Τύποι και εφαρμογές διαστημάτων μεσαίου όριου έντασης συνεχούς τροφοδοσίας

Τα συστήματα ανασχέτησης κύκλων μεσαίου όρου DC είναι κατάλληλα για εφαρμογές σε πλοία, αστικά μετρό, ηλεκτρικά τρένα, μικροδίκτυα (ηλεκτρικά οχήματα), διανεμημένη παραγωγή (ηλιακή ενέργεια) και συστήματα βασισμένα σε μπαταρίες (κέντρα δεδομένων).

Η σχετικά χαμηλή αντίσταση κυκλώματος σε περίπτωση DC οδηγεί σε υψηλότερες πλάτες σε σύνδεση με μικρό κύκλο. Επιπλέον, επειδή οι στροφές των μετατροπέων δεν συμβάλλουν στη συνολική σταθερά χρόνου σε συστήματα DC, η συνολική σταθερά χρόνου μειώνεται και ένας μικρός κύκλος μπορεί να έχει χρόνους αύξησης της τάσης της τάσης μέχρι και λίγα χιλιοστά δευτερόλεπτα. Μπορεί επίσης να συμβεί κατάρρευση τάσης, όπου η διατήρηση τουλάχιστον 80% της νομικής τάσης DC είναι προϋπόθεση για την κανονική λειτουργία του σταθμού μετατροπέα τάσης (VSC).

Για τη μείωση των διαταραχών στη λειτουργία του μετατροπέα, ο σφάλματος πρέπει να επιλυθεί μέσα σε λίγα χιλιοστά δευτερόλεπτα, ειδικά για σταθμούς που δεν είναι συνδεδεμένοι με την ενοχλημένη γραμμή ή καλωδίο.

Τύποι συστημάτων ανασχέτησης κύκλων μεσαίου όρου DC στην αγορά:
Τρεις κύριες κατηγορίες συστημάτων ανασχέτησης κύκλων στις αγορές LVDC και MVDC είναι τα συστήματα ανασχέτησης κύκλων στερεών κατασκευών (SSCBs), τα μηχανικά συστήματα ανασχέτησης κύκλων (MCBs) και τα υβριδικά συστήματα ανασχέτησης κύκλων (HCBs), τα οποία είναι μία συνδυασμός SSCB παράλληλα με έναν υπερταχύ μηχανικό διακόπτη (UFMS).

Τα συμβατικά συστήματα ανασχέτησης κύκλων LV και MV AC με αέρα και SF6 έχουν μια συγκεκριμένη δυνατότητα διακοπής DC περιορισμένη μόνο σε λίγα χιλιώτες και λίγα Αμπέρ.

Συστήματα ανασχέτησης κύκλων στερεών κατασκευών μεσαίου όρου DC:
Οι τοπολογίες των SSCBs είναι συνήθως βασισμένες σε ένα συγκεκριμένο αριθμό Ολοκληρωμένων Θυρών Κομμουτατόρων Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs) ή Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs), συνδεδεμένα σε σειρά. Παρά το γεγονός ότι οι χρόνοι αντίδρασης είναι εξαιρετικά γρήγοροι, ένα μειονέκτημα είναι οι σημαντικές απώλειες σε κατάσταση συνδυασμού, συνήθως στο εύρος 15-30% των απωλειών ενός σταθμού VSC.

Υψηλό κόστος συστατικών, έλλειψη γαλβανικής απομόνωσης και ανεπαρκής ικανότητα θερμικής απορρόφησης είναι άλλα μειονεκτήματα.

