Omejevalniki prekomernih tokov | Vpliv tehnologije in stabilnosti omrežja
1 Uvod v tehnologijo omejevalnika prekomernih tokov (FCL)
Tradicionalne pasivne metode omejevanja prekomernih tokov – kot na primer uporaba transformatorjev z visokim upornostjo, fiksni reaktorji ali deljenje busbarjev – trpijo zaradi notranjih pomanjkljivosti, kot so motnja strukture omrežja, povečana statična upornost sistema in zmanjšana varnost in stabilnost sistema. Te pristope je vse težje uporabljati v današnjih kompleksnih in velikih električnih omrežjih.
Na drugi strani aktivne tehnologije omejevanja prekomernih tokov, ki jih predstavljajo omejevalniki prekomernih tokov (FCL), pri normalnem delovanju omrežja kažejo nizko upornost. Ko pride do napake, FCL hitro preide v stanje visoke upornosti, s čimer učinkovito omeji prekomerne toke na nižjo raven, omogoča tako dinamično nadzor prekomernih tokov. FCL se je razvil iz tradicionalnega koncepta omejevanja tokov z serijnim reaktorjem z integracijo naprednih tehnologij, kot so elektronski napravi za moč, nadprovodilnost in kontrola magnetnih vezij.
Osnutna načela FCL-ja lahko poenostavimo v model, prikazan na Sliki 1: med normalnim delovanjem sistema je stikalo K zaprto in FCL ne vnese nobene upornosti za omejevanje tokov. Le ko pride do napake, se K hitro odpre, vneseno pa je reaktor, ki omejuje prekomerne toke.
Večina FCL-jev temelji na tem osnovnem modelu ali njegovih razširjenih variantah. Glavne razlike med različnimi FCL-ji ležijo v naravi upornosti za omejevanje tokov, implementaciji stikala K in pripadajočih strategij nadzora.
2 Implementacijski shemi FCL-jev in status uporabe
2.1 Nadprovodilni omejevalniki prekomernih tokov (SFCL-ji)
SFCL-je lahko razdelimo na kvahne in nekvahne glede na to, ali uporabljajo prehod nadprovodilca iz stanja nadprovodnosti v normalno stanje (S/N prehod) za omejevanje tokov. Strukturno so še naprej razdeljeni na upornostne, mostaste, magnetno zaslončne, transformatorske ali nasitene jedrske tipove. Kvahni SFCL-ji se oslanjajo na S/N prehod (sprožen, ko temperatura, magnetno polje ali tok presežejo kritične vrednosti), kjer se nadprovodilec premakne iz stanja z ničelno upornostjo v stanje z visoko upornostjo, s čimer omejuje prekomerne toke.
Nekvahni SFCL-ji kombinirajo nadprovodilne bobine z drugimi komponentami (npr. elektronskimi napravami za moč ali magnetnimi elementi) in kontrolo operativnih načinov za omejevanje kratkih tokov. Praktična uporaba SFCL-jev se sooča z običajnimi izzivi nadprovodilnosti, kot so stroški in učinkovitost hladilne tehnologije. Dodatno kvahni SFCL-ji imajo dolge čase obnove, ki lahko vstopajo v konflikt z ponovnim vklopom sistema, medtem ko spremembe upornosti nekvahnih SFCL-jev lahko vplivajo na usklajevanje relayske zaščite, kar zahteva ponastavitev.
2.2 Omejevalniki prekomernih tokov z magnetnimi elementi
Ti so razdeljeni na tipe z odpovedjo magnetnega toka in tipe z magneto-saturotnim stikalom. V tipu z odpovedjo magnetnega toka sta na istem jedru naviti dve vinčnici z nasprotno polariteto. Med normalnim delovanjem se enaki in nasprotne tokovi odpovedujejo, kar povzroča nizko upornost utrjevanja.
