Säätövirtarajoittimet | Teknologia & verkon vakauden vaikutus

1 Sähkövirran rajoittimitekniikan (FCL) johdanto

Perinteiset passiiviset sähkövirran rajoittamismenetelmät – kuten korkean impedanssin muuntimet, kiinteät reaktorit tai split-busbarin toiminta – kärsivät luontaisista haittapuolista, mukaan lukien verkkostruktuurin häiriintyminen, vakio-tilan järjestelmän impedanssin kasvu ja järjestelmän turvallisuuden ja vakauden heikentyminen. Nämä lähestymistavat ovat yhä vähemmän soveltuvin nykyaikaisille monimutkaisille ja suurille sähköverkoille.

Päinvastoin aktiiviset sähkövirran rajoittamistehtävät, joita edustavat sähkövirran rajoittimet (FCLt), näyttävät matalaa impedanssia normaalin verkon toiminnan aikana. Kun sijainti tapahtuu, FCL siirtyy nopeasti korkean impedanssin tilaan, rajoittamalla tehokkaasti sijainnin virran alhaisempaan tasoon, mikä mahdollistaa sijainnin virran dynaamisen hallinnan. FCLt ovat kehittyneet perinteisestä sarjareaktori-pohjaisesta virran rajoittamiskäsitteestä integroimalla edistyneitä teknologioita, kuten voimasähkö, superjohtavuus ja magneettinen piirien hallinta.

FCL:n perustavanlaatuinen periaate voidaan yksinkertaistaa malliin, joka on esitetty kuvassa 1: normaalissa järjestelmän toiminnassa kytkin K on suljettuna, eikä FCL tuota mitään virran rajoittavia impedansseja. Vain kun sijainti tapahtuu, K avautuu nopeasti, lisäämällä reaktoria virran rajoittamiseksi.

Useimmat FCLt perustuvat tähän perusmalliin tai sen laajennettuihin versioihin. Eri FCLt eroavat pääasiassa virran rajoittavan impedanssin luonteessa, kytkimen K toteuttamisessa ja liittyvissä ohjausstrategioissa.

2 FCL:n toteutussuunnitelmat ja sovellusstatus

2.1 Superjohtavat sähkövirran rajoittimet (SFCLt)

SFCLt voidaan luokitella quench-tyypiksi tai ei-quench-tyypiksi sen mukaan, käyttävätkö ne superjohtajan siirtymistä superjohtavasta tilasta normaaliin tilaan (S/N-siirry) virran rajoittamiseen. Rakenneperusteisesti ne on jaoteltu vastus-, silta-, magneettisesti suojattuun, muuntimetyypin tai tukkimattomaksi tyypiksi. Quench-tyypiset SFCLt perustuvat S/N-siirryyn (jonka aiheuttaa lämpötilan, magneettikentän tai virran ylity kriittisiä arvoja), jossa superjohtaja siirtyy nollaresistanssista korkeaan resistanssiin, rajoittaen siten sijainnin virran.

Ei-quench-tyypiset SFCLt yhdistävät superjohtavat spiraalit muihin komponentteihin (esimerkiksi voimasähköön tai magneettisiin elementteihin) ja ohjaavat toimintatiloja rajoittamaan lyhytsulkuja. Praktisessa sovelluksessa SFCLt kohtaavat yhteisiä superjohtavien haasteita, kuten kustannukset ja jähdytystehokkuus. Lisäksi quench-tyypisten SFCLt pitkät palautumisaikavälit saattavat olla ristiriidassa järjestelmän uudelleenkäynnistyksen kanssa, kun taas ei-quench-tyypisten SFCLt impedanssimuutokset voivat vaikuttaa relaissuojauksen koordinointiin, jolloin tarvitaan uudelleenasettelu.

2.2 Magneettielementtien virran rajoittimet

Nämä on jaoteltu flux-cancellation- ja magneettinen tukkimattomaksi tyypiksi. Flux-cancellation-tyyppisessä kahdella vastakkaista polaarisuutta olevilla spiraaleilla on sama ydin. Normaaleissa olosuhteissa yhtäsuuret ja vastakkaiset fluksit kumoavat toisensa, mikä johtaa alhaiseen leviävään impedanssiin.

