Nghiên cứu về việc lựa chọn điện trở tối ưu cho thiết bị hạn chế dòng điện ngắn mạch siêu dẫn dựa trên điện trở cho hệ thống truyền tải DC linh hoạt

1 Giới hạn dòng điện lỗi siêu dẫn kháng

1.1 Nguyên lý hoạt động

Khi quy mô lưới điện tiếp tục mở rộng, dung lượng ngắn mạch của hệ thống điện trong nước đang tăng nhanh, tạo ra những thách thức đáng kể cho việc xây dựng và vận hành lưới điện. Để giải quyết vấn đề về dòng điện ngắn mạch quá mức, giới hạn dòng điện lỗi siêu dẫn (SFCLs) dựa trên nguyên lý siêu dẫn đang nhận được sự quan tâm ngày càng lớn. Dựa trên đặc tính giảm chấn khi chuyển sang trạng thái kháng cao, SFCLs có thể được phân loại thành loại kháng và cảm.

Trong số đó, giới hạn dòng điện lỗi siêu dẫn kháng có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ, với nguyên lý hoạt động rõ ràng. Khi nó chuyển sang trạng thái kháng cao, trở kháng giới hạn dòng điện của nó tăng đột ngột, cung cấp khả năng ức chế dòng điện lỗi mạnh mẽ. Ngoài ra, công suất của thiết bị có thể được điều chỉnh linh hoạt thông qua cấu hình nối tiếp hoặc song song của các chất siêu dẫn. Trong những năm gần đây, đã có những đột phá về vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, khiến cả học thuật và ngành công nghiệp đều coi giới hạn dòng điện lỗi siêu dẫn kháng là hướng phát triển chính trong tương lai.

Dòng điện tới hạn, trường từ tới hạn và nhiệt độ tới hạn là các tham số vật lý quan trọng để xác định xem một chất siêu dẫn có đang ở trạng thái siêu dẫn hay không. Khi bất kỳ tham số nào vượt quá giá trị tới hạn của nó, chất siêu dẫn sẽ chuyển từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái tắt. Quá trình tắt bao gồm hai giai đoạn: đầu tiên là trạng thái dòng từ, sau đó là trạng thái kháng bình thường. Khi mật độ dòng điện qua chất siêu dẫn vượt quá mật độ dòng điện tới hạn, chất siêu dẫn sẽ chuyển sang trạng thái dòng từ.

Trong đó: E là cường độ điện trường; EC là cường độ điện trường tới hạn; J là mật độ dòng điện; JCT là mật độ dòng điện tới hạn; α là hằng số; Tt1 và Tt2 là nhiệt độ của chất siêu dẫn tại thời điểm t1 và t2 tương ứng; QRS là nhiệt sinh ra bởi kháng Rs từ t1 đến t2; QC là nhiệt trao đổi giữa chất siêu dẫn và môi trường xung quanh trong khoảng thời gian t1–t2; Cm là nhiệt dung riêng của chất siêu dẫn; JCT(77) là mật độ dòng điện tới hạn tại 77 K (77 K là nhiệt độ của môi trường nitơ lỏng); TC là nhiệt độ tới hạn; T là nhiệt độ của chất siêu dẫn.

Theo phương trình (1), khi mật độ dòng điện J tăng, cường độ điện trường E của chất siêu dẫn tăng nhanh, dẫn đến tăng kháng. Kháng tăng làm tăng hiệu ứng nhiệt, và như phương trình (2) cho thấy, nhiệt độ của chất siêu dẫn cũng tăng theo.

Từ phương trình (3), ta biết rằng nhiệt độ tăng làm giảm mật độ dòng điện tới hạn, làm tăng cường độ điện trường E, khiến kháng của chất siêu dẫn liên tục tăng. Khi kháng tăng, nhiệt sinh ra bởi chất siêu dẫn dần cân bằng với nhiệt tỏa ra môi trường, và nhiệt độ ổn định, cuối cùng đạt trạng thái kháng bình thường không đổi.

1.2 Ứng dụng của R-SFCL trong hệ thống DC linh hoạt

Trong hệ thống truyền tải DC linh hoạt, dòng điện DC thiếu điểm giao nhau tự nhiên. Khi xảy ra lỗi ngắn mạch, dòng điện lỗi tăng nhanh, gây mối đe dọa nghiêm trọng đối với thiết bị điện trong hệ thống. Để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống, cầu chì phải nhanh chóng cách ly đường dây lỗi. Hiện nay, cầu chì DC vẫn chưa đáp ứng đầy đủ yêu cầu ứng dụng thực tế.

Khi xảy ra lỗi phía DC, cầu chì phía AC thường được cắt, nhưng điều này không tránh khỏi khiến trạm biến đổi ngừng hoạt động, và các thiết bị điện tử có thể bị hỏng do dòng điện quá mức trong thời gian này. Bảo vệ DC phải hoàn thành toàn bộ chuỗi bảo vệ trong vài mili giây, trong khi thời gian hoạt động nhanh nhất của cầu chì AC thường là 50 ms, khiến chúng không thể bảo vệ hiệu quả các thiết bị điện tử trong hệ thống.

Công nghệ hiện tại cho phép R-SFCL đạt trạng thái kháng bình thường trong khoảng 3 ms. Giới hạn dòng điện lỗi siêu dẫn kháng chuyển sang trạng thái giới hạn dòng điện nhanh hơn nhiều so với bảo vệ rơle, và đạt trạng thái kháng cao trước khi lỗi được khắc phục, do đó giảm hiệu quả dòng điện ngắn mạch.

