حل مفتاح الدائرة الكهربائية ذات التوتر العالي المستمر الهجين من نوع مستقيم التيار

I. خلفية المشروع وتحليل المتطلبات​
مع تعمق التحول الطاقي، أصبحت تقنية نقل التيار المباشر المرنة القائمة على محول مصدر الجهد (VSC) حلًا رئيسيًا لتكامل الطاقة المتجددة على نطاق واسع وتعزيز قدرات نقل الطاقة على المسافات الطويلة، بفضل مزاياها مثل التحكم المستقل في الطاقة النشطة والطاقة غير النشطة ومحتوى التوافقي المنخفض. يعتبر بناء شبكات التيار المباشر المرنة اتجاهًا لا مفر منه. وفي هذا السياق، تعد مفاتيح الدائرة ذات الجهد العالي للتيار المباشر، كأجهزة حماية رئيسية لعزل الأعطال بسرعة وضمان سلامة واستقرار الشبكة، أمرًا بالغ الأهمية. بدون مفاتيح دوائر ذات أداء عالٍ، ستكون المرونة التشغيلية وموثوقية تزويد الكهرباء في شبكات التيار المباشر المرنة مقيدة بشدة.

تواجه التقنيات الحالية الرئيسية لمفاتيح الدائرة ذات الجهد العالي للتيار المباشر قيودًا كبيرة:

• ​مفاتيح الدائرة الميكانيكية: رغم أنها توفر خسائر منخفضة أثناء التشغيل وقدرة تحمل جهد عالية، فإن وقت القطع لديها يبلغ عشرات المilliseconds، مما يجعلها غير قادرة على تلبية متطلبات عزل الأعطال بسرعة في مستوى المilliseconds في شبكات التيار المباشر المرنة.
• ​مفاتيح الدائرة الصلبة بالكامل: وهي تعتمد على أجهزة شبه موصلات وتوفير قطع سريع للغاية ولكنها تعاني من خسائر تشغيل مرتفعة وتكاليف تشغيل عالية وكفاءة اقتصادية ضعيفة.
• ​مفاتيح الدائرة الهجينة التقليدية: رغم أنها تجمع بين الخسائر المنخفضة للمفاتيح الميكانيكية والقطع السريع لأجهزة الشبه موصلات، فإن طوبولوجيتها تتطلب ربط IGBTs بشكل متسلسل في كلتا الاتجاهين، مما يؤدي إلى استخدام منخفض للأجهزة وتعقيد النظام وتكاليف عالية.

لحل هذه العقبات الفنية، هناك حاجة ماسة لحل جديد لمفاتيح الدائرة للتيار المباشر يجمع بين قدرة القطع السريعة وخسائر التشغيل المنخفضة وكفاءة اقتصادية عالية ومعايير موثوقية عالية.

​II. الحل: مفتاح دائرة هجين ذو جهد عالي للتيار المباشر من نوع مستقيم​
يشير هذا الحل إلى طوبولوجيا جديدة لمفتاح دائرة هجين ذو جهد عالي للتيار المباشر من نوع مستقيم، مما يحل بشكل أساسي مشكلات التقنيات الحالية.

​​(I) التكنولوجيا الأساسية: طوبولوجيا دارة مبتكرة​
يتكون طوبولوجيا هذا المفتاح من فرع الحمل وفرع القطع المتصلان بالتوازي.

