Voolu piiraja | Tehnoloogia & võrgu stabiilsuse mõju

1 Sissejuhatus veafolmega piirikute (FCL) tehnoloogiasse

Traditsioonilised passiivsed veafolmega piirikute meetodid – nagu kõrge impedantsiga transformatortöötlus, fikseeritud reaktorite kasutamine või poolitusega juhega töötlus – kannatavad loomuliku alati olevate puuduste all, sealhulgas võrgu struktuuri häirimise, püsiva süsteemi impedantsi suurenemise ja süsteemi turvalisuse ning stabiilsuse vähenemise tõttu. Need lähenemised muutuvad üha vähem sobilikult tänapäevaste keeruliste ja suurte võrgude jaoks.

Vastupidiselt aktiivsed veafolmega piirikute tehnoloogiad, mida esindavad Fault Current Limiters (FCL), näitavad madalat impedantsi normaalse tööajal. Kui tekib viga, siis FCL kiiresti ümber lülitub kõrge impedantsiga olekusse, piirides veafolme efektiivselt madalamale tasemele, lubades nii veafolmega dinamilist kontrolli. FCL-d on arenenud traditsioonilisest sarireaktori põhjal põhinevast veafolmega piirikust integreerides uusi tehnoloogiaid, nagu elektronika, superjuhavus ja magnetringide kontroll.

FCL-i põhiline printsiip võib lihtsustatud mudelina välja näidata järgmiselt: normaalsel tööperioodil on lülitus K kinni, FCL ei jaga mingit veafolmega piirivat impedantsi. Vaid kui tekib viga, siis K kiiresti avaneb, lisades reaktori veafolmega piirimiseks.

Enamik FCL-i põhineb selle põhiline mudelil või selle laiendatud variantidel. Eriti erinevused erinevates FCL-de vahel on veafolmega piirivas impedantsis, lülituse K rakenduses ja seotud juhtimisstrateegiates.

2 FCL rakendusmeetodid ja rakenduse seisund

2.1 Superjuhavusega veafolmega piirikud (SFCL)

SFCL-d saab klassifitseerida kvencityypideks või mitte-kvencityypideks sõltuvalt sellest, kas need kasutavad superjuhavuse transitsioonist superjuhavusest tavajuhatuseks (S/N transitsioon) veafolmega piirimiseks. Struktureeriliselt on need edasi jagatud vastupanulike, silindrikuju, magneetkilpkonna, transformatorkuju või satueerunud südamega tüübid. Kvencityyplised SFCL-d toetuvad S/N transitsioonile (kui temperatuur, magneettväli või folm ületab kriitilisi väärtusi), kus superjuhavus nullrestsusest ümber lülitub kõrge restsusega, piirides nii veafolme.

Mitte-kvencityyplised SFCL-d kombinivad superjuhavusega spiraalid teiste komponentidega (nt elektronika või magneetelemente) ja juhivad operatsioonimoodi, et piirida lühikesed folmed. Praktiline SFCL-de rakendamine kohtab ühiseid superjuhavuse probleeme, nagu kulud ja külmendamise efektiivsus. Lisaks on kvencityypliste SFCL-de pikk taastumisaeg, mis võib konflikteerida süsteemi uuesti lülitamisega, samas kui mitte-kvencityypliste SFCL-de impedantsimuutused võivad mõjutada relvälist kaitsmist, nõudes uuesti seadistamist.

2.2 Magneetelementidega veafolmega piirikud

Need on jagatud fluxi tühistamise ja magneetsatueerunud lülituse tüüpideks. Fluxi tühistamise tüübil on sama südames kaks vastandlikku polaarset spiraali. Normaalsel tööajal tühistavad võrdse ja vastandliku fluxi, andes madala lekteerimisimpedantsi.

Kui tekib viga, siis üks spiraal ümberkanneb, häirides fluxi tasakaalu ja esitades kõrge impedantsi. Magneetsatueerunud lülituse tüüp töötab normaalsel tööajal lülituse satueerumiseks (nt DC bias'i abil), andes madala impedantsi. Kui tekib viga, siis vigafolm sundib südant satueerumisest välja, luues kõrge impedantsi veafolmega piirimiseks. Tõenäoliselt komplekssete juhtimisnõuetega on magneetelementidega piirikud piiratud rakenduses.

