High temperature superconducting power cables : state of the art and feasibility study for the ITER project

The core of this project was developed during an internship at ITER Organization. The assigned project was to evaluate the feasibility of a High Temperature Superconducting (HTS) Link into the Edge Localized Mode (ELM) coil power supply system. The ELM coils are designed to mitigate the instabilities at the edge of the confined plasma inside ITER fusion reactor. Their power requirements are a current magnitude up to 15 kA at frequencies from DC up to 50 Hz, at a maximum average voltage of 150 V . In this study, a controlled DC current has been simulated. The voltages, currents and power losses in the system will be analysed, maximum values and thresholds will be considered. Moreover, a few data on the size and costs of the system will be presented. In first place, a State of the Art section will present the HTS technology, existing projects and challenges, focusing on their application to electric power distribution grids. In second place, the process of modelling ITER’s ELM power supply system is explained and the results are displayed and commented. The core of the modelling and analyses work is the generation of harmonics by the fast-switching inverter and their propagation across the HTS Link. In fact, by modelling the HTS link with a distributed parameter line it is possible to plot accurately the voltage and current waves across the line length, considering the reflections occurring at the edges. Simulations in the time domain can be run with the Time Transient Simulink model, which has the ability to simulate Transients, but does not consider the frequency-dependence of the impedances. Voltages and currents can be monitored at the input and output of the system blocks during simulations. MATLAB-based AC model estimates values across the Distributed Lines, accounting for the frequencydependence of the system, but assuming Steady State. The results will show a relevant resonance of the system with the 5th harmonic frequency, which would distort the voltage profile. In absence of filtering solution or properly sized snubber circuits, the wave reflection phenomenon is verified to be potentially critical to the voltage waveform. After sizing the snubber circuits and a low pass filter, the voltage profile is smoothed to an almost DC shape, the harmonics are reduced to the point that their reflections are not anymore critical. Moreover, the cancellation of harmonics reduces the power losses across the HTS line. In conclusion the feasibility of the HTS link is verified in worst-case conditions, limited to normal Steady and Transient operation, and recommendations for further studies are provided.

Questo progetto di Tesi Magistrale è iniziato durante un tirocinio presso ITER Organization. Il lavoro assegnato consisteva in uno studio di fattibilità per un cavo Superconduttore ad Alta Temperatura (HTS) da implementare nella rete di distribuzione di ITER, nello specifico per alimentare le bobine Edge Localized Mode (ELM). Tali bobine, o magneti, servono a contenere le cosiddette instabilità ELM del plasma all’interno nel reattore di fusione nucleare. Nella fase preliminare di progetto, l’alimentazione dei magneti ELM prevede una corrente fino a 15 kA di valore assoluto, in DC o AC con frequenze fino a un massimo di 50 Hz. I principali vincoli di progetto sono i massimi valori di tensione alle bobine e lungo la linea di alimentazione, la potenza dissipata per effetto Joule, i limiti del superconduttore ed infine taglia e costi. Il trattato riporta in primo luogo una ricerca dello Stato dell’Arte della tecnologia dei Superconduttori ad Alta Temperatura, focalizzata soprattutto sulla loro applicazione alle reti di distribuzione in corrente alternata a 50/60 Hz. In secondo luogo, un intero capitolo è dedicato alla modellizzazione della rete di distribuzione che alimenta le bobine ELM. Un altro capitolo è dedicato alle analisi e ai commenti sui risultati. Il cuore delle analisi è la generazione delle armoniche da parte dell’inverter e la loro propagazione lungo il sistema. Per questo sono stati scelti un modello dettagliato degli IGBT dell’inverter e le linee a parametri distribuiti. Il modello Simulink “Time Transient” è stato prodotto per simulare transitori di tempo, tuttavia ha il difetto di usare impedenze indipendenti dalla frequenza. Invece il modello MATLAB “AC” permette di osservare l’entità della riflessione delle onde lungo le linee a parametri distribuiti, tenendo conto della dipendenza dalla frequenza. Lo svantaggio di questo modello è che ha come ipotesi fondamentale lo stato stazionario del sistema. I risultati mostrano una compromettente risonanza del sistema con la quinta armonica della tensione. Due soluzioni vengono implementate: un circuito snubber e un filtro passa basso dimensionati con criterio. Quindi il progetto risulta essere fattibile dal punto di vista ingegneristico per quanto riguarda gli stati stazionari e i transitori del sistema. I casi di guasto non sono stati studiati. Sono inoltre riportati taglie e costi di progetti esistenti. Infine sono riassunte le ipotesi di caso peggiore considerate per le analisi e sono riportate raccomandazioni per futuri sviluppi del progetto.