Ograničitelji strujnog preopterećenja | Utjecaj tehnologije i stabilnosti mreže

1 Uvod u tehnologiju ograničitelja strujnog preopterećenja (FCL)

Tradicionalne pasivne metode ograničavanja strujnog preopterećenja - poput korištenja transformatora s visokim impedansom, fiksnih reaktora ili rada s razdvojenom bus-barom - imaju svoje intrinzične nedostatke, uključujući perturbacije strukture mreže, povećanu stabilnu impedanciju sustava i smanjenu sigurnost i stabilnost sustava. Ove pristupe postaju sve manje prihvatljivi za današnje složene i velike električne mreže.

U suprotnosti, aktivne tehnologije ograničavanja strujnog preopterećenja, predstavljene ograničiteljima strujnog preopterećenja (FCL), pokazuju niski impedans tijekom normalnog rada mreže. Kada dođe do greške, FCL brzo prelazi u stanje visokog impedansa, efektivno ograničavajući strujni preopterećenje na niži nivo, omogućujući dinamičko upravljanje strujnim preopterećenjem. FCL-ovi su se razvili iz tradicionalnog koncepta ograničavanja struje baziranog na serijalnom reaktoru, integrirajući napredne tehnologije poput elektronike snage, nadprovodnosti i kontrola magnetskih krugova.

Osnovni princip FCL-a može se pojednostaviti u model prikazan na slici 1: tijekom normalnog rada sustava, prekidač K je zatvoren, i FCL ne uvođenikakvu impedanciju ograničenja struje. Samo kada dođe do greške, K brzo otvara, umetajući reaktor za ograničavanje strujnog preopterećenja.

Većina FCL-ova temelji se na ovom osnovnom modelu ili njegovim proširenim varijantama. Glavne razlike među različitim FCL-ovima leže u prirodi impedancije ograničenja struje, implementaciji prekidača K i povezanim strategijama upravljanja.

2 Sheme implementacije FCL-a i status primjene

2.1 Nadprovođački ograničitelji strujnog preopterećenja (SFCL-ovi)

SFCL-ovi mogu se klasificirati kao tipovi koji koriste prekid nadprovodnosti (quench-type) ili bez prekida nadprovodnosti (non-quench-type), ovisno o tome koriste li prelaz nadprovodnika iz stanja nadprovodnosti u normalno stanje (S/N prelaz) za ograničavanje struje. Strukturno, dalje se klasificiraju kao otporni, mostast, magnetski ekranirani, transformatorski ili nasitani tipovi. Quench-type SFCL-ovi oslanjaju se na S/N prelaz (oko kojeg se događa kada temperatura, magnetsko polje ili struja premaši kritične vrijednosti), gdje nadprovodnik prelazi s nultog otpora na visoki otpor, time ograničavajući strujno preopterećenje.

Non-quench-type SFCL-ovi kombiniraju nadprovođačke bobine s drugim komponentama (npr., elektronika snage ili magnetski elementi) i kontroliraju operativne načine kako bi ograničili strujno preopterećenje. Praktična primjena SFCL-ova suočava se s općim izazovima nadprovodnosti, uključujući troškove i učinkovitost hlađenja. Također, quench-type SFCL-ovi imaju dug vremenski period oporavka, što može biti u sukobu s ponovnim zatvaranjem sustava, dok promjene impedancije non-quench-type SFCL-ova mogu utjecati na koordinaciju zaštite releja, zahtijevajući ponovno podešavanje.

2.2 Ograničitelji strujnog preopterećenja magnetskim elementima

Ovi su podijeljeni u tipove s anuliranjem fluksa i tipove s prekidačem magnetske nasitnosti. U tipu s anuliranjem fluksa, dvije navojnice suprotne polariteta su namotane na istom jezgru. U normalnim uvjetima, jednake i suprotne fluksije se anuliraju, rezultirajući niskom curenju impedancije.

