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

Abstract

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.