Studie av optimalt motståndsväljande för resistiva superledande felströmsbegränsare i flexibla DC-överföringssystem

1 Resistiv superkonduktiv felströmsbegränsare

1.1 Driftprincip

Medan energinätens skala fortsätter att expandera ökar den inre kortslutningskapaciteten i nationella energisystem snabbt, vilket ger betydande utmaningar för nätbyggnad och drift. För att hantera problemet med överdriven kortslutningsström får superkonduktiva felströmsbegränsare (SFCL) baserade på superkonduktivitetsprinciper allt mer uppmärksamhet. Beroende på deras dämpningskarakteristika när de går över till det högresistansläget kan SFCL delas in i resistiva och induktiva typer.

Av dessa har den resistiva superkonduktiva felströmsbegränsaren en enkel struktur, kompakt storlek och lätt vikt, med en tydlig driftprincip. När den går in i det högresistansläget ökar dess strömbegränsande impedans kraftigt, vilket ger stark kapacitet att undertrycka felströmmar. Dessutom kan enhetens kapacitet flexibelt justeras genom serie- eller parallellkoppling av superkonduktorer. I senare år har det funnits genombrott inom rumstemperatur-superkonduktiva material, vilket leder både akademi och industri att brett se resistiva SFCL som den främsta riktningen för framtida utveckling.

Kritisk ström, kritiskt magnetfält och kritisk temperatur är viktiga fysiska parametrar för att bestämma om en superkonduktör är i superkonduktivt tillstånd. När någon av dessa parametrar överskrider sin kritiska värde går superkonduktören från superkonduktivt tillstånd till kvävningstillstånd. Kvävningsprocessen består av två steg: först flyttningsflödestillstånd, följt av det normala resistivt tillståndet. När strömtätheten genom superkonduktören överskrider dess kritiska strömtäthet går superkonduktören in i flyttningsflödestillstånd.

Där: E är elektriskt fältstyrka; EC är kritiskt elektriskt fält; J är strömtäthet; JCT är kritisk strömtäthet; α är en konstant; Tt1 och Tt2 är superkonduktorens temperatur vid tidpunkterna t1 respektive t2; QRS är värme genererad av resistansen Rs från t1 till t2; QC är växelverkan av värme mellan superkonduktoren och dess omgivning under tidsintervallet t1–t2; Cm är specifik värmeemneskapacitet för superkonduktorn; JCT(77) är kritisk strömtäthet vid 77 K (77 K är temperaturen för en vätsk nitrogenmiljö); TC är kritisk temperatur; T är superkonduktorens temperatur.

Enligt ekvation (1), när strömtätheten J ökar, stiger superkonduktorens elektriska fältstyrka E snabbt, vilket leder till en ökning av dess resistans. Den ökade resistansen förstärker värmeffekten, och enligt ekvation (2) stiger superkonduktorens temperatur därefter.

Från ekvation (3) vet man att temperaturen stiger, vilket minskar den kritiska strömtätheten, vilket ytterligare ökar elektriska fältstyrkan E, vilket gör att superkonduktorens resistans stiger kontinuerligt. När resistansen ökar, balanseras den värme som genereras av superkonduktorn gradvis med den värme som avges till omgivningen, och temperaturen stabiliserar sig, och slutligen når ett konstant-resistans normaltillstånd.

1.2 Användning av R-SFCL i flexibla DC-system

I flexibla DC-överföringssystem saknar DC-strömmen naturliga nollgenomgångar. När ett kortslutningsfel inträffar stiger felströmmen snabbt, vilket utgör ett allvarligt hot mot elektriska anordningar i systemet. För att säkerställa systemets tillförlitlighet måste brytare snabbt isolera den defekta linjen. För närvarande har inte DC-brytare ännu fullt uppfyllt kraven för praktisk användning.

När ett fel på DC-sidan uppstår tripas vanligtvis brytare på AC-sidan, men detta orsakar oundvikligen att omsättaren stängs av, och styrande elektroniska komponenter kan skadas av överströmning under denna period. DC-skydd måste slutföra hela skyddssekvensen inom några millisekunder, medan den snabbaste reaktionshastigheten för AC-brytare vanligtvis är 50 ms, vilket gör dem oförmögna att effektivt skydda styrande elektroniska komponenter i systemet.

Nutidsteknik möjliggör att R-SFCL når det normala resistivt tillståndet inom cirka 3 ms. Den resistiva superkonduktiva felströmsbegränsaren går över till strömbegränsande tillstånd mycket snabbare än reläskyddet agerar, och uppnår det högresistansläget innan felet är undanröjt, vilket effektivt minskar kortslutningsströmmen.

