Pagsasaliksik sa Optimal na Piliin ng Resistance para sa Resistive Superconducting Fault Current Limiters para sa Flexible DC Transmission Systems

1 Resistive Superconducting Fault Current Limiter

1.1 Prinsipyong Paggana

Bilang ang mga grid ng kuryente patuloy na lumalaki, ang kakayahan ng maikling-kurit ng mga lokal na sistema ng kuryente ay mabilis na tumataas, nagbibigay ng malaking hamon sa pagtatayo at pagpapatakbo ng grid. Upang harapin ang problema ng labis na maikling-kurit, ang mga superconducting fault current limiter (SFCLs) batay sa prinsipyo ng superkonduktibidad ay nakuha ng lalong daming pansin. Batay sa kanilang mga katangian ng pagdampen kapag nasa high-resistance state, ang mga SFCLs ay maaaring ikategorya bilang resistive at inductive.

Sa mga ito, ang resistive superconducting fault current limiter ay may simpleng istraktura, kompak na sukat, at maliit na bigat, na may malinaw na prinsipyong paggana. Kapag nasa high-resistance state, ang kanyang current-limiting impedance ay mabilis na tumaas, nagbibigay ng malakas na kakayahan sa pagsupil ng fault current. Bukod dito, ang kapasidad ng aparato ay maaaring mapag-ayos nang fleksible sa pamamagitan ng serye o parallel na konfigurasyon ng mga superconductor. Sa mga nakaraang taon, ang mga paglabas ng mga pagbabago sa mga materyales ng room-temperature superconducting ay naging sanhi upang ang akademya at industriya ay malawakang ituring ang resistive SFCLs bilang pangunahing direksyon para sa pag-unlad sa hinaharap.

Ang critical current, critical magnetic field, at critical temperature ay mga pangunahing pisikal na parametro para sa pagtukoy kung ang isang superconductor ay nasa superconducting state. Kapag ang anumang parameter na ito ay lumampas sa kanyang critical value, ang superconductor ay lumilipat mula sa superconducting state patungo sa quenched state. Ang proseso ng quenching ay binubuo ng dalawang yugto: una, ang flux flow state, sumusunod ang normal resistive state. Kapag ang density ng kuryente sa pamamagitan ng superconductor ay lumampas sa kanyang critical current density, ang superconductor ay pumapasok sa flux flow state.

Kung saan: E ay ang lakas ng elektriko; EC ay ang critical electric field strength; J ay ang density ng kuryente; JCT ay ang critical current density; α ay isang konstante; Tt1 at Tt2 ay ang temperatura ng superconductor sa oras na t1 at t2, kahit papano; QRS ay ang init na nai-generate ng resistance Rs mula t1 hanggang t2; QC ay ang init na ipinagpalit sa pagitan ng superconductor at ang kanyang paligid sa panahon ng intervalo ng t1–t2; Cm ay ang specific heat capacity ng superconductor; JCT(77) ay ang critical current density sa 77 K (77 K ang temperatura ng isang liquid nitrogen environment); TC ay ang critical temperature; T ay ang temperatura ng superconductor.

Ayon sa Eq. (1), kapag ang density ng kuryente J ay tumaas, ang lakas ng elektriko E ng superconductor ay mabilis na tumaas, nagdudulot ng pagtaas ng kanyang resistance. Ang pagtaas ng resistance ay nagpapalakas ng thermal effect, at tulad ng ipinapakita sa Eq. (2), ang temperatura ng superconductor ay tumaas nang angkop.

Mula sa Eq. (3), alam na ang pagtaas ng temperatura ay binabawasan ang critical current density, nagdudulot ng mas mabilis na pagtaas ng lakas ng elektriko E, nagdudulot ng patuloy na paglaki ng resistance ng superconductor. Habang ang resistance ay tumataas, ang init na ginawa ng superconductor ay unti-unting bumabalanse sa init na inililipat sa paligid, at ang temperatura ay naka-stabilize, huli na ang lahat ay umabot sa constant-resistance normal state.

1.2 Paggamit ng R-SFCL sa Flexible DC Systems

Sa flexible DC transmission systems, ang DC current ay walang natural na zero-crossings. Kapag nangyari ang maikling-kurit fault, ang fault current ay mabilis na tumaas, nagbibigay ng malaking banta sa electrical equipment sa sistema. Upang siguruhin ang reliabilidad ng sistema, ang mga circuit breaker ay dapat mabilis na i-isolate ang faulted line. Sa kasalukuyan, ang DC circuit breakers ay hindi pa ganap na napuno ang mga praktikal na pangangailangan sa aplikasyon.

Kapag nangyari ang DC-side fault, karaniwang ini-trip ang AC-side breakers, ngunit ito ay hindi makaiwas na nagdudulot ng shutdown ng converter station, at ang mga power electronic devices ay maaaring masira dahil sa overcurrent sa panahong ito. Ang DC protection ay dapat matapos ang buong sequence ng proteksyon sa loob ng ilang milisegundo, samantalang ang pinakamabilis na operating time ng AC circuit breakers ay tipikal na 50 ms, kaya hindi sila maaaring mabisa na protektahan ang mga power electronic devices sa sistema.

Ang kasalukuyang teknolohiya ay nagbibigay-daan para sa R-SFCLs na maabot ang normal resistive state sa loob ng humigit-kumulang 3 ms. Ang resistive superconducting fault current limiter ay mas mabilis na lumilipat sa current-limiting state kaysa sa relay protection, at nag-aabot ng high-impedance state bago ang fault clearance, kaya mabisa na binabawasan ang maikling-kurit current.

