High Temperature Superconducting Fault Current Limiters as Enabling Technology in Electrical Grids with Increased Distributed Generation Penetration

Abstract. Amongst applications of high temperature superconductors, fault current limiters are foreseen as one of the most promising in power systems. Several topologies have been developed in the last years, taking advantage of different superconductors' properties. Increasing distributed generation (DG) penetration, based on renewable energy, adds new short-circuit sources to electrical grids, which brings several energy quality and protection issues. Superconducting fault current limiters can obviate these problems, representing thus an enabling technology for DG penetration. In this paper current limiter topologies are presented, its operations principles, strengths and weaknesses, in the context of these DG grids. In the end, future trends are discussed

Combined Operations of SFCL and Optimal Reclosing of Circuit Breakers for Transient Stability Enhancement of Power Systems

This thesis proposes the coordinated operation of optimal reclosing of circuit breakers and superconducting fault current limiter (SFCL) for enhancing the transient stability of a multi-machine power system. Transient stability performance of the combined operation of optimal reclosing of circuit breakers and SFCL is compared with that of the combined operation of conventional reclosing of circuit breakers and SFCL. Moreover, to see the effectiveness of SFCL in improving the transient stability, its performance is compared with the static var compensator (SVC). Simulation results in Matlab/Simulink environment for permanent balanced and unbalanced faults at different points in the system indicate that the proposed combination of optimal reclosing of circuit breakers and SFCL/SVC can enhance the transient stability of the system well than the combined operation of conventional reclosing of circuit breakers and SFCL/SVC. Furthermore, the SFCL performs better than the SVC for the same operating conditions of the system

Study of AC losses in medium-sized high temperature superconducting coils

The study of AC losses in superconducting pancake coils is of utmost importance for the development of superconducting devices. Due to different technical difficulties this study is usually performed considering one of two approaches: considering superconducting coils of few turns and studying AC losses in a large frequency range vs. superconducting coils with a large number of turns but measuring AC losses only in low frequencies. In this work, a study of AC losses in 128 turn superconducting coils is performed, considering frequencies ranging from 50 Hz till 1152 Hz and currents ranging from zero till the critical current of the coils. Moreover, the study of AC losses considering two different simultaneous harmonic components is also performed and results are compared to the behaviour presented by the coils when operating in a single frequency regime. Different electrical methods are used to verify the total amount of AC losses in the coil and a simple calorimetric method is presented, in order to measure AC losses in a multi-harmonic context. Different analytical and numerical methods are implemented and/or used, to design the superconducting coils and to compute the total amount of AC losses in the superconducting system and a comparison is performed to verify the advantages and drawbacks of each method

Estudo das forças electrodinâmicas desenvolvidas em limitadores de corrente supercondutores

A crescente dependência da energia eléctrica tem proporcionado o desenvolvimento do actual sistema energético, garantindo a continuação da produção e distribuição da electricidade, mantendo sempre um adequado balanço na relação qualidade/preço. Este sistema encontra-se explorando novas fontes de energias, de caracter renováveis, elevando assim a complexidade da rede energética e a probabilidade de ocorrerem falhas devido a correntes de curto-circuito (CC). Como alternativas para resolver ou prevenir os problemas que advêm das correntes de CC, encontram-se disponíveis dispositivos frequentemente utilizados na limitação das correntes na rede, mas que têm custos importantes associados à substituição e/ou manutenção dos equipamentos. Novas tecnologias que utilizam supercondutividade como principal componente, têm apresentado desempenhos satisfatórios, nomeadamente os limitadores de corrente supercondutores, os quais têm como característica particular, serem invisíveis à rede em funcionamento normal e apresentar elevada impedância em situação de falha, assim como menores tempos de recuperação. De forma a contribuir para a optimização destes limitadores, é importante identificar e caracterizar os esforços mecânicos aos quais se encontram sujeitos em situações de falha, nomeadamente os seus enrolamentos. Neste trabalho de dissertação, estudam-se e simulam-se os principais esforços electrodinâmicos em transformadores e, principalmente, nos enrolamentos de alguns limitadores de corrente supercondutores

