Transformateur limiteur de courant supraconducteur à haute température critique : design, construction et test

RÉSUMÉ Malgré un rendement eleve pouvant atteindre 98% ou 99%, les transformateurs modernes avec des enroulements en cuivre ou aluminium génèrent des pertes d'origines électrique (eet Joule, 80% a pleine charge) mais aussi magnétique ( 20%). L'utilisation de supraconducteurs pour les bobines permettrait, grâce aux propriétés intrinsèques du matériau, de reduire fortement les pertes du fait de l'absence de résistance au passage du courant électrique. L'impact environnemental est donc réduit avec l'amélioration du rendement. Cela signifie globalement moins d'emissions de CO2 si la production est basée sur des énergies fossiles. Les propriétés des matériaux supraconducteurs permettent également d'ajouter une nouvelle fonction aux transformateurs supraconducteurs par rapport a leurs homologues classique. En cet, les matériaux supraconducteur deviennent tres resistif lorsque le courant est supérieur au courant critique, cela permet d'obtenir une limitation naturelle et automatique du courant de court-circuit. La capacite de limitation de courant en cas de court-limitation est un sérieux avantage pour les transformateurs supraconducteurs, permettant ainsi diverses économies au niveau de la protection, de même qu'un maillage accru des réseaux, ce qui permet en général d'en améliorer la abilite. L'objectif principal de ce mémoire est i) d'évaluer de facon préliminaire les dicultes de l'intégration des matériaux supraconducteurs dans un transformateur limiteur de courant de court-circuit, ii) de verier les capacités de limitation qu'ore un tel transformateur. Afin de veriter ces possibilites, il a d'abord ete necessaire de concevoir et construire un prototype de transformateur (10kVA). Ce prototype a permis d'observer les contraintes liees a l'emploi de materiau supraconducteur dans une application concrête. Le comportement lorsqu'un court-circuit apparait au secondaire du transformateur a ete observe. On y compare le transformateur supraconducteur, dont l'enroulement secondaire est hybride ( 20% de ruban supraconducteur et 80% de cuivre), avec son equivalent comportant uniquement du cuivre.----------ABSTRACT Classical transformers generate losses by Joule eect ( 80% at full load) and by various other mechanisms in their ferromagnetic core ( 20% at full load). Despite the overall high eciency reached by modern power transformers (typically 98% to 99%), the latter can still be improved by using high temperature superconductors (HTS). Indeed, when used in coils, superconductors allow reducing the Joule losses thanks the extremely low resistance they offer to the electric current. If the generation is based on fossil fuels, even a slight improvement of the eciency can have a signicant on reducing CO2 emissions when considering the whole life cycle of the transformer. The properties of HTS materials can also add a new functionality to transformers in comparison with classical transformers, namely fault current limitation. Indeed, because the superconductor suddenly becomes very resistive when the transport current goes beyond the critical current of the wire, it provides an intrinsic, passive and failsafe fault current limitation mechanism. This behavior is likely to be highly desirable for the reliability of future electrical networks, as fault current levels steadily increase and lead to important investments in upgrades of protection systems or in network reconguration. The main objectives of this project were to: i) familiarize ourselves with the design challenges associated with the use of HTS wires in power transformers, and ii) verify the fault current limiting properties that allow such a transformer. Through the complete design and realization of a real 10 kVA prototype, we explored the operating conditions of the HTS transformer and the constraints of using HTS wires in a real application. We also compared our HTS transformer (actually, it is just partially superconducting since only 25% of the secondary winding is superconducting) with a full copper version, in order to see how both designs behave under fault current conditions. The design of the prototype took into account many constraints related to the use of superconducting materials. In fact, such materials are sensitive to mechanical constraints during construction and overcurrent conditions

Towards the optimal use of an existing MRE electrical network from an electrothermal perspective