2.3 PTC vastupanuga veafolmega piirikud

Positiivne temperatuuri koefitsient (PTC) vastupanu on mittelineaarne; neil on madal vastupanu ja minimaalne soojenemine normaalsel tööajal. Lühike folmi korral nende temperatuur kiiresti tõuseb, tõstab vastupanu 8–10 ordrilloni järsku millisekundites. PTC vastupanuga FCL-d on leidnud kaubanduslikku kasutust madalvoltaga rakendustes.

Siiski on puudused: kõrge ülelaadimispinge induktiivse veafolmega piiramise ajal (nõudes paralleelset ülelaadimiskaitsmist); mehaaniline pinged vastupanu laienemise tõttu tööajal; piiratud voltaga/joonefolmega (sadu voltide, paar amperit), nõudes ridade paralleel-reeglisi ühendusi ja piirates kõrgevoltaga kasutust; ja pikk taastumisaeg (mitu minutit) lühikese elueagiga, takistades suuremahulist rakendust.

2.4 Kiinte-seosega veafolmega piirikud (SSCL)

SSCL-d on uus tüüp lühikese folmi piirikuid, mis põhinevad elektronikal, tavaliselt sisaldades tavalisi reaktoreid, elektronikaseadmeid ja juhtimissüsteeme. Need pakuvad erinevat topoloogiat, kiiret reageerimist, kõrget töökyklikkust ja lihtsat juhtimist. Elektronikaseadmete staatuse juhtimise kaudu muutub SSCL-i ekvivalentne impedants, piirides veafolme. Vaadeldes uut FACTS seadet, SSCL-d on saanud üha rohkem tähelepanu. Siiski peavad vigade ajal elektronikaseadmed kannatama kogu veafolme, nõudes kõrget seadme jõudlust ja kapasitetti. Mitme SSCL-i või teiste FACTS juhtimissüsteemide vahelise koordineerimise küsimus on endiselt kriitiline.

2.5 Majanduslikud veafolmega piirikud

Need pakuvad kogemust, kõrget kindlustunnet, madalat hinda ja automaatset lülitust ilma välise kontrollita. Need on eelkõige jagatud plasmikulu ülekandmise ja sarirezonansitüüpi. Plasmikulu ülekandmise tüübil on vakuumlülitus paralleelselt veafolmega piiriva vastupanguga. Normaalsel tööajal plasmikulu läbib lülitust. Kui tekib lühike folm, siis lülitus avaneb, sundides plasmikut ülekandma vastupangi, piirides nii veafolme.

Probleemid hõlmavad: ülekandmine on mõjutatud vakuumlülituse pingest ja kõrvalinduktsioonist; ülekandusaeg sõltub lülituse kiirusest; ja raske ülekandmine madalal lülituse pingel, nõudes abivahendite, et tõsta lülituse pinget ja sundida plasmikulu nullpunkti. Sarirezonansitüübilised FCL-d kasutavad satueerunud reaktoreid või ülelaadimiskeid lülitustena. Normaalsel tööajal on kondensaator ja induktor sarirezonansis madala impedantsiga. Kui tekib viga, siis kõrge folm satueerib reaktori või aktiveerib ülelaadimiskeid, detuneerides resonaansist ja lisades reaktori joonele veafolmega piirimiseks. Elektromagnetilised repulsioonilülitused võivad kiiresti ümber kanneb kondensaatori.

2.6 FCL insenerlike rakenduste praegune seisund

Praktikas FCL-d peavad mitte ainult kiiresti lisama impedantsi vigade ajal, vaid ka sisaldama automaatset taastamist, mitut järgnevaid operatsioone, madalat harmooniate genereerimist ja aktsepteeritava investeerimis- ja ekspluateerimiskulu. Praegu on tehniliste raskuste ja majandusliku efektiivsuse piirangute tõttu, hoolimata maailmas arendatud mitmes testprojektist, tegelik võrgurakendus on väheste, madalvoltaga, väikeste kapasiteediga projekte piiratud.