Η Σχήμα 1 δείχνει έναν τύπο συστήματος ανασχέτησης κύκλων στερεών κατασκευών μεσαίου όρου DC:

Σχήμα 1: a) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (b) IGCT-based medium voltage bi-directional solid-state circuit breaker, (c) GTO-based bidirectional solid-state circuit breaker

Έχουν προταθεί διάφορες τοπολογίες SSCB. Ωστόσο, οι περισσότερες είναι για τάσεις ≤ 1 kV, ειδικά για χαμηλά ρεύματα ≤ 1000 A. Πρέπει να σημειωθεί ότι ένα από τα πιο προβληματικά στοιχεία της τεχνολογίας SSCB είναι οι υψηλές απώλειες σε κατάσταση συνδυασμού και, αν και κάποια άρθρα αναφέρουν ένα MV SSCB που ικανοποιεί ένα επίπεδο τάσης MV όπως 6-15 kV, αυτά είναι συνήθως για ρεύματα λιγότερα από 1000 A, αλλά η απαιτούμενη ικανότητα χειρισμού ισχύος θα ήταν σε κάποια MWs έως δεκάδες MWs με τουλάχιστον 3 παράλληλα μόντουλα (3P:3*3.72 MW).

Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη ενός DC CB με ισχύ λιγότερη από 10 MW για μελλοντικές αρχιτεκτονικές MVDC γίνεται σχεδόν άχρηστη. Οι τρέχουσες τεχνολογίες ηλεκτρονικών συστατικών δεν μπορούν να ικανοποιήσουν τέτοιες ισχυδικές απαιτήσεις· συνεπώς, τα SSCBs για τις μελλοντικές αρχιτεκτονικές MVDC δεν θα οδηγήσουν σε μια αποδοτική, οικονομικά αποδοτική και κομψή σχεδίαση. Σε αυτό το πλαίσιο, απαιτούνται σχετικά μεγάλα ανεμοστρόβιλα με ικανότητα γύρω στα 6000 τετραγωνικά πόδια ανά λεπτό και/ή ενεργό ψύξη νερού για τα επίπεδα απώλειας σε κιλοβάτια που προβλέπονται για υψηλά ρεύματα.

Υβριδικά συστήματα ανασχέτησης κύκλων μεσαίου όρου DC (HCBs):
Τα υβριδικά συστήματα ανασχέτησης κύκλων μεσαίου όρου DC περιλαμβάνουν ένα μονοπάτι μετάδοσης ρεύματος και ένα μονοπάτι διακοπής ρεύματος.

Ένας υβριδικός διακόπτης συνδυάζει τις εξαιρετικά χαμηλές απώλειες σε κατάσταση συνδυασμού ενός καθαρά υπερταχούς διακόπτη με τη γρήγορη απόδοση ενός συστήματος ανασχέτησης κύκλων στερεών κατασκευών στο παράλληλο μονοπάτι. Ο κύριος διακόπτης είναι τοποθετημένος σε ένα παράλληλο μονοπάτι και αποτελείται από σειριακά και παράλληλα συστήματα ανασχέτησης κύκλων στερεών κατασκευών που είναι συνδεδεμένα σε σειρά.

Αναπτύχθηκε ένα μοντουλάριο HCB και ένα μόντουλ με όρια τάσης και ρεύματος, και ικανότητα διακοπής ρεύματος 6.2 kV, και 600 A, αντίστοιχα.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η διατροπική κάμπα του υπερταχούς διακόπτη χρειάζεται μόνο να παράγει αρκετή τάση για τη μετάδοση του ρεύματος και την εφαρμογή της φιλοσοφίας παραλληλισμού των μοντουλών. Σε όλες τις σχεδιασμένες SSCB και HCB, απαιτείται ένας διακόπτης υπολειμματικού ρεύματος (RCD) και ένας αντιστοιχός αντιστάτης για τη μέτρηση του ρεύματος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Όταν το ρεύμα μειώνεται σε χαμηλή τιμή που καθορίζεται από το ρεύμα διαρροής του μεταλλικού διαλυτή varistor (MOV), ο διακόπτης ανοίγει, απομονώνοντας το σύστημα και προλαμβάνοντας οποιοδήποτε ρεύμα διαρροής μέσω των ηλεκτρονικών συστατικών και MOV.

Σχήμα 2: Hybrid medium voltage DC circuit breaker

Το UFMS του κύριου μονοπατιού χρειάζεται μόνο να παράγει αρκετή τάση για να μετακινήσει το ρεύμα στον παράλληλο πλήρη IGBT διακόπτη. Η αντίσταση του βοηθητικού DC διακόπτη, Rdson σε 2 kA, και του υπερταχούς μηχανικού διακόπτη πρέπει να είναι λιγότερη από 20 mW για να έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά με έναν ηλεκτρομηχανικό διακόπτη. Η χρήση UFMS στο κύριο μονοπάτι οδηγεί σε χαμηλότερες απώλειες σε κατάσταση συνδυασμού και τάση συνδυασμού από ένα πλήρες SSCB.