Tijekom greške, jedna navojnica se preskače, rušeci ravnotežu fluksa i stvarajući visoku impedanciju. Tip s prekidačem magnetske nasitnosti funkcionira tako da se ograničavajući navoj pod utjecajem DC pomaka (itd.) u normalnim uvjetima nasitava, dajući nisku impedanciju. Tijekom greške, strujno preopterećenje isvlači jezgro iz stanja nasitnosti, stvarajući visoku impedanciju za ograničavanje struje. Zbog složenih zahtjeva za kontrolom, ograničitelji magnetskih elemenata imaju ograničenu primjenu.

2.3 Ograničitelji strujnog preopterećenja PTC otpornicima

Pozitivni temperaturni koeficijent (PTC) otpornici su nelinearni; oni pokazuju niske otporne vrijednosti i minimalno zagrijavanje u normalnim uvjetima. Tijekom kratkog spoja, njihova temperatura brzo poraste, povećavajući otpor za 8-10 redova veličine unutar milisekundi. FCL-ovi temeljeni na PTC otpornicima pronašli su komercijalnu upotrebu u niskonaponskim aplikacijama.

Međutim, nedostaci uključuju: visoke pretopne napetosti generirane tijekom induktivnog ograničavanja struje (zahtijevaju paralelnu zaštitu od pretopne napetosti); mehanički stres zbog širenja otpornika tijekom rada; ograničene napetosne/strujne karakteristike (stotine volt, nekoliko ampera), što zahtijeva serijalno-paralelne spojeve i ograničava visokonaponsku upotrebu; i dugi vremenski period oporavka (nekoliko minuta) s kratkim vremenom službe, čime se ograničava velikom obimu primjena.

2.4 Čvrste ograničitelje strujnog preopterećenja (SSCL-ovi)

SSCL-ovi su novi tip ograničitelja kratkog spoja temeljeni na elektronici snage, obično sastoje se od konvencionalnih reaktora, elektroničkih uređaja snage i kontrolera. Nudi razne topologije, brzu reakciju, visoku operativnu izdržljivost i jednostavnu kontrolu. Kontroliranjem stanja elektroničkih uređaja snage, ekvivalentna impedancija SSCL-a mijenja se kako bi se ograničilo strujno preopterećenje. Smatrajući se novim FACTS uređajem, SSCL-ovi privlače sve veće pažnje. Međutim, tijekom grešaka, elektronički uređaji snage moraju nositi cijelu strujnu preopterećenju, zahtijevajući visoku performansu i kapacitet uređaja. Koordinacija između više SSCL-ova ili s drugim sistemima FACTS kontrole ostaje ključni izazov.

2.5 Ekonomski ograničitelji strujnog preopterećenja

Ovi nude zračenu tehnologiju, visoku pouzdanost, niske troškove i automatsko prebacivanje bez vanjskog upravljanja. Glavno su podijeljeni u tipove prenosa struje lukom i serijalne rezonantne tipove. Tip prenosa struje lukom sastoji se od vakuumskog prekidača paralelno s ograničavajućim otpornikom. U normalnom radu, struja opterećenja prolazi kroz prekidač. Kada dođe do kratkog spoja, prekidač se otvara, prisiljavajući struju da se prenese na otpornik za ograničavanje struje.

Problemi uključuju: prenos struje utjecan lukovom napetosti i stranim indukcijama; vrijeme prenosa ovisno o brzini prekidača; i teškoce u prenosu struje kod niskih lukovih napetosti, zahtijevajući pomoćne uređaje za povećanje lukove napetosti i prisiljavanje nultog prelaza struje. Serijalni rezonantni FCL-ovi koriste nasitane reaktore ili prekidnike prekomjerne napetosti kao prekidače. U normalnim uvjetima, kondenzator i induktor su u serijalnoj rezonanci s niskom impedancijom. Tijekom greške, visoka struja nasitava reaktor ili aktivira prekidnik prekomjerne napetosti, detunirajući rezonanciju i umetajući reaktor u liniju za ograničavanje struje. Brzi prekidači elektromagnetske repulzije mogu brzo omići kondenzator.