2 Đặc trưng lỗi DC trong hệ thống DC linh hoạt

Vị trí điểm lỗi chỉ ảnh hưởng đến trở kháng hệ thống, không ảnh hưởng đến đường đi của dòng điện hoặc đặc trưng cơ bản của lỗi ngắn mạch. Để tiện mô phỏng, lỗi được đặt ở giữa đường dây DC và giả định là ngắn mạch kim loại. Mô hình mô phỏng hệ thống DC linh hoạt hai đầu và mô hình R-SFCL được xây dựng bằng PSCAD/EMTDC, với điện áp định mức của hệ thống là ±110 kV và công suất định mức là 75 MW. Vị trí lắp đặt R-SFCL được hiển thị trong Hình 1.

Khi xảy ra lỗi ngắn mạch DC, IGBT được phát hiện và ngay lập tức chặn bằng chức năng chặn khi phát hiện dòng điện lỗi. Tuy nhiên, các điôt nối song song với IGBT và đường dây truyền tải tạo thành mạch chỉnh lưu cầu không kiểm soát, cho phép tiếp tục hoán vị ngay cả khi IGBT bị chặn. Lỗi ngắn mạch cực-đất DC có thể được chia thành ba giai đoạn: Giai đoạn đầu xảy ra ngay sau khi lỗi, trong đó tụ điện phía DC xả nhanh và dòng điện DC tăng lên đỉnh trong vài mili giây.

Ở giai đoạn thứ hai, sau khi điện áp tụ điện giảm về không, dòng điện qua điôt có thể đạt hơn mười lần dòng điện định mức, khiến các thiết bị điện tử rất dễ bị hỏng. Ở giai đoạn thứ ba, khi dòng điện ngắn mạch DC giảm dưới dòng điện lưới AC, lưới AC bắt đầu cung cấp dòng điện ngắn mạch vào điểm lỗi DC. Lỗi ngắn mạch đất DC không có giai đoạn thứ hai; ngược lại, đặc trưng của nó tương tự như lỗi cực-đất.

Trong quá trình cung cấp dòng điện AC, dòng điện lỗi qua điôt khoảng mười lần dòng điện định mức. Đường đi của hai loại lỗi ngắn mạch DC trong hệ thống DC linh hoạt được minh họa trong Hình 2 và Hình 3 tương ứng. Việc lắp đặt R-SFCL dọc theo đường đi của dòng điện lỗi có thể nhanh chóng tăng kháng của vòng lặp ngắn mạch, cung cấp thêm thời gian để khắc phục lỗi và giảm yêu cầu về thời gian mở và công suất cắt của cầu chì DC.

3 Phân tích mô phỏng

Sử dụng phần mềm mô phỏng PSCAD/EMTDC, mô hình R-SFCL đã phát triển được tích hợp vào mô hình mô phỏng hệ thống DC linh hoạt hai đầu có công suất 75 MW để kiểm tra. Hiệu suất giới hạn dòng điện dưới lỗi ngắn mạch cực-đất DC được hiển thị trong Hình 4, và dưới lỗi ngắn mạch đường dây-đất DC được hiển thị trong Hình 5. Có thể thấy từ Hình 4 và Hình 5, dòng điện lỗi đỉnh giảm khi kháng trạng thái bình thường tăng. Rõ ràng, kháng của R-SFCL và dòng điện lỗi đỉnh sau khi lắp đặt có mối quan hệ hàm số suy giảm nhất định.

Để mở rộng phạm vi ứng dụng, mô hình ban đầu được mở rộng dần dựa trên ba công suất hệ thống: 75 MW, 150 MW, và 300 MW. Dưới điều kiện ngắn mạch cực-đất DC và ngắn mạch đường dây-đất DC, mối quan hệ giữa giá trị kháng trạng thái bình thường của R-SFCL và dòng điện ngắn mạch đỉnh được nghiên cứu bằng cách lấy giá trị đỉnh của dòng điện ngắn mạch. Kết quả được hiển thị trong Hình 6 và Hình 7.

Sử dụng chức năng khớp đường cong trong MATLAB, các đường cong trong Hình 6 và Hình 7 được khớp tương ứng, kết quả là biểu thức hàm dạng f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, với các tham số cụ thể được liệt kê trong Bảng 1. Đạo hàm của hàm khớp là f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Từ Bảng 1, có thể thấy rằng cho cùng một loại lỗi, tham số b gần như không đổi, trong khi tham số a tăng theo công suất hệ thống. Do b tương đối nhỏ, các biểu thức độ dốc của đường cong cho cùng một loại lỗi gần như giống nhau.Do đó, R-SFCL có cùng kháng trạng thái bình thường thể hiện cùng tốc độ thay đổi dòng điện lỗi đỉnh trên các công suất hệ thống khác nhau cho cùng một loại lỗi, cho thấy hiệu suất giới hạn dòng điện đồng nhất.

Ngoài ra, khi kháng trạng thái bình thường của R-SFCL tăng tuyến tính, hiệu quả giới hạn dòng điện của nó dần giảm. Dựa trên độ dốc của các đường cong trong Hình 6 và Hình 7, phạm vi kháng trạng thái bình thường tối ưu của R-SFCL để tối đa hóa tốc độ giảm dòng điện lỗi đỉnh là 0–10 Ω.

4 Kết luận

Việc lắp đặt R-SFCL trên phía xuất DC của trạm biến đổi trong hệ thống truyền tải DC linh hoạt có thể giảm hiệu quả dòng điện lỗi ngắn mạch DC. Khi giá trị kháng của R-SFCL tăng tuyến tính, hiệu quả giới hạn dòng điện của nó dần giảm. Xem xét tình trạng nghiên cứu hiện tại, chi phí kỹ thuật và yêu cầu diện tích đất, đề xuất phạm vi kháng trạng thái bình thường tối ưu cho R-SFCL là 0–10 Ω.