International audienc

Improved Method for Determining the n-Value of HTS Bulks

International audienceThe complete penetration magnetic field Bp is the main feature of a superconducting pellet submitted to an axial applied magnetic field. The electric E-J characteristics of HTS bulk is generally described by a power law E(J) = Ec(J/Jc)^n. The influence of the n-value and applied magnetic field rise rate Vb on the Bp of a HTS cylindrical pellet has been presented in a previous paper. The numerical results presented come from numerical resolution of a non linear diffusion problem. With the help of these simulations a linear relationship between Bp, ln Vb and n-value has been deduced. This comparison allows determining the critical current density Jc and the n-value of the power law based on direct measurement of Bp in the gap between two bulk HTS pellets. In this paper, an improvement of this method is presented. The influence of geometric parameters R and L is studied to give generality to the relationship between Bp, Vb and n-value. Previous Bp formula is confirmed by these new simulations. To correctly connect simulation and experimental results, the influence of spacing e between bulks is studied and presented. A relationship between Bp and measured complete penetration magnetic field Bpm is determined

Méthodes d’évaluation du comportement des limiteurs de courant de court-circuit supraconducteurs résistifs intégrés dans des simulateurs de réseaux électriques

Superconducting fault current limiters (SFCL) are a promising technology for power systems, i.e. they provide efficient current limitation from the very beginning of the fault without requiring any control system. In fact, the current limiting characteristics are directly connected to the physical properties of superconducting materials. There is a need for accurate models to help designing resistive-type SFCLs (rSFCL) and planning their integration into electrical networks. Such models have to take into account the physics involved for simulating (as accurately as possible) the electrical and thermal behaviours for a wide range of fault conditions, i.e. high and low short-circuit currents that can be of various durations. It is difficult to see how the planning and integration of SFCLs can be realized without using numerical tools, especially tools that allow realizing power system transient simulations, such as EMTP-RV. In fact, such software packages support engineers in predicting the behaviour of SFCLs in realistic network conditions, which may comprise a wide variety of overcurrent or fault situations. However, rSFCLs exhibit highly non-linear behaviours with a strong coupling between thermal and electrical phenomena. The implementation of such a model in power systems simulation tools is therefore challenging. Although some models have been already developed over the years, improvements are needed to take into account i) all the phenomena linked to the current limitation (electrical and thermal), ii) geometric properties of superconducting tapes that are used in rSFCLs, and iii) the possibility to perform simulations at the system level, and iv) the influence of the tape architecture in relationship to local phenomena (hot spots). This thesis hence focuses on the development of a models for resistive-type SFCLs based on second generation high temperature superconducting coated conductors (2G HTS CCs), i.e. (RE)BCO tapes. The models are implemented in EMTP-RV, a tool that is used by many utilities around the world. However, the modeling technique can be adapted to other simulation tools as well. The model proposed in this thesis is based on an electro-thermal analogy, which allows modeling thermal effects with non-linear electrical circuit elements such as resistors and capacitors. The model has been developed with the aim of providing flexibility. Hence, it can be used with an AC or DC excitation, and can also take into account non-uniformity in critical critical current density typically observed along length of the conductors (i.e. tapes). It also allows modeling virtually any tape architecture using modular and flexible electrical and thermal basic building blocks that can be different in size. This in turn also allows modeling SFCLs with different level of discretization, i.e. from hot spot modeling with local heat transfer to several meters of (RE)BCO tape. It therefore becomes possible to analyze in the same simulation phenomena happening at the sub-millimetric scale, such as hot-spot phenomena, and at the system-scale, such as the impact on the network of several hundred meters of superconducting tape. In order to validate the EMTP-RV circuit model, comparisons with