Valdkond sai välismaal varakult alguse, olles soliidse-seose ja superjuhavusega FCL komertsialiseerimises teinud märkimisväärseid sammusid. 1993. aastal paigutas USA New Jersey osariigi Armeesse Energiakeskus 6,6 MW soliidse-seose katkestaja, mis kasutas paralleelset GTO-d, 4,6 kV vedelikule, võimaldades vigade korrastamist 300 mikrosekundi jooksul. 1995. aastal paigutas EPRI ja Westinghouse 13,8 kV/675 A soliidse-seosega FCL PSE&G substaatsioonile. Superjuhavusega FCL-de puhul arendas ACEC-Transport ja GEC-Alsthom 1998. aastal hübriid AC/DC FCL, mis jõudis komertsialiseerimiseni. 1999. aastal paigutas Southern California Edison (SCE) substaatsioonile 15 kV/1200 A SFCL, mille arendas General Atomics ja teised.

Kodusel FCL uurimisel alustas hiljem, kuid edenes kiiresti. 2007. aastal läks Hiina 35 kV superjuhavusega satueerunud südamega FCL, mille arendas Tianjin Electromechanical Holdings ja Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., võrguühenduseks Puji Substation, Yunnani provintsis - see oli siis maailma kõrgeim voltaga, kõrgeim kapasiteediga superjuhavusega limiter, mis läks proovitööle. Sarirezonansitüübiliste FCL-de puhul käivitas Hiina esimese 500 kV seadme, mille arendas China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri ja East China Grid, 500 kV Bingyao Station lõpus 2009. aastal, vähendades lühike folmi folme alla 47 kA.

Globaalselt on FCL rakendus veel piiratud individuaalsetele projektidele, kuid saab üha rohkem tähelepanu. Oluline potentsiaal on jäänud uurimisel, mis hõlmab kapasiteedi suurendamist, voltaga kestvust, materjalide parandamist, soojenemise kontrolli, kulude kontrolli ja topoloogia optimiseerimist.

3 FCL integratsiooni mõju võrgu turvalisusele ja stabiilsusele

FCL kiire impedantsi lisamine vigade ajal, kuigi piirides efektiivselt veafolme, muudab võrguparametreid, mõjutades transiente stabiilsust, voltaga stabiilsust, relvälist kaitsmist ja uuesti lülitamist. Halb kontroll võib viia negatiivsetele mõjudele. Koordineeritud kontroll ja optimaalne seadistus on olulised mitme FCL-i jaoks, et saavutada optimaalne toimimine.

3.1 Mõju relvälist kaitsmisele ja uuesti lülitamisele

Satueerunud südamega SFCL-de puhul pikk taastumisaeg tähendab, et vigade järel jätkub oluline impedants, võimaldades uuesti seadistada automaatset uuesti lülitamist ja relvälist kaitsmist. Teadustöö viitab kvencityypliste SFCL-de paigutamisele geneerijate ja peamiste transformatortöötluste harjudele; kuigi on vaja uuesti seadistada kaitsmist, siis pika taastumisaega jooksul säilituv kõrge impedants võib mängida bremselaadi rolli, kasutades transiente stabiilsuse heaks. On esitatud erinevaid distantskaitsmise seadistusmeetodeid, mis arvestavad SFCL-dega. Soliidse-seosega FCL-d võivad kasutada thyristori triggrisignaalid, paralleelsete katkestajate kontaktid, FCL-lülituse positsioone ja GAP-kierte, et muuta nullefolmiga kaitsmise seadistusi, lahendades tundlikkuse küsimust FCL lisamise järel.

3.2 Mõju transiente energia-nurkade stabiilsusele

Kuigi FCL-d tavaliselt töötavad madala impedantsiga normaalsel tööajal ja kõrge impedantsiga vigade ajal, nende konkreetne toimimine ja struktuur viivad erinevatele mõjudele transiente energia-nurkade stabiilsusele. Soliidse-seose ja superjuhavusega FCL-d, lisades kõrge impedantsi vigade ajal, võivad parandada geneerija elektromagnetilise jõudluse väljundit ja parandada transiente stabiilsust.