2.6 Trenutno stanje inženjerske primjene FCL-a

Za praktičnu vrijednost, FCL-ovi moraju ne samo brzo umetnuti impedanciju tijekom grešaka, već i posjedovati automatsko resetiranje, više uzastopnih operacija, niske harmoničke generacije i prihvatljive investicijske i operativne troškove. Trenutno, ograničeni tehničkim izazovima i učinkovitošću troškova, iako su razvijeni različiti eksperimentalni prototipi diljem svijeta, stvarne mrežne primjene su rijetke, uglavnom ograničene na niskonaponske, malokapacitne pilot projekte.

Polje je započelo ranije u inozemstvu, s značajnim napretkom u komercijalizaciji čvrstih i nadprovođačkih FCL-ova. Godine 1993., 6,6 MW čvrsti prekidač koristeći anti-paralelne GTO-e bio je instaliran na 4,6 kV odvodnicu u Vojskovom centru energije u New Jerseyu, SAD, sposoban otklanjanju grešaka unutar 300 μs. Godine 1995., 13,8 kV/675 A čvrsti FCL razvijeni od strane EPRI i Westinghouse bili su komisionirani u podstanici PSE&G. Za nadprovođačke FCL-ove, hibridni AC/DC FCL razvijen od strane ACEC-Transporta i GEC-Alsthoma 1998. godine postigao je komercijalizaciju. Godine 1999., 15 kV/1200 A SFCL razvijen zajedno od strane General Atomics i drugih bio je instaliran u podstanici Southern California Edison (SCE).

Domaća istraživanja FCL-ova započela su kasnije, ali su brzo napredovala. Godine 2007., 35 kV nadprovođački nasitani FCL razvijen od strane Tianjin Electromechanical Holdings i Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd. prošao je probni rad na mreži u podstanici Puji, Yunnan - tada najviši napon i najveća kapaciteta nadprovođačkog ograničitelja u probnom radu na svijetu. Za serijalne rezonantne FCL-ove, prvi 500 kV uređaj u Kini, razvijen zajedno od strane China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri i East China Grid, bio je komisioniran u podstanici 500 kV Bingyao kasnije 2009. godine, smanjujući strujno preopterećenje ispod 47 kA.

Globalno, primjene FCL-ova još su ograničene na pojedinačne projekte, ali privlače sve veću pažnju. Značajan potencijal ostaje u istraživanju povećanja kapaciteta, izdržljivosti napetosti, poboljšanja materijala, disipacije toplote, kontrole troškova i optimizacije topologije.

3 Utjecaj integracije FCL-a na sigurnost i stabilnost energetske mreže

Brzo umetanje impedancije FCL-ova tijekom grešaka, iako efektivno ograničava strujni preopterećenje, mijenja parametre mreže, utječeći na tranzientnu stabilnost, stabilnost napetosti, postavke zaštite releja i ponovno zatvaranje. Loša kontrola može dovesti do negativnih učinaka. Koordinirana kontrola i optimalna konfiguracija su ključne za više FCL-ova kako bi se postigla optimalna performansa.

3.1 Utjecaj na postavke zaštite releja i ponovnog zatvaranja

Za nasitane SFCL-ove, dug vremenski period oporavka znači da značajna impedancija ostaje nakon greške, potencijalno zahtijevajući ponovno podešavanje automatskog ponovnog zatvaranja i zaštite releja. Literatura predlaže instalaciju quench-type SFCL-ova na granama generatora i glavnog transformatora; iako je potrebno ponovno podešavanje zaštite, trajna visoka impedancija tijekom oporavka može djelovati kao brzinski otpornik, korisni za tranzientnu stabilnost. Predložene su različite metode postavljanja udaljene zaštite uzimajući u obzir SFCL-ove. Čvrsti FCL-ovi mogu koristiti signale za paljenje tiristora, kontakti zaobilaznog prekidača, položaje prekidača FCL-a i GAP krugove za promjenu postavki nulto-strujne zaštite, rješavajući probleme osjetljivosti nakon umetanja FCL-a.