Pri napaki se ena vinčnica obide, zato se odpovedava ravnotežje tokov in nastopi visoka upornost. Tip z magneto-saturotnim stikalom deluje tako, da se vinčnica za omejevanje toka v normalnem stanju nasiči (npr. z DC prednapetostjo), kar prinaša nizko upornost. Pri napaki napetost krči jedro iz stanja nasite, kar ustvarja visoko upornost za omejevanje toka. Zaradi kompleksnih zahtev za nadzor se omejevalniki z magnetnimi elementi omejeno uporabljajo.
2.3 Omejevalniki prekomernih tokov s PTC uporniki
Uporniki s pozitivnim temperaturnim koeficientom (PTC) so nelinearni; pri normalnem delovanju imajo nizko upornost in minimalno segrevanje. Pri kratkem zaprtju se njihova temperatura hitro poveča, kar poveča upornost za 8–10 redov velikosti v milisekundah. FCL-ji, temelječi na PTC upornikih, so našli komercialno uporabo v nizevih napetostnih aplikacijah.
Vendar pa obstajajo pomanjkljivosti, kot so: visoke prepogojitve, generirane med omejevanjem induktivnega toka (zahtevajo vzporedno zaščito pred prepogojitvijo); mehanski stres zaradi širjenja upornika med delovanjem; omejena napetost in tok (sto volt, nekaj amper), kar zahteva serijno-paralelne povezave in omejuje uporabo pri višjih napetostih; in dolgi časi obnove (nekaj minut) z kratkim življenjskim časom, kar ovira večjo uporabo.
2.4 Trdninski omejevalniki prekomernih tokov (SSCL-ji)
SSCL-ji so nov tip omejevalnikov kratkih tokov, temelječih na elektroniki moči, običajno sestavljeni iz konvencionalnih reaktorjev, elektronskih naprav za moč in nadzornikov. Ponujajo različne topologije, hitre odzive, visoko operativno izdržljivost in preprost nadzor. S kontrolo stanja elektronskih naprav za moč se spreminja ekvivalentna upornost SSCL-ja, s čimer se omejuje prekomerni tok. SSCL-ji so smatrani kot nova FACTS naprava in pridobivajo vedno večjo pozornost. Vendar morajo elektronske naprave za moč pri napakah nositi celotni prekomerni tok, kar zahteva visoko zmogljivost in kapaciteto naprav. Usklajevanje med večimi SSCL-ji ali z drugimi sistemi za nadzor FACTS ostaja ključni izziv.
2.5 Ekonomični omejevalniki prekomernih tokov
Ti ponujajo zrelo tehnologijo, visoko zanesljivost, nizke stroške in avtomatsko preklop brez zunanje kontrole. Glavno so razdeljeni na tipe prenosa luka in serijne resonantne tipe. Tip prenosa luka sestavlja vakuumsko stikalo v paraleli z omejevalnim upornikom. Med normalnim delovanjem tok opterečenja teče skozi stikalo. Pri kratkem zaprtju se stikalo odpre, s čimer se tok prenese na upornik za omejevanje toka.
Težave vključujejo: prenosnega toka, ki ga vpliva vakuumski luk in stranji induktanci; čas prenosa, odvisen od hitrosti stikala; in težave pri prenosu toka pri nizkih napetostih luka, kar zahteva pomožne naprave, da povečajo napetost luka in prisilijo presek toka. Serijski resonantni FCL-ji uporabljajo nasitene reaktorje ali zaščitne naprave kot stikala. Med normalnim delovanjem so kondenzator in induktor v serijni resonanci z nizko upornostjo. Pri napaki visoki tok nasiti reaktor ali aktivira zaščitno napravo, zato rezonanca propada in reaktor vstopi v linijo za omejevanje toka. Hitri elektromagnetni stikalni preklopi lahko tudi hitro obidejo kondenzator.
