Vrste in uporaba srednje napetosti DC preklopnikov

Srednjepodnapetostni DC preklopniki so primerni za uporabo na ladjah, mestnih podzemnih železnicah, električnih vlakih, mikro mrežah (električna vozila), distribuirani proizvodnji (sončna energija) in baterijskih sistemih (podatkovne centre).

Relativno nizka odpornost v DC primeru vodi do višjih amplitud kratkih krmelj. Poleg tega, ker se pri delovanju transformatorjev v DC sistemih ne prispeva k skupnemu časovnemu konstanti, ta skupna časovna konstanta zmanjša in kratki krmelj lahko doseže čase narastanja, ki so tako kratki, da traja le nekaj milisekund. Lahko pride tudi do padca napetosti, kjer je za normalno delovanje postaje pretvarjalnika napetosti (VSC) predpogojevanje, da se ohrani vsaj 80% nominalne DC napetosti.

Za zmanjšanje motenj pri delovanju pretvarjalnikov mora biti krtež odstranjen v nekaj milisekundah, še posebej za postaje, ki niso povezane s pokvarjenim povodom ali kablom.

Vrste srednjepodnapetostnih DC preklopnikov na trgu:
Tretje glavne vrste preklopnikov na trgu LVDC in MVDC so pevni preklopniki (SSCBs), mehanski preklopniki (MCBs) in hibridni preklopniki (HCBs), ki so kombinacija SSCB v vzporednosti z ultra hitrim mehanskim preklopnikom (UFMS).

Konvencionalni zračni in SF6 temeljni LV in MV AC MCBs imajo določeno sposobnost prekinjanja DC, omejeno samo na nekoliko kilovolt in amper.

Pevni srednjepodnapetostni DC preklopniki:
Topologije za SSCBs so običajno temeljene na določeni številki Integriranih Vratnih Komutiranih Tiristorjev (IGCTs), Tiristorjev z Nadzorom Zapravljanja (GTOs) ali Izoliranih Vratnih Dvostranskih Tiristorjev (IGBTs), povezanih v zaporedje. Čeprav so časi odziva izjemno hitri, ena slabost je velika izguba pri vključenem stanju, običajno v obsegu 15-30% izgub VSC postaje.

Visoke stroške komponent, pomanjkanje galvanske izolacije in nedostatečna toplotna sprejemljivost so druge slabosti.

Slika 1 prikazuje neko vrsto pevnega srednjepodnapetostnega DC preklopnika:

Slika 1: a) IGCT temeljni smerodvisni pevni preklopnik srednje napetosti, (b) IGCT temeljni smerodvisni pevni preklopnik srednje napetosti, (c) GTO temeljni smerodvisni pevni preklopnik

Predlagane so bile različne topologije SSCB. Vendar, večina jih je za napetosti ≤ 1 kV, zlasti za nizke tokove ≤ 1000 A. Treba je opozoriti, da je eden največjih izzivov tehnologije SSCB visoka izguba pri vključenem stanju in, čeprav nekateri članki poročajo o MV SSCB, ki zadovoljujejo MV ravni napetosti, kot so 6-15 kV, so običajno za nominalni tok manjši od 1000 A, potrebna pa bi bila močna zmogljivost obdelave moči v nekaj MW do desetine MW z vsaj 3 vzporednimi moduli (3P:3*3.72 MW).

Torej, razvoj DC CB z nominalno močjo manjšo od 10 MW za prihodnje arhitekture MVDC postane skoraj brezupno. Trenutne tehnologije polprevodnikov ne morejo zadostiti takšnim močnim merilom; posledično ne bo pevni preklopnik za prihodnje arhitekture MVDC vodil do zelo učinkovite, ekonomične in kompaktnega dizajna. V tem pogledu so potrebni relativno veliki zračni ventilatori z zmogljivostjo okoli šest tisoč kubičnih stop v minuto in/ali aktivno vodno hlajenje za multi-kilowatt izgube pri vključenem stanju, ki so pričakovane za visoke tokove.

Hibridni srednjepodnapetostni DC preklopniki (HCBs):
Hibridni srednjepodnapetostni DC preklopniki vključujejo pot za vedenje toka in pot za prekinjanje toka.