Vastupanulised FCL-d parandavad stabiilsust rohkem induktiivsetest tüübidest, pakkudes dempingu vastupanu, mis tarbib rohkem geneerija jõudu. Kuid ebaproportsionaalsed vastupanuväärtused võivad põhjustada geneerijasse tagurpidi jõudlu, halvendades energiadeffekti. Analüüsi järgi, kui vigad on kaugel geneerijast, siis induktiivsed SFCL-d muutuvad rohkem kasulikuks, kui kokkuvead reaktants suureneb. Vastupanulised SFCL-d näitavad sarnaseid omadusi, kui vastupanuväärtus ületab mingi künnise.

Mõju sõltub vigade asukohast ja tüübist; FCL-d mõjutavad energia-nurkade stabiilsust ainult nende paigutatud joonte vigade korral. Asümmeetriliste vigade korral joone alguses, siis FCL-induktsioon on kasulik, suurendudes induktiooniväärtusega. Joone lõpus, kui vigu korrastatakse kiiresti, võib FCL-induktsioon takistada stabiilsust, kuid negatiivne mõju väheneb, kui induktiooniväärtus suureneb faasis faasis või kaks faasi maapinna vastu. Ühe faansi või faasis faasis vigade korral lähedal joone lõppu, siis vigade korrastamise aja pisut pikendamine muutub väike FCL-induktsioon kasulikuks, oluliselt vähendades nurkide amplitüüdi kiirema korrastamise võrreldes.

3.3 Mõju transiente voltaga stabiilsusele

Lühike folm põhjustab voltaga languse, mõjutades seadmete toimimist ja põhjustades majanduslikku kahju. PSCAD-põhine analüüs näitab, et suurem FCL-induktsioon parandab voltaga languse kontrollimist teatud ulatuses. FCL-inherent võime parandada vigade voltaga varieerub võrgustruktuuriga. Radiaaljoontel võib FCL reaktants >0,5 pu hoida voltaga üle 0,8 pu vigade ajal. Lähedal vigade bussi lokalne geneerimine või reaktivne toetus vähendab sõltuvust FCL-dest.

3.4 Koordineerimine traditsiooniliste piirikute meetoditega

FCL-de koordineerimine traditsiooniliste meetoditega (nt reaktorid, kõrge impedantsiga transformatortöötlus) on oluline praktilise rakenduse jaoks. Automatiseeritud optimeerimismeetod, mis kasutab 0-1 muutujaid meetodite paigutamiseks ja täisarvulisi muutujaid kapasiteedile, moodustab segatüübi lineaarprogrammeerimisprobleemi, mis on lahendatav lõigameetoditega, juhendades koordineeritud seadistust.

3.5 Seadistuse optimeerimine

Mitme FCL-ga, asukoha, arvu ja parameetrite optimeerimine, et saavutada kõrge tõhusus, on uurimisaluse huvi teemaks. Väikeste võrgude puhul piisab nummerdamisest või meetoditest, mis põhinevad jõudmuutuse/kaotuse kiirusel. Suuremate võrgude puhul, kus mitmeid sõlme ületatakse lühike folmi limiidid, muutub nummerdamine arvutuslikult intensiivseks ja ebatäielikuks mitme-eesmärgiliseks probleemiks (impedants, arv, asukoht).

Kaaluva mitme-eesmärgilise optimeerimise, mis kasutab geneetilisi või tuhmara algoritme, on tavaline, kuid tulemused sõltuvad oluliselt kaalu valikust. Tundlikkuse põhine meetod, mis arvutab lühike folmi muutusi suhte branchi impedantsi, vältib kaalu sõltuvust ja aitab määrata optimaalset FCL asukoha, arvu ja impedantsi. Kuna põhiline eesmärk on veafolmega piirimine, siis optimeerimine võib keskenduda piiramise tõhususele, tagades, et valitud FCL asukohad mõjutavad kõiki sõlme, kus lühike folmi limiid on ebasobiv. Kulud ja ekspluateerimiskahjud on ka kriitilised tegurid tegelikus optimeerimises.