Sijainti tapahtuessa yksi spiraali ohitetaan, mikä häiritsee fluksien tasapainon ja tuottaa korkean impedanssin. Magneettinen tukkimattomaksi tyypin toiminta perustuu siihen, että virran rajoittava spiraali tukitaan tukkiin (esimerkiksi DC-potentiaalin avulla) normaaleissa olosuhteissa, mikä tuottaa matalan impedanssin. Sijainti tapahtuessa sijainnin virran ajaa ytimen ulos tukkiin, luoden korkean impedanssin virran rajoittamiseksi. Kompleksisten ohjausvaatimusten vuoksi magneettielementtien rajoittimet ovat rajallisessa sovelluksessa.

2.3 PTC-resistorin virran rajoittimet

Positiivinen lämpötilakertoiminen (PTC) vastus on epälineaarinen; se näyttää matalaa resistanssia ja minimieläintä normaaleissa olosuhteissa. Lyhytsulku tapahtuessa sen lämpötila nousee nopeasti, nostamassa resistanssia 8–10 kertaluokkaa millisekunteissa. PTC-resistoripohjaiset FCLt ovat löytäneet kaupallista sovellusta alhaisen jännitteen sovelluksissa.

Kuitenkin haittapuolia ovat: korkeat ylivoltat, jotka syntyvät induktiivisen virran rajoittamisen aikana (vaativat yhdensuuntaisia ylivoltasuojia); mekaaninen stressi, joka johtuu vastuksen laajenemisesta toiminnassa; rajoitetut jännite/virta-arvot (sadat voltit, muutamat amperit), mikä vaatii sarjaparalleeliset yhteydet ja rajoittaa korkean jännitteen käyttöä; ja pitkät palautumisaikavälit (useita minuutteja) lyhyellä käyttöikällä, mikä hidastaa laajamittaista käyttöönottoa.

2.4 Kiinteän aineen virran rajoittimet (SSCLt)

SSCLt ovat uusi tyyppi lyhytsulkurajoittimeksi, joka perustuu voimasähköön, usein sisältäen perinteiset reaktorit, voimasähkökomponentit ja ohjaimet. Ne tarjoavat erilaisia topologioita, nopean vastauksen, korkean toiminnallisen kestävyyden ja yksinkertaisen ohjaus. Voimasähkökomponenttien tilan ohjaamalla SSCLn ekvivalentti impedanssi muuttuu virran rajoittamiseksi. Katsottuna uudeksi FACTS-laitteeksi, SSCLt herättävät yhä enemmän huomiota. Kuitenkin sijainnin tapahtuessa voimasähkökomponentit täytyy kantaa koko sijainnin virra, mikä vaatii korkean laitteen suorituskyvyn ja kapasiteetin. Monien SSCLtien tai muiden FACTS-ohjausjärjestelmien välinen koordinointi on edelleen kriittinen haaste.

2.5 Taloudelliset virran rajoittimet

Nämä tarjoavat kypsää teknologiaa, korkeaa luotettavuutta, alhaisia kustannuksia ja automaattista vaihtoa ilman ulkoista ohjausta. Ne on pääasiassa jaoteltu kaarien virtansiirto- ja sarjaresonanssityyppisiin. Kaarien virtansiirrotyyppi koostuu tyhjiökytkimestä, joka on rinnalla virtarannejä vastuksen kanssa. Normaaliin toimintaan kuuluu, että kuormituksen virta kulkee kytkimen kautta. Lyhytsulku tapahtuessa kytkin avautuu, pakottaen virta siirtymään vastuksen kautta virran rajoittamiseksi.

Ongelmia ovat: virtansiirron vaikutus tyhjiökaaren jännitteeseen ja satunnaiselle induktanssille; virtansiirron aika riippuva kytkimen nopeudesta; ja virtansiirron vaikeus alhaisilla kaarien jännitteillä, joka vaatii apulaisteknologioita kaarien jännitteen nostamiseksi ja virran nollakohdan pakottamiseksi. Sarjaresonanssi-FCLt käyttävät tukkimattomia reaktoreita tai surgesuojauskäytäviä kytkimiä. Normaaleissa olosuhteissa kondensaattori ja induktori ovat sarjaresonanssissa matalalla impedanssilla. Sijainti tapahtuessa korkea virta tukkii reaktorin tai aktivoi suojauskäytävän, purkamalla resonanssin ja lisäämällä reaktorin linjalle virran rajoittamiseksi. Elektromagneettinen repulokytkimet voivat myös nopeasti ohittaa kondensaattorin.