2 Katangian ng DC Fault sa Flexible DC Systems

Ang lokasyon ng fault point ay nakakaapekto lamang sa system impedance, hindi sa landas ng kuryente o sa pundamental na katangian ng maikling-kurit fault. Para sa kaginhawahan sa modeling, ang fault ay inilagay sa gitna ng DC line at inasumang metalic short circuit. Isinagawa ang two-terminal flexible DC system simulation model at R-SFCL model gamit ang PSCAD/EMTDC, na may system rated voltage ng ±110 kV at rated power ng 75 MW. Ang lokasyon ng installation ng R-SFCL ay ipinapakita sa Fig. 1.

Kapag nangyari ang DC short-circuit fault, ang IGBT ay natutuklasan at agad na in-block gamit ang kanyang blocking function sa pamamagitan ng pag-sense ng fault current. Gayunpaman, ang mga diode na konektado sa parallel sa IGBT at ang transmission lines ay bumubuo ng uncontrollable bridge rectifier circuit, nagpapahintulot sa commutation na magpatuloy kahit na ang IGBT ay in-block. Ang DC pole-to-pole short circuit ay maaaring mahati sa tatlong yugto: Ang unang yugto ay nangyayari agad pagkatapos ng fault, kung saan ang DC-side capacitor ay mabilis na nag-discharge at ang DC current ay tumaas sa peak value nito sa loob ng ilang milisegundo.

Sa ikalawang yugto, pagkatapos ang capacitor voltage ay bumaba sa zero, ang kuryente na dadaanan ng mga diode ay maaaring umabot sa higit sa sampung beses ng kanilang rated current, nagpapahilo ang mga power electronic devices. Sa ikatlong yugto, kapag ang DC short-circuit current ay bumaba sa ibaba ng AC grid current, ang AC grid ay nagsisimula na mag-feed ng short-circuit current sa DC fault point. Ang DC ground fault ay walang ikalawang yugto; kundi, ang kanyang mga katangian ay katulad ng pole-to-pole fault.

Sa panahon ng AC current feed-in, ang fault current na dadaanan ng mga diode ay humigit-kumulang sampung beses ng kanilang rated current. Ang mga landas ng kuryente para sa dalawang uri ng DC short-circuit faults sa flexible DC system ay ipinapakita sa Fig. 2 at Fig. 3, kahit papano. Ang pag-install ng R-SFCL sa landas ng fault current ay mabilis na tataas ang resistance ng short-circuit loop, nagbibigay ng higit pang oras para sa fault clearance at nagbawas ng mga requirement sa inherent opening time at interrupting capacity ng DC circuit breakers.

3 Simulasyon at Analisis

Gamit ang PSCAD/EMTDC simulation software, ang naimpluwensyang R-SFCL model ay in-integrate sa itatag na two-terminal flexible DC system simulation model na may kapasidad ng 75 MW para sa verification. Ang pag-limit ng kuryente sa ilalim ng DC pole-to-pole fault ay ipinapakita sa Fig. 4, at iyon sa ilalim ng DC line-to-ground fault ay ipinapakita sa Fig. 5. Tulad ng makikita sa Fig. 4 at Fig. 5, ang peak fault current ay bumababa habang ang normal-state resistance ay tumaas. Evident na ang resistance ng R-SFCL at ang peak fault current pagkatapos ng installation ay may tiyak na decaying functional relationship.

Upang palawakin ang saklaw ng aplikasyon, ang orihinal na modelo ay unti-unting in-scale-up batay sa tatlong kapasidad ng sistema: 75 MW, 150 MW, at 300 MW. Sa kondisyon ng DC pole-to-pole short circuit at DC line-to-ground short circuit, ang relasyon sa pagitan ng normal-state resistance value ng R-SFCL at ang peak short-circuit current ay pinag-aralan sa pamamagitan ng pagkuha ng peak values ng short-circuit currents. Ang resulta ay ipinapakita sa Fig. 6 at Fig. 7.

Gamit ang curve-fitting function sa MATLAB, ang mga kurba sa Fig. 6 at Fig. 7 ay fitted nang hiwalay, na nagresulta sa functional expressions ng anyo f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, na may tiyak na mga parameter na nakalista sa Table 1. Ang differentiation ng fitted function ay nagbibigay ng f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Mula sa Table 1, makikita na para sa parehong tipo ng fault, ang parameter b ay halos hindi nagbabago, habang ang parameter a ay tumataas kasama ang kapasidad ng sistema. Dahil ang b ay relatibong maliit, ang slope expressions ng mga kurba para sa parehong tipo ng fault ay halos magkapareho.Dahil dito, ang mga R-SFCL na may parehong normal-state resistance ay nagpapakita ng parehong rate of change sa peak fault current sa iba't ibang kapasidad ng sistema para sa parehong tipo ng fault, na nagpapakita ng consistent current-limiting performance.

Karagdagang, habang ang normal-state resistance ng R-SFCL ay tumaas nang linear, ang kanyang current-limiting effectiveness ay unti-unting bumababa. Batay sa slopes ng mga kurba sa Fig. 6 at Fig. 7, ang optimal range ng normal-state resistance ng R-SFCL para sa maksimum na rate of reduction ng peak fault current ay 0–10 Ω.

4 Pagtatapos

Ang pag-install ng R-SFCL sa DC output side ng converter station sa flexible DC transmission system ay maaaring mabisa na bawasan ang DC short-circuit fault currents. Habang ang resistance value ng R-SFCL ay tumaas nang linear, ang kanyang current-limiting effect ay unti-unting bumababa. Sa kasalukuyang estado ng pagsasaliksik, engineering costs, at requirements sa lupain, inirerekomenda na ang optimal normal-state resistance range para sa R-SFCL ay 0–10 Ω.