Rektifisertipe Hibrïde Hoogspannings-DC-sirkelbrekeroplossing

I. Projek Konteks en Behoefte Analise​
Met die verdere vordering van energie-oorgang, het spanningsbronne omvormer (VSC)-gebaseerde buigsame DC oordrag tegnologie 'n sleuteloplossing geword vir groot skaal hernubare energie integrasie en verbetering van langafstand krag oordrag vermoë, weens sy voordele soos onafhanklike beheer van aktiewe en reaktiewe mag en lae harmoniese inhoud. Die bou van buigsame DC netwerke is 'n onvermydelike tendens. In hierdie konteks is hoëspanning DC sirkuitbreekers, as kernbeskermingsapparate vir vinnige foutisolering en verseker van netveiligheid en stabiliteit, uiterst belangrik. Sonder hoëprestasie DC sirkuitbreekers sou die operasionele buigsaamheid en kragvoorsiening betroubaarheid van buigsame DC netwerke ernstig beperk word.

Huidige hoofstroom hoëspanning DC sirkuitbreeker tegnologie het beduidende beperkings:

• ​Meganiese Sirkuitbreekers: Alhoewel hulle lae opstand verliese en hoë weerstandspanning bied, is hul onderbrekingstyding tientalle millisecondes, wat nie aan die streng vereiste van millisekondvlak vinnige foutisolering in buigsame DC netwerke voldoen nie.
• ​Al-soliede Sirkuitbreekers: Gebaseer op halwegeleier toestelle, gee hulle uiterst vinnige onderbreking, maar ly aan te hoë opstand verliese, hoë bedryfskoste, en swak ekonomiese doeltreffendheid.
• ​Tradisionele Hibrïd Sirkuitbreekers: Alhoewel hulle die lae verliese van meganiese skakelaars en die vinnige onderbreking van soliede skakelaars combineer, vereis hul topologie IGBTs in reeks in beide voorwaartse en agterwaartse rigting, wat lei tot lae toestelbenutting, stelsel kompleksiteit, en hoë koste.

Om hierdie tegniese bottelnekke te aanspreek, is daar 'n dringende behoefte aan 'n nuwe DC sirkuitbreeker oplossing wat vinnige onderbrekingvermoë, lae bedryfsverliese, hoë ekonomiese doeltreffendheid, en hoë betroubaarheid combineer.

​II. Oplossing: Rektifiseer-Type Hibrïd Hoëspanning DC Sirkuitbreeker​
Hierdie oplossing stel 'n innoverende rektifiseer-type hibrïd hoëspanning DC sirkuitbreeker topologie voor, wat fundamenteel die beperkings van bestaande tegnologie aanspreek.

​​(I) Kern Tegnologie: Innoverende Sirkui Topologie​
Die topologie van hierdie sirkuitbreeker bestaan uit 'n stroomdraend tak en 'n stroomonderbreekende tak wat parallel met mekaar verbind is.

1. ​Stroomdraend Tak:
• ​Samenstelling: Bestaan uit 'n hoëspoed meganiese skakelaar (S1) en 'n stroomdraende ventielgroep (Q1) wat in reeks verbind is.
• ​Eienskappe: S1 het 'n uiterst lae kontakweerstand (slegs tientalle mikro-ohms), en Q1 bestaan uit 'n klein aantal IGBTs met lae geleidingspanningval. Tydens normale operasie, vloei die gestelde stroom deur hierdie tak, wat uiterst lae opstand verliese verseker.
2. ​Stroomonderbreekende Tak:
• ​Samenstelling: Gebruik 'n brugrektifieerstruktuur, bestaande uit 'n brugkommutasie ventielgroep (D1-D4, gevorm deur verskeie reeksverbonden diodes), 'n eenrigting onderbreek ventielgroep (Q2, gevorm deur verskeie reeksverbonden IGBTs), en 'n nie-lineêre weerstand (MOV1, onweerbeveiliging).
• ​Kern Voordeel: Die brugrektifieerstruktuur bereik slim stroomkommutasie, wat die eenrigting IGBT onderbreek ventielgroep (Q2) in staat stel om tweerigtings DC foutstrome te onderbreek. In vergelyking met tradisionele hibrïd topologieë, is die aantal IGBTs met ongeveer die helfte verminder. Aangesien kommersiële press-pack IGBTs ongeveer 10 keer meer kos as diodes van dieselfde rating, en die verminderde IGBTs ook die aantal bygaande bestuurplankies verminder, bereik hierdie topologie beduidende kostevermindering en algehele betroubaarheid verbetering.