2.6 FCL:n insinöörityösovellusten nykytila

Praktisessa arvossa FCLtjen täytyy nopeasti lisätä impedanssia sijainnin aikana, mutta myös sisältää automaattisen nollaus, useita peräkkäisiä toimintoja, alhaisen harmonian syntymisen, ja hyväksyttävät investointi- ja toimintakustannukset. Nykyisin teknisten haasteiden ja kustannustehokkuuden rajoittamana, huolimatta erilaisista kokeellisista prototeypeistä, todelliset verkko-sovellukset ovat harvinaisia, pääasiassa rajoittuen alhaisen jännitteen, pienkapasiteettisiin pilottiprojekteihin.

Ala alkoi aiemmin ulkomailla, missä on tehty merkittäviä edistysaskelia kiinteän aineen ja superjohtavien FCLtjen kaupallistamisessa. Vuonna 1993 6.6 MW kiinteän aineen katkaisija, joka käytti vastapäiväisiä GTOja, asennettiin 4.6 kV vedettävälle New Jerseyssä, Yhdysvalloissa, jolla oli kyky poistaa sijainnit 300 μs:n kuluessa. Vuonna 1995 13.8 kV/675 A kiinteän aineen FCL, jonka EPRI ja Westinghouse olivat kehittäneet, otettiin käyttöön PSE&G:n aliverkossa. Superjohtavien FCLtjen osalta ACEC-Transport ja GEC-Alsthom kehittivät vuonna 1998 hybridin AC/DC FCL:n, joka saavutti kaupallistumisen. Vuonna 1999 General Atomicsin ja muiden yhteistyössä kehitetty 15 kV/1200 A SFCL asennettiin Southern California Edisen (SCE) aliverkossa.

Kotimaan FCL-tutkimus aloitettiin myöhemmin, mutta eteni nopeasti. Vuonna 2007 Tiandin Electromechanical Holdings ja Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd. kehittämä 35 kV superjohtava tukkimaton ydin FCL aloitti verkko-onnettomuuden Puji-aliverkossa, Yunnanissa – silloin maailman korkein jännite, korkein kapasiteetti superjohtava limiteri kokeellisessa toiminnassa. Sarjaresonanssi-FCLtjen osalta Kiinan ensimmäinen 500 kV laite, joka kehitettiin yhdessä China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri, ja East China Grid, otettiin käyttöön 500 kV Bingyao-asemalla loppuvuodesta 2009, vähentäen lyhytsulkujen virran alle 47 kA.

Maailmanlaajuisesti FCL-sovellukset ovat edelleen rajoittuneet yksittäisiin projekteihin, mutta niitä kiinnitetään yhä enemmän huomiota. Merkittävä potentiaali on tutkimuksessa kapasiteetin, jännitteen kestovuuden, materiaalien parantamisen, lämmönpoisto, kustannusten hallinnan ja topologian optimoinnin suhteen.

3 FCL-integroinnin vaikutus sähköverkon turvallisuuteen ja vakauttaan

FCLtjen nopea impedanssin lisäys sijainnin aikana, vaikka rajoittaa tehokkaasti virtaa, muuttaa verkko-parametreja, vaikuttaen transitoivaan vakauttaan, jännitevakauttaan, relaissuojauksen asetuksiin ja uudelleenkäynnistyksiin. Huono ohjaus voi johtaa negatiivisiin vaikutuksiin. Useiden FCLtjen koordinoitu ohjaus ja optimaalinen kokoonpano ovat olennaisia optimaalisen suorituksen saavuttamiseksi.

3.1 Vaikutus relaissuojaukseen ja uudelleenkäynnistyksen asetuksiin

Tukkimattomien SFCLtjen osalta pitkä palautumisaika tarkoittaa, että merkittävä impedanssi jatkuu sijainnin jälkeen, mikä voi vaatia automaattisen uudelleenkäynnistyksen ja relaissuojauksen uudelleenasettamisen. Kirjallisuus ehdottaa, että quench-tyypiset SFCLt asennetaan generaattorin ja pääratkaisimen haaroille; vaikka suojauksen uudelleenasettaminen on tarpeen, jatkuva korkea impedanssi palautumisessa voi toimia jarruna, joka hyödyttää transitoivaa vakautta. On ehdotettu erilaisia etäisyys-suojauksen asetusmenetelmiä, jotka huomioivat SFCLt. Kiinteän aineen FCLt voivat käyttää thyristorin aktivointisignaaleja, ohituskatkaisimen kontakteja, FCL-katkaisimen asentoja ja GAP-piirejä nollajärjestelmän virtasuojausasetusten vaihtamiseen, ratkaisemaan herkkyysongelmia FCLn lisäyksen jälkeen.