3.2 Utjecaj na tranzientnu stabilnost ugla snage

Iako FCL-ovi obično rade s niskom impedancijom u normalnom radu i visokom impedancijom tijekom grešaka, njihova specifična operacija i struktura dovode do različitih utjecaja na tranzientnu stabilnost ugla snage. Čvrsti i nadprovođački FCL-ovi, umetajući visoku impedanciju tijekom grešaka, mogu poboljšati izlaznu elektromagnetsku snagu generatora i poboljšati tranzientnu stabilnost.

Otporni tipovi FCL-ova više poboljšavaju stabilnost od induktivnih tipova, pružajući otpor prigušenja koji troši više snage generatora. Međutim, nepravilne vrijednosti otpora mogu dovesti do obrtanog toka snage prema generatoru, pogoršavajući deficit snage. Analiza pokazuje da za greške daleko od generatora, induktivni SFCL-ovi postaju korisniji kako ukupna transferna reaktivna impedancija pada. Otporni SFCL-ovi također pokazuju slične karakteristike iznad određene granice otpora.

Utjecaj ovisi o lokaciji i vrsti greške; FCL-ovi utječu na stabilnost ugla snage samo kada greške dođu na njihovim instaliranim linijama. Za asimetrične greške na početku linije, induktivnost FCL-a koristi stabilnost, povećavajući se s vrijednosti induktivnosti. Na kraju linije, ako se greška brzo otkloni, induktivnost FCL-a može spriječiti stabilnost, ali negativni utjecaj opada s većom induktivnošću za greške faza-faza i dvofazne na zemlju. Za jednofazne ili fazno-fazne greške blizu kraja linije, malo produljeno vrijeme otklanjanja greške čini da mala induktivnost FCL-a bude korisna, znatno smanjujući amplitudu oscilacije usporedno s brzim otklanjanjem.

3.3 Utjecaj na tranzientnu stabilnost napetosti

Kratki spojevi uzrokuju pad napetosti, utječeći na rad opreme i uzrokujući ekonomske gubitke. Analiza temeljena na PSCAD-u pokazuje da veća induktivnost FCL-a poboljšava potiskivanje padova napetosti u određenom rasponu. Inherentna sposobnost FCL-ova da poboljšaju napetost tijekom greške varira s strukturom mreže. Na radijalnim odvodnicama, reaktivna impedancija FCL-a >0,5 pu može održati napetost iznad 0,8 pu tijekom grešaka. Lokalna generacija ili reaktivna podrška blizu busa greške smanjuje ovisnost o FCL-ovima.

3.4 Koordinacija s tradicionalnim mjerenjima ograničavanja

Ključno je za praktičnu primjenu koordinirati FCL-ove s tradicionalnim mjerenjima (npr., reaktori, transformatori s visokim impedansom). Automatska optimizacijska metoda koristeći 0-1 varijable za raspoređivanje mjerenja i cjelobrojne varijable za kapacitet formira problem smještanja sa smještanjem, rješiv putem metoda grananja i grananja, kako bi vodila koordiniranu konfiguraciju.

3.5 Optimizacija konfiguracije

Sa više FCL-ova, optimizacija lokacije, broja i parametara za učinkovitu performansu je točka istraživanja. Za male mreže, enumeracija ili metode temeljene na stopi promjene/gubitka snage dovoljne su. Za velike mreže s više čvorova koje prelaze granice preopterećenja, enumeracija postaje računalno intenzivna i neadekvatna za multiobjektivne probleme (impedancija, broj, lokacija).

Težinska multiobjektivna optimizacija koristeći genetske ili algoritme roja čestica je uobičajena, ali rezultati značajno ovisi o odabiru težina. Metode temeljene na osjetljivosti, izračunavajući promjene strujnog preopterećenja u odnosu na impedanciju granica, izbjegavaju ovisnost o težinama i pomažu u određivanju optimalne lokacije FCL-a, broja i impedancije. Budući da je primarni cilj ograničavanje, optimizacija može se fokusirati na učinkovitost ograničavanja, osiguravajući da odabrane lokacije FCL-a utječu na sve čvorove s nedovoljnim margina preopterećenja. Troškovi i operativni gubitci su također ključni faktori u stvarnom svijetu optimizacije.

