Dördənli Növ Hibrid Yüksek Gerilimli DC Dövə Kirpik Çözümü

I. Layihənin foni və tələblərin analizi​
Enerji keçidi-nin dərinləşən inkişafı ilə, voltaj mənbəsi konvertoru (VSC) əsaslı qəbilətli DC elektrikdaşıma texnologiyası, aktiv və reaktiv gücün müstəqil idarə edilməsi və aşağı harmonik məzmunun imkanları nəticəsində, kəskin enerji birləşdirilməsi və uzun məsafəli elektrikdaşımanın artırılması üçün açar həll olaraq çıxış etmişdir. Qəbilətli DC şəbəkələrinin tikintisi nəzərə alınmalı bir istiqamətdir. Bu bağlamda, yüksək performanslı DC elektrik daşımacılardan çox sürətli səhv izolyasiya və şəbəkənin təhlükəsizliyini və stabiilliyini təmin edən əsas himayə cihazları, çox önəmlidir. Yüksək performanslı DC elektrik daşımacılar olmadan, qəbilətli DC şəbəkələrinin işləmə qəbiləti və elektrik təchizatının nəzərə alınması ciddi şəkildə məhdudlaşacaq.

Cari populyar yüksək voltajlı DC elektrik daşımacı texnologiyalarında nəticəvi məhdudiyyətlər mövcuddur:

• ​Mexaniki elektrik daşımacılar: Oların işləmə zamanı zədələri aşağı və yüksək dayanım növündə olsa da, onların kesmə zamanı desyondan millisekundlərə qədər çoxdur, bu da qəbilətli DC şəbəkələrdə millisekund səviyyəsində sürətli səhv izolyasiya tələbinə uyğun gəlmir.
• ​Bütöv peynir material elektrik daşımacılar: Peynir material aletlərə əsaslanan onlar, çox sürətli kesmə imkanı verir, lakin işləmə zamanı zədələrinin çoxluğu, işləmə maliyyətinin yüksəkliliyi və iqtisadi effektivliyin aşağılığı ilə üzləşir.
• ​Klasik kombinasiya elektrik daşımacılar: Mekaniki düymələrin aşağı zədələri və peynir material düymələrin sürətli kesmə imkanını birləşdirməklə, onların topologiyası hər iki istiqamətdə ardıcıl qoşulmuş IGBT-lər tələb edir, bu da aletlərin istifadəsinin aşağılığını, sistem çətinliyini və yüksək maliyyətini yaradır.

Bu texniki məhdudiyyətlərlə üzləşmək üçün, sürətli kesmə imkanı, aşağı işləmə zədələri, yüksək iqtisadi effektivlik və yüksək islahatlı yeni DC elektrik daşımacı həlli acil tələb olunur.

​II. Həll: Düzəltici növ kombinasiya yüksek voltajlı DC elektrik daşımacısı​
Bu həll, yenilikçi düzəltici növ kombinasiya yüksek voltajlı DC elektrik daşımacısı topologiyasını təklif edir, mevcut texnologiyaların məhdudiyyətlərini asılıqla həll edir.

​​(I) Nüfuzlu texnologiya: Yenilikçi şəbəkə topologiyası​
Bu elektrik daşımacısının topologiyası, paralel qoşulmuş akım daşıyan şəbəkə və akım kəsən şəbəkədən ibarətdir.

