Control of superconducting dc transmission systems and solution of coupled electrothermal superconducting cable model

Abstract

The main objective of this thesis is to perform studies related to superconducting dc transmission systems. The first part of the investigation focuses on the modeling and control design of point-to-point superconducting dc links to connect either stiff or weak systems. Moreover, alternative concepts for integration of superconducting dc links within conventional ac or dc grids are discussed. Via a feasibility study, focus is given on the appropriate sizing of the system elements, on the cable contribution to losses reduction, as well as on enhancements on control level to provide additional damping. Modeling is tested under both steady-state and transient conditions to prove that with appropriate cable modeling as well as with targeted improvements on the control level, superconducting dc transmission could be a near-future realistic scenario. The second part deals with a comprehensive analysis regarding the solution of the thermal and eletro-thermal model of a superconducting dc cable. Regarding the thermal modeling, the volume-element-method (VEM) is used in order heat transfer equations on a 2D axisymmetric cable model to be solved and both temperature and pressure distribution over space and time to be determined. For the modeling of the electric part, two approaches are introduced either for steady-state or transients studies. For the first, cable segmentation into cascaded Π-equivalent circuits is considered, while for the second a constant-parameter finite-difference time-domain (FDTD) method is utilized to calculate voltages and currents over space and time as well. The coupling process in both cases is bi-directional, since current is translated into heat generation, while temperature variations lead to changes on the material resistivity. Finally, developed cable models are generic, accurate and combined with time-efficient solvers to systematically investigate the thermal and the coupled electro-thermal behavior, under both steady-state and transient conditions, of any HTS cable. The proposed methodologies consist useful tools to identify a secure framework, within safe operation of superconducting equipment is ensured.

Ο βασικός σκοπός αυτής της διατριβής είναι η διενέργεια μελετών σχετικά με υπεραγώγιμα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας συνεχούς ρεύματος. Το πρώτο κομμάτι της έρευνας εστιάζει στη μοντελοποίηση και το σχεδιασμό του ελέγχου για υπεραγώγιμες διασυνδέσεις συνεχούς ρεύματος μεταξύ δύο στιβαρών ή ασθενών συστημάτων. Επιπλέον, μελετώνται εναλλακτικά σενάρια ενσωμάτωσης υπεραγώγιμων διασυνδέσεων συνεχούς ρεύματος εντός συμβατικών δικτύων συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος. Μέσω μιας μελέτης εφαρμοσιμότητας, δίνεται έμφαση στην ιδανική διαστασιολόγηση των στοιχείων του συστήματος, στη συνεισφορά του καλωδίου στη μείωση των απωλειών όπως επίσης και σε στοχευμένες βελτιώσεις στο επίπεδο του ελέγχου που θα προσδώσουν πρόσθετη απόσβεση. Η ανάλυση δοκιμάζεται τόσο σε στάσιμη κατάσταση όσο και για την εξέταση μεταβατικών φαινομένων για να αποδείξει ότι με την κατάλληλη μοντελοποίηση του καλωδίου όσο και με στοχευμένες βελτιώσεις στο επίπεδο του ελέγχου, η υπεραγώγιμη μεταφορά συνεχούς ρεύματος μπορεί να αποτελεί ρεαλιστικό σενάριο στο εγγύς μέλλον. Το δεύτερο μέρος της διατριβής ασχολείται με την ενδελεχή ανάλυση και επίλυση του θερμικού και ηλεκτροθερμικού μοντέλου ενός υπεραγώγιμου καλωδίου συνεχούς ρεύματος. Αναφορικά με τη θερμική μοντελοποίηση, γίνεται χρήση της μεθόδου στοιχειωδών όγκων με σκοπό την επίλυση των εξισώσεων μεταφοράς θερμότητας σε ένα δισδιάστατο αμφισυμμετρικό μοντέλο καλωδίου και την εξαγωγή της κατανομής θερμοκρασίας και πίεσης ως προς μήκος και χρόνο. Για τη μοντελοποίηση του ηλεκτρικού κομματιού, εισάγονται δύο προσεγγίσεις, για τη μελέτη είτε της στάσιμης είτε της μεταβατικής κατάστασης. Για την πρώτη, θεωρείται κατάτμηση του καλωδίου σε εν σειρά συνδεδεμένα Π-ισοδύναμα κυκλώματα ενώ για τη δεύτερη γίνεται χρήση της μεθόδου πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου με σκοπό τον υπολογισμό ρευμάτων και τάσεων ως προς χρόνο και χώρο επίσης. Η ηλεκτροθερμική σύζευξη και στις δύο περιπτώσεις είναι αμφισήμαντη καθώς το ρεύμα μεταφράζεται σε παραγωγή θερμότητας ενώ η μεταβολή της θερμοκρασίας οδηγεί σε μεταβολή της αντίστασης των υλικών. Τέλος, τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν είναι γενικευμένα, ακριβή και συνδυασμένα με αποδοτικούς αριθμητικούς επιλυτές με σκοπό τη συστηματική διερεύνηση της θερμικής και ηλεκτροθερμικής συμπεριφοράς, τόσο υπό στάσιμη όσο και υπό μεταβατική κατάσταση, οποιουδήποτε υπεραγώγιμου καλωδίου. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες αποτελούν χρήσιμα εργαλεία για την ανάδειξη ενός πλαισίου ασφαλούς λειτουργίας εντός του οποίου ο υπεραγώγιμος εξοπλισμός είναι διασφαλισμένος.