results obtained with finite elements have been carried out. A similar behavior could be observed, as long as the discretization size of the electro-thermal elements were appropriate. The EMTP-RV circuit model allows performing optimizations of the tape architecture for various thicknesses of stabilizer, in presence or not of an interfacial resistance layer, e.g. between the superconductor and the substrate. While the circuit model was developed to allow representing heat transfer and current distribution in 3D, simulations are still limited to 2D cases because the size of the nodal matrix is otherwise exceeded in EMTP-RV. Simulation results also show that neglecting heat transfer along the thickness of the tape can be risky, [...]Les limiteurs de courants de court-circuit supraconducteurs sont des appareillages à fort potentiel pour les réseaux électriques. En effet, ils offrent une limitation efficace dès les premiers instants du court-circuit. On peut qualifier la limitation de "naturelle", c’est-à-dire qu’elle est intrinsèquement liée aux caractéristiques du matériau et ne nécessite pas de commande particulière. Afin de faciliter la conception et l’intégration des limiteurs de courant de court-circuit supraconducteurs résistifs (rSFCL) destinés aux réseaux électriques, il est nécessaire de disposer de modèles de simulation précis. Ces derniers doivent prendre en compte et simuler correctement (et le plus précisément possible) les phénomènes électriques et thermiques du rSFCL en présence de surintensités de courant, qu’il s’agisse d’un court-circuit franc ou d’un phénomène temporaire de plus faible amplitude. Il est difficile d’envisager la planification de l’intégration d’un rSFCL sans passer par des outils numériques qui permettent la simulation d’un tel dispositif dans un réseau électrique en régime transitoire. Il est alors plus facile d’appréhender et de prédire le comportement transitoire du limiteur dans des conditions de stress réalistes, qui peuvent comprendre une grande variété de surintensités, tant en durée qu’en amplitude. Néanmoins, les rSFCL sont des dispositifs fortement non-linéaires caractérisés par un couplage électrique et thermique très fort. L’implémentation d’un tel modèle dans un logiciel de simulation de type “circuits électriques” en régime transitoire présente un certain défi. Bien que des modèles de rSFCL existent déjà, des améliorations doivent être apportées pour prendre en compte i) l’ensemble des phénomènes physiques liés à la limitation (thermiques et électriques), ii) les propriétés géométriques des rubans supraconducteurs utilisés et iii) la possibilité de réaliser des études globales (impact du limiteur sur le réseau) et iv) l’influence de l’architecture du ruban en présence de phénomènes locaux (points chauds). Cette thèse se concentre donc sur le développement d’un modèle de rSFCL basé sur des rubans supraconducteurs de deuxième génération. Ce modèle est développé dans le logiciel EMTP-RV, qui est un outil utilisé par un grand nombre de compagnies d’électricité dans le monde. Le modèle proposé dans cette thèse repose sur une analogie qui fait le lien entre les phénomènes électriques et thermiques, et qui permet une modélisation entièrement basée sur des éléments de circuits électriques. Le modèle permet de prendre également en compte les propriétés non linéaires des matériaux, tant au niveau électrique qu’au niveau thermique, avec l’utilisation de dipôles non-linéaires. Le modèle a été développé pour offrir un niveau de généricité intéressant pour la modélisation des rubans supraconducteurs. Il permet un fonctionnement avec une excitation AC ou DC en tension ou en courant et tient compte de la non-uniformité de courant critique, qui est typiquement observée dans la longueur des rubans disponibles commercialement. Il est également possible de représenter des variantes d’architectures (géométries et matériaux), avec une souplesse de modélisation qui est basée sur un assemblage de blocs “élémentaires” dont les dimensions peuvent être différentes. Cela permet alors d’évaluer, dans une même simulation, l’architecture du limiteur à une échelle submillimétrique (points chauds) et à une échelle “systémique”, tel que le comportement de plusieurs centaines de mètres de ruban. Des comparaisons ont permis de vérifier que le modèle circuit avait un comportement similaire à son équivalent en éléments finis, seulement si la taille des éléments électrothermiques de base (dans EMTP-RV) est adéquate. Le modèle équivalent circuit permet de réaliser des simulations de différentes architectures de rubans supraconducteurs, avec ou sans résistance d’interface, entre les couches tampons et la couche de (RE)BCO par exemple [...