​​(II) Doeltreffende Onderbreking Werkprinsipe​
As 'n voorbeeld van stroom wat van Poort 1 na Poort 2 vloei, bestaan die onderbrekingproses uit vier stadiums:

1. ​Stadium 1 (t0–t1, Fout Ontstaan)​: 'n Kortsluitfout ontstaan op die lyn, wat lei tot 'n skerp stigting van die stroom. Op hierdie tydstip is S1 en Q1 gelei, Q2 is af, en die foutstroom vloei volledig deur die stroomdraend tak.
2. ​Stadium 2 (t1–t2, Stroom Oorplaas)​: Die bestuursstelsel gee 'n open bevel, Q2 word aan en Q1 word af. Die geleiding van Q2 genereer 'n kommutasiespanning op die brugarm, wat dwing dat die stroom oorplaas van die stroomdraend tak na die stroomonderbreekende tak (pad: D1 → Q2 → D4).
3. ​Stadium 3 (t2–t3, Meganiese Skakelaar Onderbreking)​: Nadat die stroom in die stroomdraend tak volledig oorgeplaas is, onderbreek die hoëspoed meganiese skakelaar S1 onder nulstroom en nulspanning omstandighede sonder boog, wat isolasiekracht vestig.
4. ​Stadium 4 (t3–t4, Foutstroom Verwydering)​: Nadat S1 volledig onderbreek is, word Q2 af. Die afsetting van Q2 genereer 'n tijdelike oorbepaalde oorspanning oor die sirkuitbreeker, wat MOV1 laat geleidelok en die foutstroom in MOV1 laat verbrand totdat die energie uitgeput is, die stroom na nul val, en foutisolering voltooi is.

Die onderbrekingprinsipe vir teenstroom is dieselfde, geleide deur die diodebrug (D2, D3) om deur Q2 te vloei.

​​(III) Intelligente Beheerstrategie​

1. ​Vóór-Onderbreking Beheerstrategie:
• ​Doel: Om die bottelnek van die hoë proporsie van die hoëspoed meganiese skakelaar open tyding (ongeveer 2 ms) te oorkom, die totale onderbrekingtyd te verkort, en die piekfoutstroom te onderdruk.
• ​Logika: Deur real-time monitering van busspanning, lynspanning, en lynstroom (totaal 6 kriteria, soos in Tabel 1 getoon), eenmaal enige abnormaliteit kriteria getrek is, word die vóór-onderbreking operasie vroeg begin (stroom oorplaas na die stroomonderbreekende tak en S1 oop). Indien 'n formele open bevel daarna ontvang word, word die onderbreking voltooi; indien dit 'n vals alarm is, word die stroom terug oorplaas na die stroomdraend tak om normale operasie te hervat.
• ​Effek: Simulasies wys dat hierdie strategie die foutstroom van 25 kA tot 17 kA kan onderdruk, met die totale onderbrekingtyd gestabiliseer binne 3 ms.