3.2 Vaikutus transitoivaan voiman kulma-vakauttaan

Vaikka FCLt yleensä toimivat matalalla impedanssilla normaalisti ja korkealla impedanssilla sijainnin aikana, niiden erityinen toiminta ja rakenne johtavat erilaisiin vaikutuksiin transitoivaan voiman kulma-vakauttaan. Kiinteän aineen ja superjohtavat FCLt, lisäämällä korkean impedanssin sijainnin aikana, voivat parantaa generaattorin sähkömagneettisen voiman tuotantoa ja parantaa transitoivaa vakautta.

Vastus-tyyppiset FCLt parantavat vakautta enemmän kuin induktiiviset tyypit, tarjoten demping-resistanssin, joka kuluttaa enemmän generaattorin voimaa. Kuitenkin sopimatonta resistanssia voivat aiheuttaa käänteisen voiman virtauksen generaattoriin, pahentamalla voimavarustepuutetta. Analyysi osoittaa, että sijainnilta kaukaisilla sijainneilla induktiiviset SFCLt tulevat oleellisiksi, kun kokonaiskantavuuden reaktanssi vähenee. Vastus-tyyppiset SFCLt näyttävät samankaltaisia ominaisuuksia ylittäen tietyt resistanssiarvot.

Vaikutus riippuu sijainnin paikasta ja tyypistä; FCLt vaikuttavat voiman kulma-vakautta vain, kun sijainnit tapahtuvat niiden asennetuilla linjoilla. Epäsäännöllisille sijainneille linjan alussa FCLn induktanssi hyödyttää vakautta, joka kasvaa induktanssin arvon mukaan. Linjan lopussa, jos sijainti poistetaan nopeasti, FCLn induktanssi saattaa estää vakautta, mutta negatiivinen vaikutus vähenee korkeammalla induktanssilla phasen välillä ja kahden phasen ja maan välillä. Phasen välillä tai phasen ja maan välillä lähellä linjan loppua, hieman pidennetty sijainnin poistoaika tekee pienestä FCLn induktanssista hyödyllisen, vähentäen huomattavasti heilahtelukäyrän amplitudia verrattuna nopeaan poistoon.

3.3 Vaikutus transitoivaan jännitevakauttaan

Lyhytsulkujen aiheuttamat jänniteputositukset vaikuttavat laitteiden toimintaan ja aiheuttavat taloudellisia tappioita. PSCAD-pohjainen analyysi osoittaa, että suurempi FCLn induktanssi parantaa jänniteputositusten hillitsemistä tietyssä rajoissa. FCLn omia kykyä parantaa sijainnin jännitettä vaihtelee verkko-rakenteen mukaan. Radiaalisilla vedoilla FCLn reaktanssi >0.5 puu voi ylläpitää jännitettä yli 0.8 puu sijainnin aikana. Paikallinen voiman tuotanto tai reaktiivinen tuki lähellä sijainnin busseja vähentää FCLtien riippuvuutta.

3.4 Koordinointi perinteisten rajoittamistoimien kanssa

FCLtjen koordinointi perinteisten toimien (esimerkiksi reaktorit, korkean impedanssin muuntimet) kanssa on avain käytännön soveltamiseen. Automaattinen optimointimenetelmä, joka käyttää 0–1-muuttujia toimenpiteiden käyttöönotolle ja kokonaislukuja kapasiteetille, muodostaa sekalaisen kokonaislukumallin, joka on ratkaistavissa haarautumametodilla, opastamaan koordinoidun kokoonpanon.

3.5 Kokoonpanon optimointi

Useiden FCLtjen kanssa paikan, määrän ja parametrien optimointi tehokkaaseen suoritukseen on tutkimuksen keskipiste. Pienillä verkoilla numeerinen luettelo tai menetelmät, jotka perustuvat voiman muutoksen/kuolleisuuden nopeuteen, riittävät. Suurilla verkoilla, joissa useat solmut ylittävät lyhytsulkujen rajat, numeerinen luettelo tulee laskennallisesti intensiiviseksi ja riittämättömäksi monitavoitteisiin ongelmiin (impedanssi, määrä, paikka).

