Дослідження оптимального вибору опору резистивних надпровідних обмежувачів току спричинених аварій для систем гнучкої постійної передачі електроенергії

1 Резистивний суперпровідний обмежувач струму при аварії

1.1 Принцип роботи

З поширенням електроенергетичних мереж швидко зростає їхня короткозамкненна спроможність, що створює значні виклики для будівництва та експлуатації мереж. Для вирішення проблеми надмірного короткозамкненого струму все більш уваги приділяється суперпровідним обмежувачам струму (SFCLs) на основі принципів суперпровідності. В залежності від їхньої демпфуючої характеристики при переході до стану високої опору, SFCLs можна поділити на резистивні та індуктивні типи.

Серед них, резистивний суперпровідний обмежувач струму має просту конструкцію, компактні розміри, невелику вагу та чіткий принцип роботи. Коли він переходить до стану високої опору, його опір дуже сильно зростає, забезпечуючи потужну здатність підавлення аварійного струму. Крім того, ємність пристрою можна гнучко регулювати через серійне або паралельне з'єднання суперпровідників. У недавні роки з’явилися переломи в області кімнатно-температурних суперпровідних матеріалів, що призводить до широкого визнання резистивних SFCLs як головного напрямку розвитку в майбутньому як в наукових, так і в промислових колах.

Критичний струм, критичне магнітне поле та критична температура — це ключові фізичні параметри, які визначають, чи знаходиться суперпровідник у суперпровідному стані. Коли будь-який з цих параметрів перевищує свій критичний значення, суперпровідник переходить від суперпровідного стану до квашеного. Процес квашення складається з двох етапів: спочатку стани текучості магнітного потоку, а потім нормальний резистивний стан. Коли густота струму, що проходить через суперпровідник, перевищує критичну густоту струму, суперпровідник входить у стан текучості магнітного потоку.

Де: E — напруженість електричного поля; EC — критична напруженість електричного поля; J — густота струму; JCT — критична густота струму; α — константа; Tt1 та Tt2 — температури суперпровідника в моменти часу t1 та t2 відповідно; QRS — тепло, виділене опором Rs за період t1–t2; QC — тепло, обмінене між суперпровідником та оточуючим середовищем за період t1–t2; Cm — питома теплова ємність суперпровідника; JCT(77) — критична густота струму при 77 K (77 K — температура середовища рідинного азоту); TC — критична температура; T — температура суперпровідника.

Згідно з рівнянням (1), коли густота струму J зростає, напруженість електричного поля E суперпровідника швидко зростає, що призводить до збільшення його опору. Збільшення опору підсилює тепловий ефект, і, як показано в рівнянні (2), температура суперпровідника відповідно зростає.

Згідно з рівнянням (3), зростання температури зменшує критичну густоту струму, що ще більше збільшує напруженість електричного поля E, що призводить до постійного зростання опору суперпровідника. Коли опір зростає, тепло, виділене суперпровідником, поступово збалансовується зі стравленням тепла до оточуючого середовища, і температура стабілізується, досягаючи сталого резистивного нормального стану.

1.2 Застосування R-SFCL у гнучких DC системах

У гнучких системах передачі постійного струму, DC струм не має природних нульових перетинів. Якщо відбувається короткозамкнення, аварійний струм швидко зростає, створюючи серйозну загрозу для електрообладнання системи. Для забезпечення надійності системи, комутатори повинні швидко ізольувати лінію з аварією. На даний момент, DC комутатори ще не повністю задовольняють вимоги практичного застосування.

При аварії на стороні DC, зазвичай відключаються комутатори на стороні AC, але це необхідно призводить до зупинки станції змінного струму, і елементи силової електроніки можуть бути пошкоджені через надмірний струм. DC захист повинен завершити весь процес захисту за кілька мілісекунд, тоді як найшвидший час роботи комутаторів AC зазвичай становить 50 мс, що робить їх нездатними ефективно захищати елементи силової електроніки в системі.

Сучасна технологія дозволяє R-SFCL досягати нормального резистивного стану за близько 3 мс. Резистивний суперпровідний обмежувач струму переходить у режим обмеження струму набагато швидше, ніж працює реле-захист, і досягає високоопірного стану перед виключенням аварії, що дозволяє ефективно знизити короткозамкнений струм.