4 FCL-tehnoloogia arengu- ja rakendustrendid

4.1 FCL-tehnoloogia uurimistrendid

Eelistuste maksimeerimiseks ja puuduste miinimumi saavutamiseks on ilmnenud uued uurimisuunid. Superjuhavusega FCL-de kombinatsioon energiavarustusega on aktuaalne teema – energiabsorbeerimine vigade ajal ja selle tarbimine normaalsel tööajal, et parandada jõudlaadit, saavutades kaksikulise kasu. Kõige olulisem on jõudlaadit kohandava süsteemi disain.

Kõrge kapasiteediga, kallimaks ja harmooniatega kaasneda soliidse-seosega piirikute küsimustele, on esitatud parandatud topoloogiaid, nagu transformatorkombineeritud kolmfaasiliste silindrikujuliste SSCL-d, mis kasutavad ümberkanekindlat. Tavalised FCL-d puuduvad dünaamiline kohanduvus ja püsiva kompensatsioon.

On esitatud mitme funktsiooniga FCL, mis sisaldab dünaamilist sarikompensatsiooni: normaalsel tööajal kasutatakse kondensaatoripanka sammeliikuvate joonide kompensatsiooniks; vigade ajal GTO-d või IGCT-d kontrollivad piiramise astet sarireaktori kaudu, võimaldades mitme funktsiooniga kasutamist. Sarikompensatsioon tuleb hoolikalt valida, et vältida subharmonilist võnkumist.

4.2 FCL rakendustrendid

FCL-d piirivad mitte ainult lühike folm, vaid ka, sobivatel tingimustel, võivad parandada energia-nurkade ja voltaga stabiilsust, laiendades nende rakendusalad. Ilmnevad trendid hõlmavad DC vastuvõtmiseks suurendatud edastamiskapasitetti, vähendades kommutatsioonivigade riski, parandades jõudlaadit ja toetades suurtahulise taastuvenergia integreerimist.

Mitme terminaliga DC süsteemides võivad FCL-d piirida folme ilma mõjutamata normaalist tööd. DC vastuvõtmiseks võrkude puhul võivad FCL-d, mis on paigutatud vigade leviku teedel, isoleerida piirkondi, blokeerida vigade levikut, lühenda kommutatsioonivigade kestvust, kiirendada DC jõudlaadi taastumist ja vähendada jõudlaadi epüüdlisi ja jõudlaadi ülekandeid mitme sisendiga DC vigade korral, parandades üldist transiente stabiilsust. Suurte asünkroonsete mootorite puhul võivad SFCL-d integreeritud statorite tsüklis võimaldada pehme käivitamist ja vähendada vigade jõudlaadi panust, vähendades voltaga langust ja parandades transiente voltaga stabiilsust.

Suurtahulise tuulenergia integreerimiseks võivad FCL-d tuulparkide ühenduspunktides parandada vigade läbimüratust ja vähendada lahutamiskindlust. Vastupanulised FCL-d nõuavad madalamat impedantsi, kui induktiivsed tüübid, et tagada stabiilsus sama vigade kestvuse korral, kuid induktiivsed tüübid pakuvad paremat parandust lähedal kriitilisele stabiilsusele.

Kui FCL-tehnoloogia kypsustab, leiavad need kiiret reageerivad, mitme funktsiooniga seadmed – piirides folme, parandades stabiilsust ja isoleerides vigu – laiemat rakendust.

5 Järeldus

FCL-d piirivad efektiivselt lühike folmi, kuid võivad mõjutada energia-nurkade/voltaga stabiilsust, relvälist kaitsmist ja uuesti lülitamise seadistusi. Mitme FCL-i või FACTS seadmetega koordineeritud kontroll ja optimeeritud seadistus lubavad olulisi eeliseid. Tulevikus FCL-d laienevad üle veafolmega piirimise, parandades DC edastamist, vähendades kommutatsioonivigade riski, parandades jõudlaadit ja toetades taastuvenergia integreerimist.

Siiski tehnilised ja majanduslikud takistused viivitavad kõrgevoltaga, kõrgekap