فلیکسیبل ڈی سی ترانسفر سسٹم کے لئے رزسٹو سپر کنڈکٹنگ فلٹ کرنٹ لیمیٹرز کے لئے بہترین مزاحمت کا انتخاب پر مطالعہ

1 مقاوم سپری کننده جریان خطا بر مبنای ابررسانایی

1.1 عملکرد کاری

با افزایش مقیاس شبکه های برق، ظرفیت خطا در سیستم های توزیع برق داخلی به طور سریع افزایش می یابد که چالش های قابل توجهی را برای ساخت و عملیات شبکه مطرح می کند. برای حل مشکل افزایش بیش از حد جریان خطا، محدودکننده های جریان خطا مبتنی بر اصول ابررسانایی (SFCLs) توجه بیشتری را دریافت می کنند. بر اساس ویژگی های میرایی آنها در حال عبور به حالت مقاومت بالا، SFCLs می توانند به دو نوع مقاومتی و القایی تقسیم شوند.

از این میان، محدودکننده جریان خطا مقاومتی ابررسانایی با ساختار ساده، اندازه کوچک و وزن سبک، با اصل کاری واضح مجهز است. هنگامی که به حالت مقاومت بالا می رسد، مانع جریان آن به طور قابل توجهی افزایش می یابد که قابلیت قوی محدودسازی جریان خطا را فراهم می کند. علاوه بر این، ظرفیت دستگاه می تواند با استفاده از پیکربندی سری یا موازی ابررساناهای تنظیم شود. در سال های اخیر، پیشرفت هایی در مواد ابررسانایی در دمای اتاق انجام شده است که هم دانشگاهیان و هم صنعت به طور گسترده محدودکننده های جریان خطا مقاومتی را به عنوان جهت اصلی توسعه در آینده می بینند.

جریان بحرانی، میدان مغناطیسی بحرانی و دمای بحرانی پارامترهای فیزیکی کلیدی برای تعیین اینکه آیا یک ابررسانا در حالت ابررسانایی است یا نه، هستند. هنگامی که هر یک از این پارامترها بیش از مقدار بحرانی خود شود، ابررسانا از حالت ابررسانایی به حالت خاموشی می رود. فرآیند خاموشی شامل دو مرحله است: ابتدا حالت جریان میدان مغناطیسی و سپس حالت مقاومتی عادی. وقتی که چگالی جریان عبوری از ابررسانا بیش از چگالی جریان بحرانی آن می شود، ابررسانا وارد حالت جریان میدان مغناطیسی می شود.

که در آن: E شدت میدان الکتریکی است؛ EC شدت میدان الکتریکی بحرانی است؛ J چگالی جریان است؛ JCT چگالی جریان بحرانی است؛ α ثابت است؛ Tt1 و Tt2 دماهای ابررسانا در زمان های t1 و t2 هستند؛ QRS گرمای تولید شده توسط مقاومت Rs از t1 تا t2 است؛ QC گرمای مبادله شده بین ابررسانا و محیط اطراف آن در بازه زمانی t1–t2 است؛ Cm ظرفیت گرمایی خاص ابررسانا است؛ JCT(77) چگالی جریان بحرانی در 77 K (77 K دمای محیط نیتروژن مایع است)؛ TC دمای بحرانی است؛ T دمای ابررسانا است.

بر اساس معادله (1)، هنگامی که چگالی جریان J افزایش می یابد، شدت میدان الکتریکی E ابررسانا به طور سریع افزایش می یابد که منجر به افزایش مقاومت آن می شود. افزایش مقاومت اثر گرمایی را تقویت می کند و همانطور که در معادله (2) نشان داده شده است، دمای ابررسانا به طور متناسب افزایش می یابد.