Methods for evaluating the behavior of resistive superconducting fault current limiters integrated in power system simulators

Les limiteurs de courants de court-circuit supraconducteurs sont des appareillages à fort potentiel pour les réseaux électriques. En effet, ils offrent une limitation efficace dès les premiers instants du court-circuit. On peut qualifier la limitation de "naturelle", c’est-à-dire qu’elle est intrinsèquement liée aux caractéristiques du matériau et ne nécessite pas de commande particulière. Afin de faciliter la conception et l’intégration des limiteurs de courant de court-circuit supraconducteurs résistifs (rSFCL) destinés aux réseaux électriques, il est nécessaire de disposer de modèles de simulation précis. Ces derniers doivent prendre en compte et simuler correctement (et le plus précisément possible) les phénomènes électriques et thermiques du rSFCL en présence de surintensités de courant, qu’il s’agisse d’un court-circuit franc ou d’un phénomène temporaire de plus faible amplitude. Il est difficile d’envisager la planification de l’intégration d’un rSFCL sans passer par des outils numériques qui permettent la simulation d’un tel dispositif dans un réseau électrique en régime transitoire. Il est alors plus facile d’appréhender et de prédire le comportement transitoire du limiteur dans des conditions de stress réalistes, qui peuvent comprendre une grande variété de surintensités, tant en durée qu’en amplitude. Néanmoins, les rSFCL sont des dispositifs fortement non-linéaires caractérisés par un couplage électrique et thermique très fort. L’implémentation d’un tel modèle dans un logiciel de simulation de type “circuits électriques” en régime transitoire présente un certain défi. Bien que des modèles de rSFCL existent déjà, des améliorations doivent être apportées pour prendre en compte i) l’ensemble des phénomènes physiques liés à la limitation (thermiques et électriques), ii) les propriétés géométriques des rubans supraconducteurs utilisés et iii) la possibilité de réaliser des études globales (impact du limiteur sur le réseau) et iv) l’influence de l’architecture du ruban en présence de phénomènes locaux (points chauds). Cette thèse se concentre donc sur le développement d’un modèle de rSFCL basé sur des rubans supraconducteurs de deuxième génération. Ce modèle est développé dans le logiciel EMTP-RV, qui est un outil utilisé par un grand nombre de compagnies d’électricité dans le monde. Le modèle proposé dans cette thèse repose sur une analogie qui fait le lien entre les phénomènes électriques et thermiques, et qui permet une modélisation entièrement basée sur des éléments de circuits électriques. Le modèle permet de prendre également en compte les propriétés non linéaires des matériaux, tant au niveau électrique qu’au niveau thermique, avec l’utilisation de dipôles non-linéaires. Le modèle a été développé pour offrir un niveau de généricité intéressant pour la modélisation des rubans supraconducteurs. Il permet un fonctionnement avec une excitation AC ou DC en tension ou en courant et tient compte de la non-uniformité de courant critique, qui est typiquement observée dans la longueur des rubans disponibles commercialement. Il est également possible de représenter des variantes d’architectures (géométries et matériaux), avec une souplesse de modélisation qui est basée sur un assemblage de blocs “élémentaires” dont les dimensions peuvent être différentes. Cela permet alors d’évaluer, dans une même simulation, l’architecture du limiteur à une échelle submillimétrique (points chauds) et à une échelle “systémique”, tel que le comportement de plusieurs centaines de mètres de ruban. Des comparaisons ont permis de vérifier que le modèle circuit avait un comportement similaire à son équivalent en éléments finis, seulement si la taille des éléments électrothermiques de base (dans EMTP-RV) est adéquate. Le modèle équivalent circuit permet de réaliser des simulations de différentes architectures de rubans supraconducteurs, avec ou sans résistance d’interface, entre les couches tampons et la couche de (RE)BCO par exemple [...]Superconducting fault current limiters (SFCL) are a promising technology for power systems, i.e. they provide efficient current limitation from the very beginning of the fault without requiring any control system. In fact, the current limiting characteristics are directly connected to the physical properties of superconducting materials. There is a need for accurate models to help designing resistive-type SFCLs (rSFCL) and planning their integration into electrical networks. Such models have to take into account the physics involved for simulating (as accurately as possible) the electrical and thermal behaviours for a wide range of fault conditions, i.e. high and low short-circuit currents that can be of various durations. It is difficult to see how the planning and integration of SFCLs can be realized without using numerical tools, especially tools that allow realizing power system transient simulations, such as EMTP-RV. In fact, such software packages support engineers in predicting the behaviour of SFCLs in realistic network conditions, which may comprise a wide variety of overcurrent or fault situations. However, rSFCLs exhibit highly non-linear behaviours with a strong coupling between thermal and electrical phenomena. The implementation of such a model in power systems simulation tools is therefore challenging. Although some models have been already developed over the years, improvements are needed to take into account i) all the phenomena linked to the current limitation (electrical and thermal), ii) geometric properties of superconducting tapes that are used in rSFCLs, and iii) the possibility to perform simulations at the system level, and iv) the influence of the tape architecture in relationship to local phenomena (hot spots). This thesis hence focuses on the development of a models for resistive-type SFCLs based on second generation high temperature superconducting coated conductors (2G HTS CCs), i.e. (RE)BCO tapes. The models are implemented in EMTP-RV, a tool that is used by many utilities around the world. However, the modeling technique can be adapted to other simulation tools as well. The model proposed in this thesis is based on an electro-thermal analogy, which allows modeling thermal effects with non-linear electrical circuit elements such as resistors and capacitors. The model has been developed with the aim of providing flexibility. Hence, it can be used with an AC or DC excitation, and can also take into account non-uniformity in critical critical current density typically observed along length of the conductors (i.e. tapes). It also allows modeling virtually any tape architecture using modular and flexible electrical and thermal basic building blocks that can be different in size. This in turn also allows modeling SFCLs with different level of discretization, i.e. from hot spot modeling with local heat transfer to several meters of (RE)BCO tape. It therefore becomes possible to analyze in the same simulation phenomena happening at the sub-millimetric scale, such as hot-spot phenomena, and at the system-scale, such as the impact on the network of several hundred meters of superconducting tape. In order to validate the EMTP-RV circuit model, comparisons with results obtained with finite elements have been carried out. A similar behavior could be observed, as long as the discretization size of the electro-thermal elements were appropriate. The EMTP-RV circuit model allows performing optimizations of the tape architecture for various thicknesses of stabilizer, in presence or not of an interfacial resistance layer, e.g. between the superconductor and the substrate. While the circuit model was developed to allow representing heat transfer and current distribution in 3D, simulations are still limited to 2D cases because the size of the nodal matrix is otherwise exceeded in EMTP-RV. Simulation results also show that neglecting heat transfer along the thickness of the tape can be risky, [...

