[論文レビュー] Implementation of Resistive Type Superconducting Fault Current Limiters in Electrical Grids: Performance Analysis and Measuring of Optimal Locations

Xiuchang Zhang, H. S. Ruiz+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2015

HVDC Systems and Fault Protection参考文献 38被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、故障時における超伝導体の挙動をシミュレートするための動的E-J積算法則モデルを用いて、電力系統における抵抗性超電導故障.currentリミッター（SFCL）のパフォーマンス駆動型最適化フレームワークを提案する。熱的ダイナミクスとE-J特性をモデル化することで、簡易的ステップ抵抗モデルに比べてはるかに正確な故障電流低減予測が可能であることが示され、3台のSFCLを位置2、3、4に最適配置することで最大395%の故障電流低減が達成され、最良のコストパフォーマンストレードオフが実現される。

ABSTRACT

In the past few years there has been a significant rise in the short-circuit current levels in transmission and distribution networks, it due to the increasing demands on power and the addition of sources of distributed generations. It leads to the need of integration of novel protection systems such as the superconducting fault current limiters (SFCLs), ... . SFCL models on the electric distribution networks largely rely on the insertion of a step or exponential resistance that is determined by a predefined quenching time. However, beyond the framework of these models, the study of the performance, reliability, and location strategy for the installation of sole or multiple SFCLs in power grids still lacks of proper development leading to the utter need of comprehensive and systematic studies on this issue. In this paper, we expand the scope of the aforementioned models by considering the actual behaviour of a SFCL in terms of the temperature dynamic power-law dependence between the electrical field and the current density. Our results are compared with step-resistance models for the sake of discussion and clarity of the conclusions. Both SFCL models were integrated into a power system model built based on the UK power standard, and the impact of these protection strategies on the performance of the overall electricity network was studied. As a representative renewable energy source, a 90 MVA wind farm was considered for the simulations. Three fault conditions have been simulated, and the figures for the fault current reduction predicted by both fault current limiting models have been compared in terms of multiple current measuring points and allocation strategies...

研究の動機と目的

• 再生可能エネルギーの統合拡大と負荷増加に伴い上昇する故障電流レベルに対処すること。
• 性能を過大評価する従来のステップ抵抗型SFCLモデルの限界を評価すること。
• 動的E-J特性と熱応答を組み込んだより正確なSFCLモデルの開発および検証すること。
• 最小限の投資で最大の故障電流低減を達成できるように、SFCLの設置位置と数を最適化すること。
• 配電網運用者に対するSFCL導入戦略に関する実行可能な指針を提供すること。

提案手法

• シミュレーション用に、英国配電網基準に基づく詳細な電力系統モデルを構築した。
• 2種類のSFCLモデルを実装した：簡易的ステップ抵抗モデルと、温度依存抵抗を有する物理的に正確なE-J積算法則モデル。
• E-Jモデルは、電界（E）と電流密度（J）の非線形的関係に加え、故障時における動的熱的変化を捉える。
• 実際の故障シナリオを再現するため、90 MVAの風力発電所を代表的な分散電源として統合した。
• 系統内の主要な測定ポイントで複数の故障条件を分析し、故障電流低減（FCR）性能を評価した。
• E-Jモデルと併用して保護スキームを実装し、SFCLの焼損を防止するとともに、故障後の回復性を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 E-J積算法則のダイナミクスと熱的応答を組み込むことで、ステップ抵抗モデルに比べてSFCLの故障電流低減性能の予測にどのような影響を与えるか？
• RQ2 複数の故障シナリオおよび測定ポイントをカバーする上で、故障電流低減を最大限に高めるために最適なSFCLの数と設置位置は何か？
• RQ3 異なるSFCL設置戦略は、システムの信頼性および投資コスト効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 簡易的ステップ抵抗モデルは、実際の電力系統におけるSFCLの実性能をどの程度過大評価しているか？
• RQ5 E-Jモデルに基づく手法は、アクティブ配電網におけるSFCL導入に向けた信頼性があり、再現可能でスケーラブルな意思決定を支援できるか？

主な発見

• E-J積算法則モデルは最大395%の故障電流低減（FCR）を予測したが、ステップ抵抗モデルでは495%と予測されており、性能が最大20%過大評価されていることが示された。
• 最適なSFCL設置戦略は、位置2、3、4に3台のSFCLを配置することであり、最高のFCR（395%）と最良のコストベネフィット比が達成された。
• 3台を超えるSFCLの追加（例：4台または5台）は、故障電流低減にほとんど寄与せず、3台を超えるとリターンが減少することが示された。
• E-Jモデルでは、故障電流低減がすべての測定ポイントで一様ではなく、一部の地点では低減が見られないことが判明し、戦略的配置の重要性が浮き彫りになった。
• 熱的ダイナミクスと保護スキームを組み合わせたE-Jモデルにより、故障後のSFCL回復が高速化され、システムの信頼性と運用レジリエンスが向上した。
• 本研究では、超伝導体のE-J特性と熱的挙動の正確なモデル化が、信頼性のあるSFCL性能推定と最適な系統統合に不可欠であることが確認された。