2.6 Trenutno stanje inženirske uporabe FCL-jev
Za praktično vrednost morajo FCL-ji ne le hitro vnesti upornost ob napakah, ampak tudi imeti avtomatsko ponastavitev, večkratne zaporedne operacije, nizko generiranje harmonskih valovanj in sprejemljive investicijske in operativne stroške. Trenutno, zaradi tehničnih izzivov in ekonomičnosti, je mimo različnih poskusnih prototipov, ki so bili razviti po vsem svetu, dejanska uporaba v omrežjih še vedno redka, večinoma omejena na nizevne, male kapacitete pilotnih projektov.
To področje se je začelo razvijati raneeje v tujini, z opaznimi napredki v komercializaciji trdinskih in nadprovodilnih FCL-jev. Leto 1993 je bil nameščen 6,6 MW trdinski preklopnik s GTO-ji v antiparaleli na 4,6 kV feederju v Army Power Center v New Jersey, ZDA, sposoben čiščenja napak v 300 μs. Leto 1995 je bil 13,8 kV/675 A trdinski FCL, razvitan od EPRI in Westinghouse, nameščen v podstanici PSE&G. Za nadprovodilne FCL-je je ACEC-Transport in GEC-Alsthom leta 1998 razvili hibridni AC/DC FCL, ki je dosegel komercializacijo. Leta 1999 je bil 15 kV/1200 A SFCL, razvitan od General Atomics in drugih, nameščen v podstanici Southern California Edison (SCE).
Domače raziskave FCL-jev so se začele kasneje, vendar so se hitro razvijale. Leto 2007 je kitajska 35 kV nadprovodilna nasitena jedrska FCL, razvita od Tianjin Electromechanical Holdings in Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., preizkušala v povezanem delovanju v podstanici Puji, Yunnan - tedaj najvišja napetost in največja kapaciteta nadprovodilnega omejevalnika v preizkusu. Za serijsko resonantne FCL-je je prvi 500 kV naprava, razvita od China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri in East China Grid, bila nameščena v 500 kV Bingyao Station kasneje leta 2009, zmanjšala pa je prekomerne toke pod 47 kA.
Po vsem svetu so uporabe FCL-jev še vedno omejene na posamezne projekte, vendar pridobivajo vedno večjo pozornost. Veliko potenciala ostaja v raziskavah za povečanje kapacitete, odpornosti materialov, odvajanja toplote, kontrole stroškov in optimizacije topologije.
3 Vpliv integracije FCL-jev na varnost in stabilnost električnega sistema
Hitro vnašanje upornosti FCL-jev ob napakah, čeprav učinkovito omejuje toke, spremeni parametre omrežja, kar vpliva na prehodno stabilnost, stabilnost napetosti, postavke relayske zaščite in ponovnega vklopa. Slaba kontrola lahko vodi do negativnih učinkov. Usklajena kontrola in optimalna konfiguracija so ključne za več FCL-jev, da dosežejo optimalno delovanje.
3.1 Vpliv na postavke relayske zaščite in ponovnega vklopa
Za nasitene jedrske SFCL-je dolg čas obnove pomeni, da visoka upornost ostane po napaki, kar lahko zahteva ponastavitev avtomatskega ponovnega vklopa in relayske zaščite. Literatura predlaga namestitev kvahnih SFCL-jev na vejicah generatorjev in glavnih transformatorjev; čeprav je potrebna ponastavitev zaščite, visoka upornost med obnovitvijo lahko deluje kot brzdingov upornik, ki koristi prehodno stabilnost. Predlagane so bile različne metode postavkanja oddaljene zaščite, ki upošteva SFCL-je. Trdinski FCL-ji lahko uporabljajo signale za sprožitev tiristorjev, stikala obideznih preklopnikov, položaje stikal FCL-ja in GAP vezje, da preklopijo postavke zaščite neničelnega toka, reševanje problemov občutljivosti po vnašanju FCL-ja.
3.2 Vpliv na prehodno stabilnost moč-kota
Čeprav FCL-ji običajno delujejo z nizko upornostjo pri normalnem delovanju in visoko upornostjo ob napakah, njihovo specifično delovanje in struktura vodijo do različnih učinkov na prehodno stabilnost moč-kota. Trdinski in nadprovodilni FCL-ji, s vnašanjem visoke upornosti ob napakah, lahko povečajo izhod elektromagnetske moči generatorja in izboljšajo prehodno stabilnost.
