduktorer. I de siste årene har det vært gjennombrudd i romtemperatur superkonduktive materialer, noe som fører både akademia og industri til å se motstands-SFCL-er som den primære retningen for fremtidig utvikling.

Kritisk strøm, kritisk magnetfelt, og kritisk temperatur er nøkkelfysiske parametre for å bestemme om en superkonduktor er i superkonduktiv tilstand. Når noen av disse parametrene overskrider sin kritiske verdi, overgår superkonduktoren fra superkonduktiv tilstand til kvensed tilstand. Kvsesprosessen består av to faser: først flyttilstanden, deretter normal motstandstilstand. Når strømtettheten gjennom superkonduktoren overstiger dens kritiske strømtetthet, går superkonduktoren over til flyttilstand.

Der: E er elektrisk feltstyrke; EC er kritisk elektrisk feltstyrke; J er strømtetthet; JCT er kritisk strømtetthet; α er en konstant; Tt1 og Tt2 er temperaturen til superkonduktoren ved tidspunkt t1 og t2 henholdsvis; QRS er varme generert av motstand Rs fra t1 til t2; QC er varme utvekslet mellom superkonduktoren og dens omgivelser under tidsintervallet t1–t2; Cm er spesifikk varmekapasitet til superkonduktoren; JCT(77) er kritisk strømtetthet ved 77 K (77 K er temperaturen i en flytende kvæløksmiljø); TC er kritisk temperatur; T er temperaturen til superkonduktoren.

Ifølge ligning (1), når strømtettheten J øker, stiger elektrisk feltstyrken E til superkonduktoren raskt, noe som fører til en økning i dens motstand. Den økte motstanden forsterker varmeeffekten, og som vist i ligning (2), stiger superkonduktorens temperatur dermed.

Fra ligning (3) vet vi at temperaturen stigning reduserer kritisk strømtetthet, noe som igjen øker elektrisk feltstyrken E, som fører til at superkonduktorens motstand øker kontinuerlig. Når motstanden øker, balanserer varmen generert av superkonduktoren gradvis med varmen dissiperert til omgivelser, og temperaturen stabiliserer seg, og endelig når en konstant motstand normal tilstand.

1.2 Anvendelse av R-SFCL i fleksible DC-systemer

I fleksible DC-overføringsystemer mangler DC-strømmen naturlige nullgjennomganger. Når en kortslutningsfeil oppstår, stiger feilstrømmen raskt, noe som utgjør en alvorlig trussel mot elektriske enheter i systemet. For å sikre systemets pålitelighet, må brytere hurtig isolere den feilfulle linjen. For øyeblikket har ikke DC-brytere fullt møtt praktiske anvendelseskriterier.

Når det oppstår en feil på DC-siden, tripper man vanligvis brytere på AC-siden, men dette fører uunngåelig til at omsenderstationen stoppes, og strøm-elektroniske enheter kan bli skadet av overstrøm under denne perioden. DC-beskyttelse må fullføre hele beskyttelsessekvensen innen noen millisekunder, mens den raskeste reaksjonstiden for AC-brytere typisk er 50 ms, noe som gjør at de ikke kan effektivt beskytte strøm-elektroniske enheter i systemet.

Gjeldende teknologi lar R-SFCL-er nå normal motstandstilstand innen ca. 3 ms. Den motstandsbaserte superkonduktive feilstrømsgrenser går over til strømgrensende tilstand mye raskere enn relébeskyttelse opererer, og oppnår høy impedanstilstand før feilavklaring, noe som effektivt reduserer kortslutningsstrømmen.

2 DC-feilegenskaper i fleksible DC-systemer

Feilpunktets plassering påvirker bare systemets impedans, ikke strømforløpet eller grunnleggende egenskaper til kortslutningsfeilen. For modelleringens skyld, plasseres feilen midt på DC-linjen og antas å være en metallisk kortslutning. En to-terminal fleksibel DC-systemsimuleringsmodell og en R-SFCL-modell blir bygget ved hjelp av PSCAD/EMTDC, med et systemnominell spenning på ±110 kV og nominell effekt på 75 MW. Installasjonsplassen for R-SFCL vises i figur 1.