Construção, ensaio e modelização de um limitador de corrente supercondutor

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresAs redes de energia estão em constante crescimento e a liberalização do mercado energético foca os esforços na satisfação do cliente, garantindo a fiabilidade, qualidade e economia dos serviços prestados. Por outro lado, o aumento da demanda energética tem como consequência redes mais complexas e com geração distribuída, particularmente proveniente de fontes renováveis. Este cenário obriga ao acoplamento de várias redes, o que aumenta o risco e intensidade de correntes de curto-circuito, altamente prejudiciais para os equipamentos que integram a rede. Os limitadores de corrente de curto-circuito surgem como a solução mais indicada para este problema e, sendo as propriedades intrínsecas dos supercondutores propícias a este tipo de aplicação, consideram-se para o efeito os limitadores de corrente supercondutores em particular. A implementação deste tipo de dispositivos pressupõe simulações, normalmente realizadas por software de modelização por elementos finitos, contudo, estas podem envolver tempos de processamento impraticáveis quando se tratam de dispositivos à escala real e/ou em redes complexas. Neste sentido, em sua substituição foi proposto um método de modelização do comportamento dinâmico de limitadores de corrente supercondutores indutivos, com o objectivo de realizar simulações dos mesmos em redes mais ou menos complexas, tornando o tempo de processamento incomparavelmente mais rápido. O objectivo do presente trabalho é a construção de um limitador de corrente supercondutor indutivo à escala laboratorial, o qual é alvo de diferentes ensaios de limitação em diferentes condições. O limitador inclui um cilindro supercondutor de alta temperatura e é ensaiado com diferentes topologias de núcleos de ferro, sendo feito o estudo comparativo do seu desempenho tendo sempre em vista a aplicação e validação do referido método proposto, bem como a sua futura aplicabilidade em dispositivos à escala real

Desenho e modelização de sistemas de energia empregando materiais supercondutores de alta temperatura

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica, especialidade de Máquinas Eléctricas, pela Universidade Nova de Lisboa,Faculdade de Ciências e TecnologiaOs materiais supercondutores de alta temperatura apresentam-se como potenciais promotores de importantes desenvolvimentos na área da Energia. As suas características electromagnéticas, como o transporte de corrente com perdas reduzidas ou virtualmente nulas, quando comparadas com condutores convencionais; o seu nível de diamagnetismo, inexistente em qualquer outro tipo de material; ou o ancoramento de fluxo; possibilitam o desenvolvimento de novas tecnologias que de outra forma seriam impraticáveis ou impossíveis. De entre os problemas energéticos com que a sociedade se confronta actualmente, surgem a distribuição de energia em áreas urbanas densamente povoadas; a integração de fontes descentralizadas em redes existentes; a necessidade, não só económica mas também ambiental, de reduzir as perdas associadas à geração, transporte e distribuição de energia; ou mesmo certos problemas mais específicos, como a necessidade de dispor de máquinas mais leves e compactas. Para cada um dos problemas referidos, a supercondutividade fornece uma ou várias respostas. Contudo, as aplicações comerciais tardam em aparecer. Isto deve-se a diversos factores: o grau de maturação e fiabilidade da tecnologia eléctrica e electromecânica actual, que dificultam a penetração de novas alternativas; a dificuldade em dispor de ferramentas de projecto de utilização prática e eficiente; ou a necessidade de criogenia, talvez a mais importante, mas cuja banalização depende, também, do advento das próprias tecnologias supercondutoras. Esta dissertação pretende responder a algumas destas questões. Em primeiro lugar, apresenta-se uma metodologia para auxílio ao desenho de motores supercondutores sem materiais convencionais, nomeadamente cobre, alumínio e ferro, consubstanciada num motor síncrono linear com supercondutores na armadura e excitação. Os materiais são caracterizados experimentalmente,e essas características utilizadas no projecto do dispositivo. Em segundo lugar, descreve-se uma metodologia de modelização e desenho de limitadores de corrente indutivos, cuja finalidade é a simulação destes dispositivos integrados em redes mais ou menos complexas. Em todo o trabalho, uma das linhas orientadoras é a substituição de ferramentas de elementos finitos, nomeadamente o programa Flux2D, pelas metodologias desenvolvidas, incomparavelmente mais rápidas e, em certos casos, adequadas. Por outro lado, consideraram-se também só aplicações com materiais supercondutores de alta temperatura, em virtude da possibilidade de operação em azoto líquido (77 K), muito barato, comparativamente a outras tecnologias e gama de temperaturas