Upornostni tipi FCL-jev bolj izboljšajo stabilnost kot induktivni tipi, ker zagotavljajo upornost, ki porablja več moči generatorja. Vendar lahko napačne vrednosti upornosti povzročijo obratni tok moči v generator, kar poslabša primanjkljaj moči. Analiza kaže, da za napake daleč od generatorja induktivni SFCL-ji postanejo bolj koristni, saj se skupna prenosna reaktivna upornost zmanjša. Upornostni SFCL-ji kažejo podobne značilnosti preko določene meje upornosti.
Učinek je odvisen od lokacije in vrste napake; FCL-ji vplivajo na stabilnost moč-kota le, ko se napake pojavijo na njihovih nameščenih vejicah. Za asimetrične napake na začetku vejice upornost FCL-ja koristi stabilnosti, ki se povečuje s vrednostjo upornosti. Na koncu vejice, če je napaka hitro odpravljena, upornost FCL-ja lahko ovira stabilnost, vendar negativni učinek pada z višjo upornostjo za fazne in dvofazne napake na zemlji. Za enofazne ali fazne napake blizu konca vejice lahko malo podaljšanje časa odpravljanja napake malo upornost FCL-ja koristi, znatno zmanjša amplitudo nihanja v primerjavi s hitrim odpravljanjem.
3.3 Vpliv na prehodno stabilnost napetosti
Kratki zaprtji povzročajo padec napetosti, ki vpliva na delovanje opreme in povzroča gospodarske izgube. Analiza z PSCAD kaže, da večja upornost FCL-ja izboljša zadrževanje padca napetosti v določenem obsegu. Samodejna sposobnost FCL-jev, da izboljša napetost pri napakah, se razlikuje glede na strukturo omrežja. Na radialnih vejicah upornost FCL-ja >0,5 pu lahko ohranja napetost nad 0,8 pu med napakami. Lokalna proizvodnja ali reaktivna podpora blizu busa z napako zmanjša odvisnost od FCL-jev.
3.4 Uskladitev z tradicionalnimi omejevalnimi merili
Uskladitev FCL-jev z tradicionalnimi merili (npr. reaktorji, transformatorji z visoko upornostjo) je ključna za praktično uporabo. Avtomatska optimizacijska metoda, ki uporablja 0–1 spremenljivke za razporejanje meril in celoštevilske spremenljivke za kapaciteto, tvori problem mešanega celoštevilskega programiranja, ki ga je mogoče rešiti z metodo grane in omejitve, za vodilo usklajene konfiguracije.
3.5 Optimizacija konfiguracije
Z večimi FCL-ji je optimizacija lokacije, števila in parametrov za učinkovito delovanje s stroški pomembno raziskovalno področje. Za majhna omrežja zadostijo enumeracija ali metode, temeljene na stopnji spremembe/izgube moči. Za velika omrežja z več kotami, ki presežejo meje prekomernih tokov, enumeracija postane računsko zahtevna in nezadostna za večciljne probleme (upornost, število, lokacija).
Pogosta je težinska večciljna optimizacija z uporabo genetskih ali algoritmov roja čebel, vendar so rezultati zelo odvisni od izbire tež. Metode, temeljene na občutljivosti, ki izračunavajo spremembe prekomernih tokov glede na upornost vej, izogibajo odvisnosti od tež in pomagajo določiti optimalno postavitev, število in upornost FCL-jev. Ker je glavni cilj omejevanje toka, lahko optimizacija osredotoči na učinkovitost omejevanja, da zagotovi, da izbrana lokacija FCL-jev vpliva na vse kote z nedostatkom prekomernega toka. Stroški in operativne izgube so tudi ključni faktorji v realni optimizaciji.