Painotettu monitavoiteoptimointi, joka käyttää geneettisiä tai partikkelaarmadon algoritmeja, on yleistä, mutta tulokset riippuvat painotuksen valinnasta. Herkkyyspohjaiset menetelmät, jotka lasketaan lyhytsulkuvirran muutokset suhteessa haaron impedanssiin, välttävät painotuksen riippuvuuden ja auttavat määrittämään optimaalisen FCLn paikan, määrän ja impedanssin. Koska ensisijainen tavoite on virran rajoittaminen, optimointi voi keskittyä rajoittamisen tehokkuuteen, varmistamaan, että valitut FCLn paikat vaikuttavat kaikkiin solmuihin, joilla on riittämätön lyhytsulkujen marginaali. Kustannukset ja toimintahävikit ovat myös kriittisiä tekijöitä käytännössä optimoinnissa.

4 FCLtjen kehitys- ja sovellustrendit

4.1 FCL-teknologian tutkimustrendit

Hyödyntääkseen etuja ja lievittääkseen heikkouksia, uusia tutkimussuuntia on ilmennyt. Superjohtavien FCLtjen yhdistäminen energiavarastointiin on kuumalla listalla – energiaa absorboimalla sijainnin aikana ja toimittamalla sitä parantamaan voimanlaatua normaalin toiminnan aikana, saavutetaan kaksoishyöty. Avain on voiman käsittelyjärjestelmän suunnittelu.

Korkeiden kapasiteettivaatimusten, kustannusten ja harmonioiden käsittelyä kiinteän aineen rajoittimissa varten on ehdotettu parannettuja topologioita, kuten muuntimiyhdistetty kolmen vaiheen silta SSCLt, jossa on ohitusinduktiorit. Perinteiset FCLt puuttuvat dynaamisesta säädöskykystä ja vakio-tilan kompensoinnista.

Monifunktioinen FCL, jossa on dynaaminen sarjakerroin, on ehdotettu: normaali toiminta käyttää kondensaattoripankkien kytkentää askelittain linjan kompensoimiseksi; sijainnin aikana GTO:t tai IGCT:t ohjaavat rajoittamisen asteen sarjainduktorin avulla, mahdollistaen monikäyttöisyyden. Sarjakompensaation täytyy valita huolellisesti välttääksesi ali-synkroniset heilahtelut.

4.2 FCL-sovellustrendit

FCLt rajoittavat ei vain lyhytsulkujen virran, vaan sopivissa olosuhteissa ne voivat parantaa voiman kulma- ja jännitevakautta, laajentamalla niiden sovellusaluetta. Uusia trendejä ovat parannettu DC-vastaanottojen siirtokapasiteetti, vähennetty kommutaatiovirheiden riski, parannettu voimanlaatu ja suuri mittakaavainen uusiutuva integrointi.

Moniterminaalisissa DC-järjestelmissä FCLt voivat rajoittaa virran ilman vaikutusta normaaliin toimintaan. DC-vastaanottojen verkoissa FCLt, jotka on asennettu sijainnin levittämispoluille, voivat erottaa alueita, estää sijainnin levittymisen, lyhentää kommutaatiovirheiden kestoa, nopeuttaa DC-virran palautumista ja lievittää voimavajeiden ja voiman siirtymien monivaihdoinfoiden DC-virtojen yhtäaikaisessa epäonnistumisessa, parantamalla kokonaista transitoivaa vakautta. Isoille asynkronisille moottoreille SFCLt, jotka on integroitu statoripiiriin, mahdollistavat pehmeän käynnistyksen ja vähentävät sijainnin virran panosta, vähentäen jänniteputosituksia ja parantamalla transitoivaa jännitevakautta.

Suurelle mittakaavalle tuulivoiman integrointiin FCLt tuulivoimapuistojen yhdistyspaikoissa voivat parantaa sijainnin selviytymiskykyä ja vähentää irrottamisriskiä. Vastus-tyyppiset FCLt vaativat vähemmän impedanssia kuin induktiiviset tyypit saman sijainnin keston aikana, mutta induktiiviset tyypit tarjoavat paremman parannuksen lähellä kriittistä vakautta.

Kun FCL-teknologia kypsyilee, nämä nopeasti vastaavat, monitoimiset laitte