1. ​فرع الحمل:
• ​التكوين: يتكون من مفتاح ميكانيكي عالي السرعة (S1) ومجموعة صمامات الحمل (Q1) متصلة بالسلسلة.
• ​الميزات: S1 له مقاومة اتصال منخفضة للغاية (فقط عشرات الميكرو أوهمات)، و Q1 تتكون من عدد قليل من IGBTs بانخفاض جهد التوصيل. أثناء التشغيل الطبيعي، يتدفق التيار المقنن عبر هذا الفرع، مما يضمن خسائر تشغيل منخفضة للغاية.
2. ​فرع القطع:
• ​التكوين: يستخدم هيكل مستقيم جسر، يتكون من مجموعة صمامات التحويل الجسري (D1-D4، مكونة من عدة diodes متصلة بالسلسلة)، ومجموعة صمامات القطع الأحادي (Q2، مكونة من عدة IGBTs متصلة بالسلسلة)، ومقاومة غير خطية (MOV1، مضاد للصدمات).
• ​الميزة الأساسية: يحقق هيكل الجسر المستقيم التحويل الذكي للتيار، مما يمكن مجموعة صمامات القطع الأحادي (Q2) من قطع التيار المعاكس للتيار المباشر. مقارنة مع الطوبولوجيات الهجينة التقليدية، يتم تخفيض عدد IGBTs بنسبة حوالي 50٪. نظرًا لأن IGBTs التجارية تكلف حوالي 10 مرات أكثر من diodes بنفس التصنيف، وتخفيض IGBTs يقلل أيضًا من عدد اللوحات الدافعة المرافقة، فإن هذه الطوبولوجيا تحقق تقليل كبير في التكاليف وتحسين الإجمالي في الموثوقية.

​​(II) مبدأ العمل الفعال للقطع​
على سبيل المثال، عند تدفق التيار من المنفذ 1 إلى المنفذ 2، يتكون عملية القطع من أربع مراحل:

1. ​المرحلة 1 (t0–t1، حدوث العطل)​: يحدث عطل قصير الدائرة في الخط، مما يؤدي إلى زيادة حادة في التيار. في هذه المرحلة، يكون S1 و Q1 قيد التوصيل، بينما يكون Q2 مغلقًا، ويتدفق تيار العطل بالكامل عبر فرع الحمل.
2. ​المرحلة 2 (t1–t2، نقل التيار)​: يقوم نظام التحكم بإصدار أمر فتح، بتشغيل Q2 وإغلاق Q1. التوصيل Q2 يولد جهد تحويل على ذراع الجسر، مما يجبر التيار على النقل من فرع الحمل إلى فرع القطع (الطريق: D1 → Q2 → D4).
3. ​المرحلة 3 (t2–t3، قطع المفتاح الميكانيكي)​: بعد نقل التيار في فرع الحمل بالكامل، يقوم المفتاح الميكانيكي عالي السرعة S1 بقطع تحت ظروف التيار الصفر والجهد الصفر دون الشرارة، مما يقام بتأسيس قوة العزل.
4. ​المرحلة 4 (t3–t4، إزالة تيار العطل)​: بعد قطع S1 تمامًا، يتم إغلاق Q2. إغلاق Q2 يولد جهد زائد مؤقت عبر المفتاح، مما يثير MOV1 ليقوم بتوجيه تيار العطل إلى MOV1 للاستهلاك حتى تنفد الطاقة ويصل التيار إلى الصفر ويتم إكمال عزل العطل.

مبدأ القطع للتيار العكسي هو نفسه، موجه بواسطة جسر diode (D2, D3) ليتدفق عبر Q2.

​​(III) استراتيجية التحكم الذكي​

1. ​استراتيجية التحكم قبل القطع:
• ​الهدف: للتغلب على الزجاجة الرقبة لنسبة زمن فتح المفتاح الميكانيكي عالي السرعة (حوالي 2 ms)، وتقليص وقت القطع الكلي، وقمع ذروة تيار العطل.
• ​المنطق: من خلال مراقبة الوقت الحقيقي لجهد الحافلة وجهد الخط وتيار الخط (مجموع 6 معايير، كما هو موضح في الجدول 1)، بمجرد تشغيل أي معيار غير طبيعي، يتم بدء العملية السابقة للقطع مسبقًا (نقل التيار إلى فرع القطع وفتح S1). إذا تم استلام أمر فتح رسمي لاحقًا، يتم إكمال القطع؛ إذا كان إنذارًا خاطئًا، يتم نقل التيار مرة أخرى إلى فرع الحمل لاستئناف التشغيل الطبيعي.
• ​التأثير: تظهر المحاكاة أن هذه الاستراتيجية يمكن أن تحد من تيار العطل من 25 kA إلى 17 kA، مع ثبات وقت القطع الكلي ضمن 3 ms.