4 Razvojne i primjene trendove FCL-ova

4.1 Trendovi istraživanja tehnologije FCL-a

Da bi se iskoristile prednosti i smanjile slabe strane, pojavljuju se nove smjernice istraživanja. Kombinacija nadprovođačkih FCL-ova s akumulacijom energije jest popularna tema - apsorbiranje energije tijekom grešaka i isporuka energije kako bi se poboljšala kvaliteta snage u normalnom radu, dostizajući dvostruke prednosti. Ključ leži u dizajnu sustava za obrađivanje snage.

Da bi se riješili visokih zahtjeva za kapacitetom, troškovi i harmoničke u čvrstim ograničiteljima, predložene su poboljšane topologije poput transformatorskih spojenih tri-faznih mostastih SSCL-ova s omičnim induktorima. Konvencionalni FCL-ovi nedostaju dinamičku prilagodbu i kompenzaciju u stabilnom stanju.

Predložen je multifunkcionalni FCL s dinamičkom serijalnom kompenzacijom: u normalnom radu koristi se preključivanje banka kondenzatora za stupnjevito kompenziranje linije; tijekom grešaka, GTO-ovi ili IGCT-ovi kontroliraju stupanj ograničavanja putem serijalnog induktora, omogućujući višestruku upotrebu. Serijalna kompenzacija mora biti pažljivo odabrana kako bi se izbjegle sub-sinhronne oscilacije.

4.2 Trendovi primjene FCL-ova

FCL-ovi ne samo ograničavaju strujno preopterećenje, već, pod odgovarajućim uvjetima, mogu poboljšati stabilnost ugla snage i napetosti, proširujući svoju primjenu. Izraziti trendovi uključuju poboljšanje kapaciteta prijema strujnog prijenosa, smanjenje rizika od komutacijskih propala, poboljšanje kvalitete snage i podršku velikom integrisanju obnovljivih izvora energije.

U višeterminalnim DC sustavima, FCL-ovi mogu ograničiti strujni preopterećenje bez utjecaja na normalni rad. Za DC mreže prijema, FCL-ovi instalirani na putovima propagacije grešaka mogu izolirati regije, blokirati propagaciju grešaka, skratiti trajanje komutacijskih propala, ubrzati oporavak DC snage i smanjiti neravnoteže snage i prenose struje iz istodobnih više ulaznih DC propala, poboljšavajući ukupnu tranzientnu stabilnost. Za velike asinkrone motore, integracija SFCL-ova u statorsku vezu omogućuje lagano pokretanje i smanjuje doprinos strujnog preopterećenja, smanjujući padove napetosti i poboljšavajući tranzientnu stabilnost napetosti.

Za veliku integraciju vjetra, FCL-ovi na točkama priključenja vjetroelektrana mogu poboljšati sposobnost preživljavanja grešaka i smanjiti rizik od odspajanja. Otporni FCL-ovi zahtijevaju manju impedanciju od induktivnih tipova za stabilnost pri istom vremenu greške, ali induktivni tipovi nude bolje poboljšanje blizu kritične stabilnosti.

Kako tehnologija FCL-a zreva, ovi brzo reagirajući, multifunkcionalni uređaji - ograničavajući greške, poboljšavajući stabilnost i izolirajući greške - pronaći će širu primjenu.

5 Zaključak

FCL-ovi efektivno ograničavaju strujno preopterećenje, ali mogu utjecati na stabilnost ugla snage/napetosti, postavke zaštite releja i ponovno zatvaranje. Optimizirana konfiguracija i koordinirana kontrola više FCL-ova ili s FACTS uređajima obećavaju značajne prednosti. Budući FCL-ovi