​Tabel 1: Vóór-Onderbreking Aktivering Kriteria​

1. ​Soet Sluiting Beheerstrategie:
• ​Doel: Om die potensiële oorbepaalde oorspanning en stelsel osilleer probleme op die oomblik van sluiting aan te spreek, sonder die nodigheid vir addisionele weerstand en skakelaars, wat koste en ruimte bespaar.
• ​Logika: Die stroomonderbreekende tak word beskou as saamgestel uit verskeie mediumspanning eenhede in reeks verbonden. Tydens sluiting, word hierdie mediumspanning eenhede sekwentieel en beheerbaar aangehaal om 'n pad geleidelik te vestig. Na elke stap, word foutdeteksie uitgevoer. Indien geen fout gedekteer word nie, gaan die proses voort totdat alle eenhede aangehaal is. Laastens, word die stroomdraend tak gesluit, en die stroomonderbreekende tak af. Indien 'n fout gedekteer word tydens die proses, word sluiting onmiddellik afgekansel.
• ​Toepaslikheid: Geskik vir normale sluiting en outomatiese herluk na foutverwydering. Simulasies verifieer geen oorbepaalde oorspanning of osilleer nie.

​III. Prototipe Ontwikkeling en Eksperimentele Verifikasie​

​​(I) Sleutel Parameters en Struktuur van die Prototipe​
'n 500 kV DC sirkuitbreeker ingenieursprototipe is ontwikkel met die volgende sleutel parameters:

• ​Strukturele Ontwerp:
• ​Stroomdraend Tak: Aangesien dit stroom oor 'n lang periode dra, is Q1 toegerus met 'n waterkoelingstelsel en geplaas aan die onderkant van die ventieltoring; S1 bestaan uit verskeie vakuumskakelaars in reeks, gedryf deur 'n elektromagnetiese repulsie mekanisme, en geplaas aan die bo-oppervlak van die ventieltoring.
• ​Stroomonderbreekende Tak: Saamgestel uit 10 reeksverbonden 50 kV mediumspanning eenhede, geïnstalleer in 2 ventieltore (5 liggies elk). Q2 gebruik 'n dubbel-paralel IGBT ontwerp om die onderbreekvermoë te voldoen. Hierdie tak dra nie stroom tydens normale operasie nie, dus is geen koeling nodig nie, wat lei tot 'n meer gestroomlijnde ontwerp.

​​(II) Eksperimentele Verifikasie Resultate​
Die prototipe het deur 'n streng toetsing ondergaan met 'n ekwivalente eksperimentele sirkuit (LC osilleer sirkuit):

• ​Kommutasie Tyd: Die tyd vir stroom oorplaasing van die stroomdraend tak na die stroomonderbreekende tak was < 300 μs.
• ​Totale Onderbreking Tyd: Vanaf die ontvang van die open bevel tot die stroom begin daal, het dit ongeveer 2.9 ms geneem, wat die ontwerp doelwit van <3 ms voldoen.
• ​Tijdelike Oorbepaalde Oorspanning: 'n Instantane oorbepaalde oorspanning van ongeveer 800 kV is tydens onderbreking gegenereer, konsistent met die MOV beskermingsvlak, gekontroleer en veilig.
• ​Gevolgtrekking: Die eksperimente het suksesvol die haalbaarheid, effektiwiteit, en uitmuntende prestasie van die rektifiseer-type hibrïd hoëspanning DC sirkuitbreeker topologie verifieer.

​IV. Kern Gevolgtrekkings:

1. Die rektifiseer-type hibrïd topologie wat in hierdie oplossing voorgestel word, gebruik 'n innoverende ontwerp met 'n diodebrug om tweerigtings stroombeheer te bereik, wat die gebruik van IGBTs met ongeveer 50% verminder in vergelyking met tradisionele oplossings, wat beduidende voordele in ekonomiese doeltreffendheid en betroubaarheid bied.
2. Die intelligente vóór-onderbreking en soet sluiting beheerstrategieë adresseer effektief die kwessies van meganiese skakelaar handeling vertragting en sluiting impak, wat die algehele dinamiese prestasie van die stelsel verhoog.
3. Die suksesvolle ontwikkeling en toetsing van die 500 kV/25 kA ingenieursprototipe demonstreer volledig die ingenieurs haalbaarheid en prestasie voldoening van hierdie tegniese benadering.