2 DC-felkarakteristika i flexibla DC-system

Platsen för felplatsen påverkar endast systemimpedansen, inte strömförloppet eller de grundläggande egenskaperna hos kortslutningsfelet. För modelleringens bekvämlighet placeras felet i mitten av DC-linjen och antas vara en metallisk kortslutning. En simuleringsmodell för ett tvåterminalsystem med flexibel DC-överföring och en R-SFCL-modell byggs med PSCAD/EMTDC, med ett systemspänningsnivå på ±110 kV och en nominell effekt på 75 MW. Installationen av R-SFCL visas i figur 1.

När ett DC-kortslutningsfel inträffar upptäcks IGBT och blockeras omedelbart via dess blockeringsegenskap vid upptäckt av felströmmen. Men dioder som är kopplade parallellt med IGBT och överföringslinjer bildar en okontrollerbar bridgetifieringscirkuit, vilket gör att kommutteringen fortsätter även efter att IGBT har blockerats. Ett DC-pole-till-pole kortslutning kan huvudsakligen indelas i tre etapper: Det första steget inträffar omedelbart efter felet, under vilket DC-sidan kondensatorn avyttras snabbt och DC-strömmen stiger till sitt toppvärde inom några millisekunder.

I det andra steget, efter att kondensatorspänningen har sjunkit till noll, kan strömmen genom dioderna nå mer än tio gånger deras nominella ström, vilket gör styrande elektroniska komponenter mycket utsatta för skador. I det tredje steget, när DC-kortslutningsströmmen sjunker under AC-nätströmmen, börjar AC-nätet mata in kortslutningsström till DC-felpunkten. Ett DC-jordfel har inte ett andra steg; annars liknar dess egenskaper ett pole-till-pole fel.

Under AC-strömförsörjning är felströmmen genom dioderna ungefär tio gånger deras nominella ström. Strömförloppen för dessa två typer av DC-kortslutningsfel i det flexibla DC-systemet illustreras i figur 2 och figur 3, respektive. Genom att installera en R-SFCL längs felströmförloppet kan resistansen i kortslutningsloop snabbt ökas, vilket ger mer tid för felavlägsning och minskar kraven på den inbyggda öppningstiden och avbrottskapaciteten för DC-brytare.

3 Simuleringsanalys

Med hjälp av PSCAD/EMTDC-simuleringsprogrammet integreras den utvecklade R-SFCL-modellen i den upprättade simuleringsmodellen för ett tvåterminalsystem med flexibel DC-överföring med en kapacitet på 75 MW för verifiering. Strömbegränsningsprestandan under DC-pole-till-pole fel visas i figur 4, och under DC-ledning-till-jord fel i figur 5. Som syns i figur 4 och figur 5 minskar toppfelströmmen med ökande normalresistans. Det är uppenbart att resistansen hos R-SFCL och toppfelströmmen efter installation visar en viss avtagande funktionell relation.

För att bredda tillämpningsområdet skalades den ursprungliga modellen gradvis upp baserat på tre systemkapaciteter: 75 MW, 150 MW och 300 MW. Under villkor av DC-pole-till-pole kortslutning och DC-ledning-till-jord kortslutning studerades relationen mellan normalresistansvärdet för R-SFCL och toppkortslutningsströmmen genom att erhålla toppvärdena för kortslutningsströmmarna. Resultaten visas i figur 6 och figur 7.

Genom att använda kurvanpassningsfunktionen i MATLAB anpassades kurvorna i figur 6 och figur 7 respektive, vilket resulterade i funktionsuttryck av formen f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, med specifika parametrar listade i tabell 1. Genom att differentiera den anpassade funktionen erhålls f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Från tabell 1 kan man observera att för samma feltyp, parametern b håller nästan konstant, medan parametern a ökar med systemkapacitet. Eftersom b är relativt liten är lutningsuttrycken för kurvor av samma feltyp nästan identiska.Därför visar R-SFCL med samma normalresistans samma förändringstakt av toppfelström över olika systemkapaciteter för samma feltyp, vilket indikerar konsekvent strömbegränsningsprestanda.

Vidare, när den normala resistansen hos R-SFCL ökar linjärt, minskar dess strömbegränsningsverkan gradvis. Baserat på lutningarna av kurvorna i figur 6 och figur 7, är det optimala intervallet för R-SFCL:s normala resistans för att maximera förminskningen av toppfelström 0–10 Ω.

4 Slutsats

Installation av en R-SFCL på DC-utgången av en omsättare i ett flexibelt DC-överföringssystem kan effektivt minska DC-kortslutningsfelströmmar. När R-SFCL:s resistansvärde ökar linjärt, minskar dess strömbegränsande verkan gradvis. Med hänsyn till den aktuella forskningsstatus, ingenjörskostnader och markanvändningskrav rekommenderas det optimala intervallet för R-SFCL:s normala resistans vara 0–10 Ω.