Esnek DC iletim sistemleri için dirençli süperiletken akım sınırlayıcıların optimal direnç seçimine yönelik çalışma

1 Dirençli Süperiletken Akım Sınırlayıcı

1.1 Çalışma Prensibi

Elektrik ağlarının ölçeklerinin sürekli genişlemesiyle birlikte, yerel elektrik sistemlerinin kısa devre kapasiteleri hızla artmaktadır ve bu, ağ inşası ve işletmesine önemli zorluklar getirmektedir. Aşırı kısa devre akımları sorununu çözmek için süperiletkenlik prensiplerine dayalı süperiletken akım sınırlayıcılar (SFCL'ler) giderek daha fazla dikkat çekmektedir. Yüksek direnç durumuna geçiş sırasında gösterdikleri sönümleme özellikleri bağlı olarak, SFCL'ler dirençli ve endüktif türler olarak sınıflandırılabilir.

Bunlar arasında, dirençli süperiletken akım sınırlayıcı basit bir yapıya, kompakt bir boyuta ve hafif ağırlığa sahip olup, açık bir çalışma prensibi sunmaktadır. Yüksek direnç durumuna girdiğinde, akım-sınırlama impedansı keskin bir şekilde artarak güçlü bir hata akımı baskılayıcı yeteneği sağlar. Ayrıca, süperiletkenlerin serili veya paralel konfigürasyonları aracılığıyla cihaz kapasitesi esnek bir şekilde ayarlanabilir. Son yıllarda, oda sıcaklığında süperiletken malzemelerdeki atılımlar, hem akademi hem de endüstri tarafından dirençli SFCL'lerin gelecekteki gelişimin ana yönü olarak yaygın olarak görülmektedir.

Kritik akım, kritik manyetik alan ve kritik sıcaklık, bir süperiletkenin süperiletken durumda olup olmadığını belirleyen temel fiziksel parametrelerdir. Bu parametrelerden herhangi biri kritik değerini aşarsa, süperiletken süperiletken durumdan sönüm durumuna geçer. Sönümleme işlemi iki aşamadan oluşur: ilk olarak, akım akışı durumu, ardından normal dirençli durum. Süperiletkenin üzerinden geçen akım yoğunluğu, kritik akım yoğunluğunu aşarsa, süperiletken akım akışı durumuna girer.

Burada: E, elektrik alan şiddeti; EC, kritik elektrik alan şiddeti; J, akım yoğunluğu; JCT, kritik akım yoğunluğu; α, sabit; Tt1 ve Tt2, süperiletkenin t1 ve t2 zamanlarındaki sıcaklıklarıdır; QRS, t1 ile t2 arasındaki sürede Rs direncinden üretilen ısı; QC, t1–t2 zaman aralığında süperiletken ile çevresi arasındaki ısı değişimidir; Cm, süperiletkenin özgünicite kapasitesidir; JCT(77), 77 K (77 K, sıvı azot ortamının sıcaklığı) sıcaklığında kritik akım yoğunluğu; TC, kritik sıcaklık; T, süperiletkenin sıcaklığıdır.

Denklem (1)'e göre, akım yoğunluğu J arttığında, süperiletkenin elektrik alan şiddeti E hızla artar, bu da direncinde bir artışa neden olur. Artan direnç, termal etkiyi artırır ve Denklem (2)'ye göre, süperiletkenin sıcaklığı buna uygun olarak yükselir.

Denklem (3)'ten, sıcaklığın yükselişi kritik akım yoğunluğunu azalttığını, bu da elektrik alan gücünü E'nin artmasına, dolayısıyla süperiletkenin direncinin sürekli artmasına neden olduğunu bilinir. Direnç arttıkça, süperiletken tarafından üretilen ısı yavaş yavaş çevreye dağılan ısı ile dengeye gelir ve sıcaklık istikrarlı hale gelir, sonunda sabit dirençli normal duruma ulaşır.

1.2 R-SFCL'nin Esnek DC Sistemlerdeki Uygulaması

Esnek DC iletim sistemlerinde, DC akım doğal sıfır geçişlerine sahip değildir. Kısa devre hatası olduğunda, hata akımı hızla artarak sistemin elektrik ekipmanlarına ciddi bir tehdit oluşturur. Sistemin güvenilirliğini sağlamak için devre kesiciler hata hatasını hızlıca izole etmelidir. Şu anda, DC devre kesicileri henüz pratik uygulama gereksinimlerini tam olarak karşılamamaktadır.

DC tarafında hata olduğunda, genellikle AC tarafındaki devre kesiciler tetiklenir, ancak bu, dönüştürücü istasyonunun kapanmasına ve bu süre zarfında güç elektronik cihazlarının aşırı akım nedeniyle zarar görmesine neden olur. DC koruması birkaç milisaniye içinde tüm koruma dizisini tamamlamalıdır, ancak en hızlı AC devre kesicilerinin tipik açılış süresi 50 ms'dir, bu nedenle sistemdeki güç elektronik cihazlarını etkili bir şekilde koruyamaz.

Mevcut teknoloji, R-SFCL'lerin yaklaşık 3 ms içinde normal dirençli duruma ulaşmasını sağlar. Dirençli süperiletken akım sınırlayıcı, röle korumasından çok daha hızlı akım-sınırlama durumuna geçer ve hata temizlenmeden önce yüksek impedans durumuna ulaşır, bu da kısa devre akımını etkili bir şekilde azaltır.