از معادله (3) معلوم است که افزایش دما چگالی جریان بحرانی را کاهش می دهد، که منجر به افزایش شدت میدان الکتریکی E می شود و این باعث می شود مقاومت ابررسانا به طور مداوم افزایش یابد. با افزایش مقاومت، گرمای تولید شده توسط ابررسانا به تدریج با گرمای منتشر شده به محیط اطراف متعادل می شود و دما پایدار می شود و در نهایت به حالت مقاومت عادی ثابت می رسد.

1.2 کاربرد R-SFCL در سیستم های DC انعطاف پذیر

در سیستم های انتقال DC انعطاف پذیر، جریان DC نداشته خطوط صفر طبیعی. هنگامی که خطا در سمت DC رخ می دهد، جریان خطا به سرعت افزایش می یابد که تهدید جدی برای تجهیزات الکتریکی در سیستم است. برای تضمین قابلیت اطمینان سیستم، برش های مدار باید به سرعت خط خراب را جدا کنند. در حال حاضر، برش های مدار DC هنوز به طور کامل نیازهای کاربردی را برآورده نمی کنند.

وقتی که خطا در سمت DC رخ می دهد، معمولاً برش های مدار AC فعال می شوند، اما این حتماً منجر به توقف ایستگاه تبدیل می شود و دستگاه های الکترونیکی قدرت ممکن است به دلیل جریان بیش از حد در این دوره آسیب ببینند. محافظت DC باید تمام دنباله محافظت را در چند میلی ثانیه کامل کند، در حالی که سریع ترین زمان عمل برش های مدار AC معمولاً 50 میلی ثانیه است که آنها را قادر به محافظت مؤثر از دستگاه های الکترونیکی قدرت در سیستم نمی کند.

فناوری فعلی امکان می دهد که R-SFCL ها در حدود 3 میلی ثانیه به حالت مقاومت عادی برسند. محدودکننده جریان خطا مقاومتی ابررسانایی بسیار سریع تر از عملکرد محافظ رله ای به حالت محدودسازی جریان می رود و قبل از رفع خطا به حالت مقاومت بالا می رسد که به طور مؤثر جریان خطا را کاهش می دهد.

2 ویژگی های خطا DC در سیستم های DC انعطاف پذیر

مکان نقطه خطا فقط میزان امپدانس سیستم را تحت تاثیر قرار می دهد، نه مسیر جریان یا ویژگی های اساسی خطا. برای راحتی مدل سازی، خطا در نقطه میانی خط DC قرار داده شده و فرض می شود که یک خطا فلزی است. یک مدل شبیه سازی سیستم DC دوطرفه انعطاف پذیر و یک مدل R-SFCL با استفاده از PSCAD/EMTDC ساخته شده است، با ولتاژ اسمی سیستم ±110 kV و قدرت اسمی 75 MW. مکان نصب R-SFCL در شکل 1 نشان داده شده است.

هنگامی که خطا DC رخ می دهد، IGBT با استفاده از عملکرد بلاکینگ آن هنگامی که جریان خطا را تشخیص می دهد، فوراً بلاک می شود. با این حال، دیود های متصل به IGBT و خطوط انتقال یک مدار مستقیم غیرقابل کنترل تشکیل می دهند که حتی بعد از بلاک شدن IGBT هم کمونوتاسیون را ادامه می دهد. خطا DC قطب به قطب می تواند به طور اصلی به سه مرحله تقسیم شود: مرحله اول فوراً بعد از خطا رخ می دهد، در آن زمان کندکتور سمت DC به سرعت تخلیه می شود و جریان DC در چند میلی ثانیه به مقدار قله خود می رسد.

در مرحله دوم، بعد از اینکه ولتاژ کندکتور به صفر می رسد، جریان عبوری از دیود ها می تواند بیش از ده برابر جریان اسمی آنها شود که دستگاه های الکترونیکی قدرت بسیار حساس به آسیب می شوند. در مرحله سوم، وقتی که جریان خطا DC زیر جریان شبکه AC بیاید، شبکه AC شروع به تغذیه جریان خطا به نقطه خطا DC می کند. خطا DC زمینی مرحله دوم ندارد؛ در غیر این صورت، ویژگی های آن مشابه خطا قطب به قطب است.