​جدول 1: معايير تنشيط ما قبل القطع​

1. ​استراتيجية التحكم في الإغلاق الناعم:
• ​الهدف: لمعالجة مشاكل الجهد الزائد والاهتزازات النظامية عند الإغلاق، دون الحاجة إلى مقاومات وأجهزة إضافية، مما يوفر التكاليف والمساحة.
• ​المنطق: يتم التعامل مع فرع القطع على أنه مكون من عدة وحدات جهد متوسط متصلة بالسلسلة. أثناء الإغلاق، يتم تشغيل هذه الوحدات جهد متوسط بشكل متسلسل وقابل للتحكم لتقييد الطريق تدريجيًا. بعد كل خطوة، يتم أداء كشف العطل. إذا لم يتم كشف أي عطل، يستمر العملية حتى يتم تشغيل جميع الوحدات. أخيرًا، يتم إغلاق فرع الحمل وإيقاف تشغيل فرع القطع. إذا تم كشف عطل أثناء العملية، يتم إلغاء الإغلاق على الفور.
• ​التطبيق: مناسب لإغلاق طبيعي وإعادة الإغلاق التلقائي بعد إزالة العطل. تؤكد المحاكاة عدم وجود جهد زائد أو اهتزازات.

​III. تطوير النموذج الأولي والتحقق التجريبي​

​​(I) المعلمات الرئيسية والهيكل للنموذج الأولي​
تم تطوير نموذج أولي لinterruptor DC بجهد 500 kV مع المعلمات الرئيسية التالية:

• ​التصميم الهيكلي:
• ​فرع الحمل: بما أنه يحمل التيار لفترات طويلة، يتم تجهيز Q1 بنظام تبريد بالماء ويوضع في الجزء السفلي من برج الصمامات؛ S1 يتكون من عدة مفاتيح فراغ متصلة بالسلسلة، مدعومة بآلية دفع مغناطيسي، ويوضع في الجزء العلوي من برج الصمامات.
• ​فرع القطع: يتكون من 10 وحدات جهد متوسط متصلة بالسلسلة بـ 50 kV، مثبتة في 2 برج صمامات (5 طبقات لكل منها). يتم تبني تصميم Q2 ثنائي الموازية لـ IGBT لتلبية قدرة القطع. هذا الفرع لا يحمل تيارًا أثناء التشغيل الطبيعي، وبالتالي لا يحتاج إلى تبريد، مما يؤدي إلى تصميم أكثر بساطة.

​​(II) نتائج التحقق التجريبي​
خضع النموذج الأولي لاختبارات صارمة باستخدام دارة تجريبية مكافئة (دارة LC متأرجحة):

• ​وقت التحويل: كان وقت نقل التيار من فرع الحمل إلى فرع القطع < 300 μs.
• ​وقت القطع الكلي: من استلام الأمر بالفتح وحتى بداية انخفاض التيار، استغرق حوالي 2.9 ms، مما يتوافق مع الهدف التصميمي <3 ms.
• ​الجهد الزائد المؤقت: تم إنتاج جهد زائد مؤقت حوالي 800 kV أثناء القطع، متسقًا مع مستوى حماية MOV، محكومًا بأمان.
• ​الاستنتاج: أثبتت التجارب جدوى وفعالية وأداء ممتازًا لطوبولوجيا interruptor DC الهجين من نوع مستقيم.

​IV. الاستنتاجات الأساسية:

1. تستخدم الطوبولوجيا الهجينة من نوع مستقيم المقترحة في هذا الحل تصميمًا مبتكرًا بجسر diode لتحقيق السيطرة على التيار المتبادل، مما يقلل من استخدام IGBT بنسبة حوالي 50٪ مقارنة بالحلول التقليدية، مما يقدم مزايا كبيرة في الكفاءة الاقتصادية والموثوقية.
2. توفر استراتيجيات التحكم الذكي قبل القطع والإغلاق الناعم حلًا فعالًا لمشكلات تأخير عمل المفتاح الميكانيكي وتاثير الإغلاق، مما يعزز الأداء الديناميكي العام للنظام.
3. إن تطوير واختبار النموذج الأولي 500 kV/25 kA بنجاح يثبت بشكل كامل جدوى الهندسة والأداء المتوافق لهذا النهج التقني.