Študija o optimalni izbiri upornosti upornih nadvodovednih omejevalnikov strmi toka za prilagodljive sistem prenose na enosmeren tok

1 Uprni superprovodni omejevalnik strmi tokov

1.1 Načelo delovanja

Ko se omrežja električne energije širijo, hitro raste tudi kapaciteta za kratkoročne tokove v domačih sistemih električne energije, kar predstavlja velik izziv za izgradnjo in delovanje omrežij. Za reševanje problema prekomernih kratkoročnih tokov se z visoko pozornostjo obravnavajo superprovodni omejevalniki strmi tokov (SFCL), ki temeljijo na principih superprovodnosti. SFCL se lahko razdelijo na uprne in induktivne vrste glede na njihove dušilne lastnosti pri prehodu v stanje visokega upora.

Med njimi ima uprni superprovodni omejevalnik preprosto strukturo, kompakten obseg in nizko maso ter jasno delovno načelo. Ko vstopi v stanje visokega upora, se njegov omejevalni upor zelo poveča, kar zagotavlja močno sposobnost za dušenje napakastih tokov. Poleg tega se lahko zmogljivost naprave prilagodi s serijskim ali vzporednim povezovanjem superprovodnikov. V zadnjih letih so bili doseženi napredek pri materialih za superprovodnost pri sobni temperaturi, zaradi česar akademski in industrijski sektorji široko gledajo uprne SFCL kot glavni smeri za prihodnji razvoj.

Kritični tok, kritično magnetno polje in kritična temperatura so ključni fizikalni parametri za določitev, ali je superprovodnik v stanju superprovodnosti. Ko kakšen od teh parametrov preseže svojo kritično vrednost, superprovodnik preide iz stanja superprovodnosti v stanje ugasitve. Postopek ugasitve se sestoji iz dveh faz: najprej stanje pretoka fluksa, nato pa normalno uporno stanje. Ko presežejo gostota toka skozi superprovodnik njegovo kritično gostoto toka, superprovodnik vstopi v stanje pretoka fluksa.

Kjer: E je jakost električnega polja; EC je kritična jakost električnega polja; J je gostota toka; JCT je kritična gostota toka; α je konstanta; Tt1 in Tt2 so temperature superprovodnika ob časih t1 in t2; QRS je toplota, generirana z upornostjo Rs med t1 in t2; QC je toplota, zamenjana med superprovodnikom in njegovim okoljem med časovnim intervalom t1–t2; Cm je specifična toplotna kapaciteta superprovodnika; JCT(77) je kritična gostota toka pri 77 K (77 K je temperatura v okolju tekučega dušika); TC je kritična temperatura; T je temperatura superprovodnika.

Glede na enačbo (1) se, ko gostota toka J narašča, jakost električnega polja E superprovodnika hitro poveča, kar vodi do povečanja njegovega upora. Povečan upor poveča toplotni učinek, in kot kaže enačba (2), temperatura superprovodnika ustrezno narašča.

Iz enačbe (3) je znano, da povečanje temperature zmanjša kritično gostoto toka, kar še bolj poveča jakost električnega polja E, kar povzroča, da upor superprovodnika nenehno narašča. Ko upor narašča, se toplota, generirana s superprovodnikom, postopoma izenači s toploto, oddano okolju, in temperatura se stabilizira, končno dosežejo konstantno uporno normalno stanje.

1.2 Uporaba R-SFCL v prilagodljivih DC sistemih

V prilagodljivih sistemih DC prenosa trenutki ničelnih prehodov DC toka manjkajo. Ko se zgodi kratkoročna napaka, DC tok hitro narašča, kar predstavlja resno grožnjo električni opremi v sistemu. Za zagotavljanje zanesljivosti sistema morajo hitri preklopniki hitro izolirati napakasto linijo. Trenutno še ne vse DC preklopniki popolnoma ustrezajo praktičnim zahtevam.

Ob napaki na DC strani se tipično preklopijo preklopniki na AC strani, toda to neizbežno povzroči, da se pretvarjalna postaja ustavi, in elektronska naprava lahko pride do poškodbe zaradi prekomernega toka med tem obdobjem. DC zaščita mora dokončati celoten zaščitni zaporedni postopek v nekaj milisekundah, medtem ko je najhitrejši čas delovanja AC preklopnikov tipično 50 ms, zaradi česar ne morejo učinkovito zaščititi elektronske opreme v sistemu.

Trenutna tehnologija omogoča, da R-SFCL dosežejo normalno uporno stanje v približno 3 ms. Uprni superprovodni omejevalniki prekoračijo stanje omejevanja toka mnogo hitreje, kot deluje relayska zaščita, in dosežejo stanje visokega upora pred odstranitvijo napake, s tem učinkovito zmanjšajo kratkoročne tokove.