Når det oppstår en DC-kortslutningsfeil, detekteres IGBT og blokkeres umiddelbart via sin blokkeringsfunksjon ved å oppdage feilstrømmen. Imidlertid danner dioder forbundet parallel med IGBT og overføringslinjer en ukontrollerbar brugrektifieringskrets, som lar kommutasjon fortsette selv etter at IGBT er blokkert. En DC-pole-til-pole kortslutning kan hovedsakelig deles inn i tre faser: Første fase forekommer umiddelbart etter feilen, under hvilken DC-side kondensator slutter raskt og DC-strømmen stiger til sitt toppverdi innen noen millisekunder.

I andre fase, etter at kondensatorspenningen faller til null, kan strømmen gjennom dioderen nå mer enn ti ganger dens nominelle strøm, noe som gjør strøm-elektroniske enheter svært utsatt for skade. I tredje fase, når DC-kortslutningsstrømmen avtar under AC-nettstrømmen, begynner AC-nettet å sende kortslutningsstrøm til DC-feilpunktet. En DC-jordfeil har ikke en annen fase; ellers er dens egenskaper liknende til en pole-til-polefeil.

Under AC-strømfeed-inn, er feilstrømmen gjennom dioder omtrent ti ganger dens nominelle strøm. Strømforløpene for disse to typene av DC-kortslutningsfeil i fleksible DC-systemer vises i figur 2 og figur 3 henholdsvis. Ved å installere en R-SFCL langs feilstrømforløpet, kan motstanden i kortslutningsløkka raskt økes, noe som gir mer tid for feilavklaring og reduserer kravene til den inbygde åpningsperioden og avbrytningsevnen til DC-brytere.

3 Simulering og analyse

Ved hjelp av PSCAD/EMTDC-simuleringsprogramvaren, integreres den utviklede R-SFCL-modellen i den etablerte to-terminal fleksible DC-systemsimuleringsmodellen med en effekt på 75 MW for verifisering. Strømgrensende ytelsen under DC-pole-til-polefeil vises i figur 4, og under DC-linje-til-jordfeil vises i figur 5. Som kan sees fra figur 4 og figur 5, synker toppfeilstrømmen når normal motstand øker. Det er tydelig at motstanden til R-SFCL og toppfeilstrømmen etter installasjon viser en viss avtagende funksjonell relasjon.

For å utvide anvendelsesområdet, skaleres den opprinnelige modellen gradvis basert på tre systemkapasiteter: 75 MW, 150 MW, og 300 MW. Under forhold av DC-pole-til-pole kortslutning og DC-linje-til-jord kortslutning, undersøkes forholdet mellom normal motstandverdi for R-SFCL og topp kortslutningsstrøm ved å få toppverdiene av kortslutningsstrømmene. Resultatene vises i figur 6 og figur 7.

Ved hjelp av kurvepassingfunksjonen i MATLAB, passer kurvene i figur 6 og figur 7 respektivt, med funksjonelle uttrykk av formen f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, med spesifikke parametre listet i tabell 1. Derivasjon av det passede funksjonet gir f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Fra tabell 1 kan det observeres at for samme feiltyp, parameter b holder seg nesten konstant, mens parameter a øker med systemkapasitet. Siden b er relativt liten, er hellingsekspresjonene for kurver av samme feiltyp nesten identiske.Derfor viser R-SFCL-er med samme normal motstand samme endringstakt i toppfeilstrøm over forskjellige systemkapasiteter for samme feiltyp, noe som indikerer konsekvent strømgrensende ytelse.

Videre, som normal motstand til R-SFCL øker lineært, minker dens strømgrensende effektivitet gradvis. Basert på hellingene av kurvene i figur 6 og figur 7, er det optimale området for R-SFCLs normal motstand for å maksimere reduksjonstakten i toppfeilstrøm 0–10 Ω.

4 Konklusjon

Å installere en R-SFCL på DC-utgangssiden av en omsenderstasjon i et fleksibelt DC-overføringsystem kan effektivt redusere DC-kortslutningsfeilstrømmer. Som motstandverdien til R-SFCL øker lineært, minker dens strømgrensende effekt gradvis. Med tanke på gjeldende forskningsstatus, ingeniørkostnader, og arealkrav, anbefales det at det optimale området for R-SFCLs normal motstand er 0–10 Ω.