2 Esnek DC Sistemlerdeki DC Hata Özellikleri

Hata noktasının konumu, sadece sistem impedansını etkiler, akım yolunu veya kısa devre hatasının temel özelliklerini etkilemez. Modelleme kolaylığı için, hata DC hattının orta noktasına yerleştirilir ve metali kısa devre olarak kabul edilir. İki uçlu esnek DC sistem simülasyon modeli ve R-SFCL modeli, ±110 kV sistem nominal voltajı ve 75 MW nominal güç ile PSCAD/EMTDC kullanılarak oluşturulmuştur. R-SFCL'in kurulum yeri Şekil 1'de gösterilmiştir.

DC kısa devre hatası olduğunda, IGBT hata akımını algıladığında anında bloke edilir. Ancak, IGBT ile paralel bağlanmış diodlar ve iletim hatları, IGBT engellenmiş olsa bile devam eden bir kontrol edilemeyen köprü dikdörtgen devresi oluşturur. Bir DC kutup-kutup kısa devre genellikle üç aşamaya ayrılabilir: İlk aşama, hata hemen ardından gerçekleşir, bu aşamada DC tarafındaki kondansatör hızla boşalır ve DC akım birkaç milisaniye içinde zirve değerine ulaşır.

İkinci aşamada, kondansatör gerilimi sıfıra düştükten sonra, diodlardan geçen akım, onların nominal akımının on katından fazla olabilir, bu da güç elektronik cihazlarının hasar görmesine oldukça yatkın hale gelir. Üçüncü aşamada, DC kısa devre akımı AC şebekesi akımından düşük seviyeye düşerse, AC şebekesi DC hata noktasına kısa devre akımı beslemeye başlar. DC toprak hatası, ikinci aşamaya sahip değildir; aksi halde, özellikleri kutup-kutup hatası ile benzerdir.

AC akım besleme sırasında, diodlardan geçen hata akımı, onların nominal akımının yaklaşık on katıdır. Bu iki tür DC kısa devre hatasının esnek DC sistemdeki akım yolları, Şekil 2 ve Şekil 3'te gösterilmiştir. Hata akım yoluna R-SFCL kurulumu, kısa devre döngüsünün direncini hızla artırarak, hata temizlenmesi için daha fazla zaman sağlar ve DC devre kesicilerinin doğal açılış süresi ve kesme kapasitesi gerekliliklerini azaltır.

3 Simülasyon Analizi

PSCAD/EMTDC simülasyon yazılımı kullanılarak, geliştirilen R-SFCL modeli, 75 MW kapasiteli iki uçlu esnek DC sistem simülasyon modeline entegre edilmiştir. DC kutup-kutup hatası altındaki akım-sınırlama performansı Şekil 4'te, DC hattı-to-pra hatası altındaki performans ise Şekil 5'te gösterilmiştir. Şekil 4 ve Şekil 5'ten, zirve hata akımının normal durum direnci arttıkça azaldığı görülmektedir. R-SFCL'in direnci ve montaj sonrası zirve hata akımı arasında belirli bir azalan fonksiyonel ilişki olduğu açıktır.

Uygulama alanını genişletmek için, orijinal model, 75 MW, 150 MW ve 300 MW olmak üzere üç sistem kapasitesine dayalı olarak adım adım ölçeklendirildi. DC kutup-kutup kısa devre ve DC hattı-to-pra kısa devre koşullarında, R-SFCL'in normal durum direnç değeri ile zirve kısa devre akımı arasındaki ilişki, kısa devre akımlarının zirve değerlerini elde ederek incelendi. Sonuçlar Şekil 6 ve Şekil 7'de gösterilmiştir.

MATLAB'deki eğri uyarlama fonksiyonu kullanılarak, Şekil 6 ve Şekil 7'deki eğriler uyarlama yapıldı, bu da f(x) = ae⁻ᵇˣ + c formundaki fonksiyonel ifadeleri verdi, spesifik parametreler Tablo 1'de listelenmiştir. Uyarlama fonksiyonunun türevi f'(x) = -abe⁻ᵇˣ şeklindedir. Tablo 1'den, aynı hatanın parametre b'nin neredeyse sabit kalırken, parametre a'nın sistem kapasitesiyle arttığı görülmektedir. b'nin küçük olması, aynı hatanın eğri denklemlerinin eğim ifadelerinin neredeyse aynı olmasını sağlar.Bu nedenle, aynı normal durum direncine sahip R-SFCL'ler, aynı hatanın farklı sistem kapasitelerinde zirve hata akımının değişme hızında aynı performans gösterir, bu da tutarlı akım-sınırlama performansını gösterir.

Ayrıca, R-SFCL'in normal durum direnci doğrusal olarak arttıkça, akım-sınırlama etkinliği yavaş yavaş azalmaktadır. Şekil 6 ve Şekil 7'deki eğrilerin eğimlerine dayanarak, zirve hata akımının azalma hızını maksimize etmek için R-SFCL'in normal durum direncinin optimal aralığı 0-10 Ω olarak belirlenmiştir.

4 Sonuç

Esnek DC iletim sisteminde bir dönüştürücü istasyonunun DC çıkışı üzerinde R-SFCL kurulumu, DC kısa devre hatası akımlarını etkili bir şekilde azaltabilir. R-SFCL'in direnç değeri doğrusal olarak arttıkça, akım-sınırlama etkisi yavaş yavaş azalmaktadır. Mevcut araştırma durumunu, mühendislik maliyetlerini ve arazi gereksinimlerini göz önünde bulundurarak, R-SFCL için optimal normal durum direnç aralığı 0-10 Ω olarak önerilmektedir.