2 Lastnosti DC napak v prilagodljivih DC sistemih

Lokacija napake vpliva samo na impedanco sistema, ne pa na pot toka ali osnovne lastnosti kratkoročnih napak. Za lažje modeliranje se napaka postavi na sredino DC linije in jo predpostavljamo kot metalično kratkoporo. Z PSCAD/EMTDC je zgrajen simulacijski model dvokoncegnega prilagodljivega DC sistema in model R-SFCL, s sistemskim nominalnim napetostjo ±110 kV in nominalno močjo 75 MW. Lokacija namestitve R-SFCL je prikazana na Sliki 1.

Ob nastanku DC kratkoročne napake se IGBT detekti in takoj blokira s svojo funkcijo blokiranja, ko zazna napakasti tok. Toda diode, povezane vzporedno s IGBT, in prenosne linije tvorijo nekontrolabilno mostovno rektifikacijsko vez, ki omogoča nadaljnjo komutacijo, tudi po blokiranju IGBT. DC pole-to-pole kratkoročna napaka se lahko glavno razdeli na tri faze: Prva faza se dogaja takoj po nastanku napake, med katero se DC kondenzator hitro razračuna in DC tok v nekaj milisekundah doseže svojo vrhovno vrednost.

V drugi fazi, ko napetost kondenzatorja pada na nič, tok skozi diode lahko doseže več kot desetkrat njihovo nominalno vrednost, zaradi česar je elektronska naprava zelo občutljiva na poškodbo. V tretji fazi, ko DC kratkoročni tok upada pod AC omrežni tok, AC omrežje začne vnaprej krčiti DC napako. DC zemljiška napaka ni druge faze, drugače pa so njene lastnosti podobne pole-to-pole napaki.

Med vnaprej krčenjem AC toka je tok skozi diode približno desetkrat njihova nominalna vrednost. Poti tokov za ta dva tipa DC kratkoročnih napak v prilagodljivem DC sistemu so prikazani na Slikah 2 in 3. Namestitev R-SFCL skozi pot napakastega toka lahko hitro poveča upor kratkoročne zanke, kar omogoča več časa za odstranitev napake in zmanjša zahteve glede na notranji čas odpiranja in prekinovalne zmogljivosti DC preklopnikov.

3 Simulacijska analiza

Z uporabo simulacijskega programa PSCAD/EMTDC je razvit model R-SFCL integriran v že zgrajen simulacijski model dvokoncegnega prilagodljivega DC sistema z zmogljivostjo 75 MW za preverjanje. Omejevalna zmogljivost ob DC pole-to-pole napaki je prikazana na Sliki 4, omejevalna zmogljivost ob DC line-to-ground napaki pa na Sliki 5. Kot je videti iz Slike 4 in Slike 5, vrhovni napakasti tok pada, ko se poveča upor normalnega stanja. Je očitno, da obstaja določen propadanjski funkcijski odnos med upornostjo R-SFCL in vrhovnim napakastim tokom po namestitvi.

Za širitev obsega uporabe je prvotni model stopnjevalno razširjen glede na tri sistemske zmogljivosti: 75 MW, 150 MW in 300 MW. Ob pogojih DC pole-to-pole kratkoročne napake in DC line-to-ground kratkoročne napake je bil raziskan odnos med vrednostjo uporna vrednosti R-SFCL v normalnem stanju in vrhovnim kratkoročnim tokom, tako da so bile pridobljene vrhovne vrednosti kratkoročnih tokov. Rezultati so prikazani na Slikah 6 in 7.

S pomočjo funkcije prilagajanja krivulj v MATLAB-u so krivulje na Slikah 6 in 7 prilagojene, kar je vodilo do funkcionalnih izrazov oblike f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, z določenimi parametri, navedenimi v Tabeli 1. Odvajanje prilagojenih funkcij da f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Iz Tabele 1 je videti, da za isti tip napake parameter b ostane skoraj nespremenjen, medtem ko se parameter a poveča s sistemsko zmogljivostjo. Ker je b relativno majhen, so izrazi nagiba krivulj za isti tip napake skoraj enaki.Zato imajo R-SFCL z isto uporno vrednostjo v normalnem stanju isto stopnjo spremembe vrhovnega napakastega toka na različnih sistemskih zmogljivosteh za isti tip napake, kar kaže na konzistentno omejevalno zmogljivost.

Dodatno, ko se uporna vrednost R-SFCL linearno poveča, njegova učinkovitost omejevanja toka postopoma upada. Na osnovi nagibov krivulj na Slikah 6 in 7 je optimalen obseg uporne vrednosti R-SFCL v normalnem stanju za maksimalno stopnjo zmanjševanja vrhovnega napakastega toka 0–10 Ω.

4 Zaključek

Namestitev R-SFCL na DC izhodni strani pretvarjalne postaje v prilagodljivem DC prenosnem sistemu lahko učinkovito zmanjša DC kratkoročne tokove. Ko se uporna vrednost R-SFCL linearno poveča, njegova učinkovitost omejevanja toka postopoma upada. Glede na trenutno stanje raziskav, stroškov in zahtev glede površine, se priporoča, da bi optimalen obseg uporne vrednosti R-SFCL v normalnem stanju moral biti 0–10 Ω.