4 Razvojne in uporabne trendi FCL-jev
4.1 Trendi raziskav FCL-tehnologije
Za izkoriščanje prednosti in zmanjšanje slabosti se pojavljajo nove smeri raziskav. Kombinacija nadprovodilnih FCL-jev z shranjevanjem energije je aktualno temo – absorpcija energije ob napakah in njen oskrba za izboljšanje kakovosti energije med normalnim delovanjem, dosego dvojnega učinka. Ključ je v izdelavi sustava za urejanje moči.
Za reševanje visokih zahtev glede kapacitete, stroškov in harmonskih valovanj v trdinskem omejevalniku so predlagani izboljšani topologiji, kot so transformator-spleteni trifti mostasti SSCL-ji z obidnimi induktorji. Konvencionalni FCL-ji nimajo dinamične prilagodljivosti in statične kompenzacije.
Predlagan je večfunkcijski FCL z dinamično serijno kompenzacijo: normalno delovanje uporablja preklop kondenzatorske banke za korakasto kompenzacijo linije; ob napakah GTO-ji ali IGCT-ji nadzorujejo stopnjo omejevanja preko serijnega induktorja, omogočajo večnamensko uporabo. Serijska kompenzacija mora biti izbrana z roko, da se izognemo sub-sinhronim nihanjam.
4.2 Trendi uporabe FCL-jev
FCL-ji ne le omejujejo prekomerne tokove, ampak, pod ustreznimi pogoji, lahko izboljšajo stabilnost moč-kota in napetosti, kar razširja njihov okvir uporabe. Novi trendi vključujejo izboljšanje prenosa moči na prejemniški strani DC, zmanjšanje tveganja za preklop, izboljšanje kakovosti energije in podporo velikomaskovni integraciji obnovljivih virov.
V večkončnih DC sistemih lahko FCL-ji omejujejo tok brez vpliva na normalno delovanje. Za omrežja na prejemniški strani DC lahko FCL-ji, nameščeni na poti širjenja napak, izolirajo regije, blokirajo širjenje napak, skrajšajo trajanje preklopa, pospešijo obnovitev DC moči in zmanjšajo neravnovesje moči in prenose moči zaradi hkratnih napak več vhodnih DC, kar izboljša celotno prehodno stabilnost. Za velike asinhronne motorje lahko integracija SFCL-jev v statorski krog omogoča mehko zaganjanje in zmanjša prispevek prekomernega toka, zmanjša padec napetosti in izboljša prehodno stabilnost napetosti.
Za velikomaskovno integracijo vetra lahko FCL-ji na točkah povezave vetrobogatilnic izboljšajo zmogljivost preživetja napak in zmanjšajo tveganje za odpove. Upornostni FCL-ji zahtevajo manjšo upornost kot induktivni tipi za stabilnost pri enakem času napake, vendar induktivni tipi nudijo boljše izboljšave blizu kritične stabilnosti.
Ko bo FCL-tehnologija zrelo, bodo te hitro odzivne, večfunkcijske naprave – omejevanje napak, izboljšanje stabilnosti in izolacija napak – našle širšo uporabo.
5 Zaključek
FCL-ji učinkovito omejujejo prekomerne tokove, vendar lahko vplivajo na stabilnost moč-kota/napetosti, postavke relayske zaščite in ponovnega vklopa. Optimalna konfiguracija in usklajena kontrola več FCL-jev ali z FACTS napravami obljubljata veliko prednosti. Bodoči FCL-ji bodo šli za omejevanjem prekomernih tokov še dlje, da bi izboljšali prenos DC, zmanjšali tveganje za preklope, izboljšali kakovost energije in podpirali integracijo obnovljivih virov.
Vendar pa tehnične in ekonomsko ovire zadevajo velikomaskovno uporabo visokonapetostnih, visokokapacitetnih FCL-jev. Trdinski omejevalniki, omejeni s kapaciteto in napetostnimi rangi naprav, so trenutno omejeni na distribucijska omrežja. Napredek v visokomosilnih samopreklapljalnih napravah lahko premosti te ovire in zmanjša stroške.