Hibridni preklopnik združuje izjemno nizke izgube pri vključenem stanju čistega ultra hitrega preklopnika z hitrim delovanjem pevnega preklopnika v vzporedni poti. Glavni preklopnik je postavljen na vzporedni poti in sestavljen iz serij in vzporednih pevnih preklopov, povezanih v zaporedje.

Razvijen je bil modularen HCB in en modul, kot je prikazano na Sliki 2, z nominalno napetostjo in tokom ter zmogljivostjo prekinitve toka 6.2 kV in 600 A, ustrezno.

Je vredno omeniti, da mora arkasta kamora ultra hitrega preklopnika le generirati dovolj visoko napetost, da prevede tok in omogoči vzporedno filozofijo modulov. V vseh dizajnih SSCB in HCB je potreben disjunktor za ostale toke (RCD) in shunt odpornik za merjenje toka, kot je prikazano na Sliki 2. Ko se tok zniža na nizko vrednost, določeno z utrkom metalnega oksidnega varistorja (MOV), se disjunktor odpre, izolira sistem in prepreči kakršen koli utrek toka skozi polprevodnike in MOV.

Slika 2: Hibridni srednjepodnapetostni DC preklopnik

Glavni UFMS potrebuje le dovolj visoko napetost, da prevede tok na vzporeden celoten IGBT preklopnik. Odpornost pomočnega DC preklopnika, Rdson pri 2 kA, in hitri mehanski preklopnik morata biti manjša od 20 mW, da bi imeli podobne značilnosti kot elektromehanski preklopnik. Uporaba UFMS v glavni poti vodi do nižjih izgub pri vključenem stanju in napetosti pri vključenem stanju kot celoten SSCB.

Predlagan dizajn lahko prinaša koristi nad visokonapetostnimi HCBs, izdelanimi od ABB in Alstom, ker (1) ni izgub pri vključenem stanju polprevodnikov, (2) njegov kontrolni obvod bo preprostejši in (3) lahko se izognemo dragemu "Power Electronic Switch" v glavni poti. Resnično, le en UFMS lahko nadomešča oba "Power Electronic Switch" in hitri disjunktor, predlagan od ABB za glavno pot.

Vendar, je treba zagotoviti, da je kontaktne odpornosti UFMS ni večja od enakovrednih elektromehanskih kontaktov in ima zmogljivost za vzdrževanje sile 4.45×10-7 I2 N (tj. > 178 N za 10x navrščen tok pri 2 kA nominalnem z varnostnim faktorjem 2x ali 356 N).

Ultra hitri mehanski preklopnik v hibridnem srednjepodnapetostnem DC preklopniku:
Izazovi za realizacijo omenjene filozofije so (1) ali se lahko takšni ultra hitri preklopniki razvijejo za MV ravni, (2) ali je gradnja napetosti luka za komutacijo dovolj visoka in (3) ali je isti dizajn možen za RCB. Odgovor na vse vprašanja je DA, kot je spodaj razpravljano.

Elektromagnetni Thomson coil (TC) aktuatorji, ki delujejo na osnovi privlačnih ali odvračnih sil med nosilci toka, so zelo primerni za hitro preklopljanje, saj lahko dosežejo visoke pospeške z natančnim nadzorom. Do zdaj sta bili predlagani in dobro razjasnjeni dve tehniki na osnovi TC, kjer je tehnika z serijami bobin prevzela tisto, ki temelji na indukciji glede učinkovitosti. Te dve tehniki so bile tudi primerjane z uporabo multiphysics finite element modeliranja.

Enofazni 12 kV (nominalna napetost) in 2 kA (nominalni tok) / 20 kA (kratki krmelj) preklopnik za omejevanje toka (FCLCB) in 24 kV, 3 kA / 40 kA FCLCB, ki omogoča, da se luk ugasne brez kakršnegakoli prisilnega hlajenja luka v 100-300 μs, sta bila zasnovana in zgrajena.

Hitri preklopnik na osnovi indukcije z nominalnim tokom 7 kA pospešuje kontaktno maso HCB ~2 kg z začetnim pospeškom ~44,900 m/s2, kar vodi do ločitve kontakta za ~4 mm po ~422 μs, dovolj, da odtrga nominalno napetost preklopnika 3 kV.

Ta hitro gibanje mora biti dempferirano na koncu poti, da se prepreči prekomerno gibanje, odbivanje, utrujenost in druge nezaželene učinke.