Η προτεινόμενη σχεδία μπορεί να είναι επωφελής σε σχέση με τα υψηλής τάσης HCBs που κατασκευάζονται από την ABB και την Alstom, επειδή (1) δεν υπάρχουν απώλειες σε κατάσταση συνδυασμού σε ηλεκτρονικά συστατικά, (2) ο κύκλος ελέγχου θα είναι απλούστερος, και (3) το ακριβό "Power Electronic Switch" στο κύριο μονοπάτι, μπορεί να αποφευχθεί. Πράγματι, ένας μόνο UFMS μπορεί να αντικαταστήσει και το "Power Electronic Switch", και τον γρήγορο διακόπτη που πρότεινε η ABB για το κύριο μονοπάτι.

Ωστόσο, πρέπει να διασφαλιστεί ότι η αντίσταση επαφής του UFMS δεν είναι μεγαλύτερη από τις ισοδύναμες ηλεκτρομηχανικές επαφές και έχει την ικανότητα αντοχής δύναμης κράτησης 4.45×10-7 I2 N (δηλαδή > 178 N για 10x εισροή σε 2 kA καταχωρημένη με συντελεστή ασφάλειας 2x ή 356 N).

Υπερταχύς μηχανικός διακόπτης σε υβριδικό σύστημα ανασχέτησης κύκλων μεσαίου όρου DC:
Οι προκλήσεις για την υλοποίηση της αναφερθείσας φιλοσοφίας είναι (1) αν μπορούν να αναπτυχθούν τέτοιοι υπερταχείς διακόπτες για επίπεδα MV, (2) αν η κατασκευή της τάσης του τόξου για τη μετάδοση είναι αρκετά υψηλή, και (3) αν η ίδια σχεδία είναι δυνατή για RCB. Η απάντηση μπορεί να είναι ΝΑΙ για όλες τις ερωτήσεις, όπως συζητείται παρακάτω.

Οι ηλεκτρομαγνητικοί Thomson coil (TC) προωθητές που λειτουργούν με βάση τις δυνάμεις έλξης ή απώπησης μεταξύ ηλεκτροδόχων συμπαγών είναι πολύ κατάλληλοι για γρήγορη στροφή, καθώς μπορούν να επιτευχθούν υψηλές επιτάχυνσεις μέσω ακριβούς ελέγχου. Μέχρι στιγμής, έχουν προταθεί και έχουν αναπτυχθεί δύο τεχνικές με βάση TC για υπερταχείς μηχανικούς διακόπτες, όπου η με σειριακούς καταναλωτές ξεπέρασε την επί της επικίνδυνης σε όρους απόδοσης. Αυτές οι δύο τεχνικές συγκρίθηκαν επίσης με Multiphysics finite element modeling.

Ένα μονοφασικό 12 kV (νομική τάση) και 2 kA (νομικό ρεύμα) / 20 kA (μικρός κύκλος) σύστημα ανασχέτησης κύκλων (FCLCB) και 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB που επιτρέπει την εξαφάνιση του τόξου χωρίς καμία υποχρεωτική ψύξη του τόξου μέσα σε 100-300 μικρά δευτερόλεπτα σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν.

Ο γρήγορος διακόπτης με βάση την επαγωγή με ρεύμα 7 kA επιταχύνει ένα επαφή HCB της τάξης ~2 kg με αρχική επιτάχυνση της τάξης ~44,900 m/s2 που οδηγεί σε 4 mm απόσταση επαφής μετά από ~422 μικρά δευτερόλεπτα, αρκετή για να αντέξει μια νομική τάση διακόπτη 3 kV.

Αυτή η γρήγορη κίνηση πρέπει να απορροφηθεί στο τέλος της διαδρομής για να προληφθεί η υπερβολική διαδρομή, η α