در زمان تغذیه جریان AC، جریان خطا عبوری از دیود ها تقریباً ده برابر جریان اسمی آنها است. مسیرهای جریان برای این دو نوع خطا DC در سیستم DC انعطاف پذیر در شکل 2 و شکل 3 نشان داده شده اند. نصب R-SFCL در طول مسیر جریان خطا می تواند مقاومت حلقه خطا را به سرعت افزایش دهد، که زمان بیشتری برای رفع خطا فراهم می کند و نیاز به زمان باز شدن ذاتی و ظرفیت قطع برش های مدار DC را کاهش می دهد.

3 تحلیل شبیه سازی

با استفاده از نرم افزار شبیه سازی PSCAD/EMTDC، مدل توسعه یافته R-SFCL در مدل شبیه سازی سیستم DC دوطرفه انعطاف پذیر با ظرفیت 75 MW برای تأیید یکپارچه شده است. عملکرد محدودسازی جریان در خطا DC قطب به قطب در شکل 4 و در خطا DC خط به زمین در شکل 5 نشان داده شده است. از شکل 4 و شکل 5 می توان دید که جریان خطا قله ای با افزایش مقاومت حالت عادی کاهش می یابد. واضح است که مقاومت R-SFCL و جریان خطا قله ای پس از نصب رابطه تابعی کاهشی دارند.

برای گسترش دامنه کاربرد، مدل اصلی به تدریج بر اساس سه ظرفیت سیستم: 75 MW، 150 MW و 300 MW مقیاس بندی شده است. در شرایط خطا DC قطب به قطب و خطا DC خط به زمین، رابطه بین مقدار مقاومت حالت عادی R-SFCL و جریان خطا قله ای با دریافت مقادیر قله ای جریان خطا مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج در شکل 6 و شکل 7 نشان داده شده است.

با استفاده از تابع برازش منحنی در MATLAB، منحنی های شکل 6 و شکل 7 به ترتیب برازش شده اند که منجر به بیان تابعی به شکل f(x) = ae⁻ᵇˣ + c شده است، با پارامترهای خاص در جدول 1. مشتق تابع برازش شده f'(x) = -abe⁻ᵇˣ است. از جدول 1 می توان دید که برای نوع خطا یکسان، پارامتر b تقریباً ثابت می ماند، در حالی که پارامتر a با ظرفیت سیستم افزایش می یابد. از آنجا که b نسبتاً کوچک است، بیان تابع شیب منحنی ها برای نوع خطا یکسان تقریباً یکسان است.بنابراین، R-SFCL ها با مقاومت حالت عادی یکسان نرخ یکسانی از تغییر در جریان خطا قله ای را در ظرفیت های مختلف سیستم برای نوع خطا یکسان نشان می دهند که عملکرد محدودسازی جریان یکسانی را نشان می دهد.

علاوه بر این، با افزایش خطی مقاومت حالت عادی R-SFCL، کارایی محدودسازی جریان آن به تدریج کاهش می یابد. بر اساس شیب منحنی ها در شکل 6 و شکل 7، محدوده بهینه مقاومت حالت عادی R-SFCL برای حداکثر کردن نرخ کاهش جریان خطا قله ای 0-10 Ω است.

4 نتیجه گیری

نصب R-SFCL در سمت خروجی DC ایستگاه تبدیل در سیستم انتقال DC انعطاف پذیر می تواند جریان خطا DC را به طور مؤثر کاهش دهد. با افزایش خطی مقاومت R-SFCL، اثر محدودسازی جریان آن به تدریج کاهش می یابد. با توجه به وضعیت تحقیقات فعلی، هزینه های مهندسی و نیازهای مساحت زمین، پیشنهاد می شود که محدوده بهینه مقاومت حالت عادی R-SFCL 0-10 Ω باشد.