Modeling of a wave farm export cable for electro-thermal sizing studies

International audienceSo far, only few studies have addressed the techno-economic optimization of an export cable sizing in the specific case of wave energy farms. However, in these works, the cable current rating is determined based on conservative steady-state conditions regarding the farm current output whereas considering dynamic conditions may be more relevant in the case of wave energy applications. However, this implies developing and using dedicated electro-thermal models, which poses a challenge regarding the determination of the modeling fineness level to be adopted for such studies. Hence, this paper presents several numerical models, the most refined of which is compared with experimental data, as well as well as preliminary cable sizing studies. Contrary to previous works in this field, the fluctuating nature of wave energy is considered here, thus allowing for more realistic results

Near-optimal use of a MRE export cable considering thermal and techno-economic aspects

International audienceDue to the ever-increasing electricity demand, along with the need to reduce the dependence on fossil or nuclear resources, a growing amount of renewable energy is integrated in the energy mix of many countries. However, the cost-effective integration of wave energy remains difficult as its cost is still not competitive compared with other energy sources. This paper deals with the energy production management of a simulated wave energy converter farm based on point absorbers that could be installed in the vicinity of the SEM-REV site. The approach considers the electrothermal behaviour of the export cable in combination with techno-economic aspects. The method can be used to extend the power export capability of a test site at no cost, which could be very interesting to install more marine renewable energy (MRE) converters and/or of greater rated power. Our study shows that exploiting the thermal inertia of a wave farm submarine export cable, while also considering techno-economic aspects, may lead to an increase of 18% in the annual energy production without modifying this cable