2 Характеристики DC аварій у гнучких DC системах

Місце аварії впливає лише на опір системи, а не на шлях струму або основні характеристики короткозамкнення. Для зручності моделювання, аварія розташовується в середині DC лінії і припускається, що це металеве коротке замикання. Створюється модель симуляції двокінцевої гнучкої DC системи та модель R-SFCL за допомогою PSCAD/EMTDC, з номінальною напругою ±110 кВ та номінальною потужністю 75 МВт. Місце встановлення R-SFCL показано на рис. 1.

При виникненні DC короткозамкнення, IGBT виявляється і негайно блокується через свою функцію блокування, відчуваючи аварійний струм. Однак, діоди, з'єднані паралельно з IGBT, та лінії передачі формують неконтрольовану містову схему, що дозволяє продовжувати комутацію, навіть після блокування IGBT. DC полюсне короткозамкнення можна головним чином розділити на три етапи: на першому етапі, негайно після аварії, DC-сторонній конденсатор швидко розряджається, і DC струм досягає свого пікового значення за кілька мілісекунд.

На другому етапі, після того, як напруга конденсатора спадає до нуля, струм, що проходить через діоди, може досягнути більше десяти разів їх номінального струму, що робить елементи силової електроніки вразливими до пошкодження. На третьому етапі, коли DC короткозамкнений струм спадає нижче струму AC мережі, AC мережа починає підтримувати короткозамкнений струм до точки DC аварії. DC заземлення не має другого етапу; інакше, його характеристики схожі на характеристики полюсного короткозамкнення.

Під час підтримки струму AC, струм, що проходить через діоди, становить приблизно десять разів більше їх номінального струму. Шляхи струму для цих двох типів DC короткозамкнень у гнучкій DC системі показані на рис. 2 та 3 відповідно. Встановлення R-SFCL вздовж шляху аварійного струму може швидко збільшити опір короткозамкненої петлі, надаючи більше часу для виключення аварії та зменшуючи вимоги до власного часу відкриття та пропускної спроможності комутаторів DC.

3 Аналіз симуляції

За допомогою програмного забезпечення для симуляції PSCAD/EMTDC, розроблена модель R-SFCL інтегрується в встановлену модель симуляції двокінцевої гнучкої DC системи з потужністю 75 МВт для перевірки. Потужність обмеження струму при DC полюсному короткозамкненні показана на рис. 4, а при DC короткозамкненні на землю — на рис. 5. Як видно з рис. 4 та 5, піковий аварійний струм зменшується зі збільшенням опору в нормальному стані. Очевидно, що опір R-SFCL та піковий аварійний струм після встановлення мають певну спадну функціональну залежність.

Для розширення області застосування, оригінальна модель поступово масштабувалася на основі трьох системних потужностей: 75 МВт, 150 МВт та 300 МВт. При умовах DC полюсного короткозамкнення та DC короткозамкнення на землю вивчалася залежність між опором в нормальному стані R-SFCL та піковим короткозамкненим струмом, отримуючи пікові значення короткозамкнених струмів. Результати показані на рис. 6 та 7.

З використанням функції наближення кривих в MATLAB, криві на рис. 6 та 7 наближено відповідно, отримуючи функціональні вирази форми f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, з конкретними параметрами, наведеними в таблиці 1. Диференціювання наближеної функції дає f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. З таблиці 1 можна помітити, що для одного і того ж типу аварії, параметр b залишається майже сталою, тоді як параметр a зростає зі зростанням потужності системи. Оскільки b є відносно невеликим, вирази нахилу кривих для одного і того ж типу аварії є майже однаковими.Тому, R-SFCL з однаковим опором в нормальному стані мають однакову швидкість зміни пікового аварійного струму для різних потужностей системи при одному і тому ж типі аварії, що вказує на стабільну потужність обмеження струму.

Крім того, з лінійним зростанням опору в нормальному стані R-SFCL, його ефективність обмеження струму поступово зменшується. На основі нахилів кривих на рис. 6 та 7, оптимальний діапазон опору в нормальному стані R-SFCL для максимізації швидкості зменшення пікового аварійного струму становить 0–10 Ом.

4 Висновки

Встановлення R-SFCL на стороні DC виходу станції змінного струму в гнучкій DC системі передачі може ефективно знизити DC короткозамкнені аварійні струми. З лінійним зростанням опору R-SFCL, його ефективність обмеження струму поступово зменшується. враховуючи поточний стан досліджень, вартість інженерних робіт та вимоги до площі, рекомендується, щоб оптимальний діапазон опору в нормальному стані для R-SFCL становив 0–10 Ом.