1. ​Akim daşıyan şəbəkə:
• ​Tərkib: Sürətli mexaniki düymə (S1) və ardıcıl qoşulmuş akım daşıyan valv qrupu (Q1)-dən ibarətdir.
• ​Xüsusiyyətlər: S1-ın kontakt direnci (yalnız onlar mikro-om) aşa düşdür, Q1-də az sayıda IGBT ilə aşağı keçiricilik voltaj düşməsi var. Normal işləmə zamanı, nominal akım bu şəbəkədən keçir, bu da işləmə zamanı zədələrinin minimal olmasını təmin edir.
2. ​Akim kəsən şəbəkə:
• ​Tərkib: Köprü düzəltici strukturu, birdən çox ardıcıl qoşulmuş diodlardan (D1-D4) ibarət köprü kommutasiya valv qrupu, bir tərəfdən kəsmə valv qrupu (Q2, birdən çox ardıcıl qoşulmuş IGBT-lərdən ibarət) və xarakteristik olmayan rezistor (MOV1, koruyucu) ilə təchiz edilmişdir.
• ​Nüfuzlu üstünlük: Köprü düzəltici struktur, akım kommutasiyasını xoşgörəliklə həll edir, bu da tək tərəfdən IGBT kəsmə valv qrupunun (Q2) iki tərəflü DC səhv akımlarını kəsməsinə imkan verir. Klasik kombinasiya topolojilərə nisbətən, IGBT sayı yarıya endirilib. Eyni nominalda diodlardan də 10 dəfə daha bahalı olan ticari press-pack IGBT-lərə nisbətən, IGBT sayının azalması, onlara eşlik edən sürücü kartların sayısının da azalmasına səbəb olur, bu da topologiyaya maliyyəvi effektivlik və ümumi islahatlılığın artmasını təmin edir.

​​(II) Effektiv kəsmə işləmə prinsipi​
Port 1-dən Port 2-yə akım axmasından misal gətirərək, kəsmə prosesi dörd mərhələdən ibarətdir:

1. ​Mərhələ 1 (t0–t1, Səhvin başlanması)​: Xətt üzərində short-sircuit səhvi başlayır, bu da akımın təzyiqi artmasına səbəb olur. Bu zaman, S1 və Q1 keçiricilik, Q2 isə kapalıdır, səhv akımı tamamilə akım daşıyan şəbəkədən keçir.
2. ​Mərhələ 2 (t1–t2, Akım transferi)​: İdarəetmə sistemi açma emri göndərir, Q2-i açır, Q1-i bağlayır. Q2-nin keçiriciliği köprü qolu üzərində kommutasiya voltajı yaratır, bu da akımın akım daşıyan şəbəkədən akım kəsən şəbəkəyə (marşrut: D1 → Q2 → D4) transferini təmin edir.
3. ​Mərhələ 3 (t2–t3, Mexaniki düymənin kəsməsi)​: Akım daşıyan şəbəkədəki akım tamamilə transfer edildikdən sonra, sürətli mexaniki düymə S1 sıfır akım və sıfır voltaj şəraitində arkaq olmayaraq kəsməyə başlayır, izolyasiya gücünü qurur.
4. ​Mərhələ 4 (t3–t4, Səhv akımın təmizlənməsi)​: S1 tamamilə kəsmədikdən sonra, Q2 bağlanır. Q2-nin bağlanması elektrik daşımacının üzərində müvəqqəti fazla voltaj yaratır, bu da MOV1-i keçiricilikə salır və səhv akımını MOV1-in içində təmizləməyə yönəldir, nərgiz ki, enerji bitdiyi zaman, akım sıfıra düşür və səhv izolyasiya tamamlanır.

Tərs akım üçün kəsmə prinsipi eynidir, diod köprü (D2, D3) tərəfindən Q2-dən keçirilir.

​​(III) İntellektual idarəetmə strategiyası​

1. ​Kəsmə öncəsi idarəetmə strategiyası:
• ​Məqsəd: Sürətli mexaniki düymənin açılma zamanının (təxminən 2 ms) yüksək orantısının engəlini aşmaq, ümumi kəsmə zamanını qısaldmaq və səhv akımın zirvəsini sönümətmək.
• ​Məntiq: Avtomobil voltajı, xətt voltajı və xətt akımı (toplam 6 kriteriy, Cədvəl 1-də göstərilən kimi) real vaxt monitorinqi vasitəsilə, hər hansı bir anormal kriteriya tətikləndikdə, kəsmə öncəsi əməliyyat əvvəlcədən başlayır (akımı akım kəsən şəbəkəyə transfer edir və S1-i açır). Sonra açma emri alındıqda, kəsmə tamamlanır; yanlış alarm olduqda, akım akım daşıyan şəbəkəyə geri transfer edilir və normal işləmə davam edir.
• ​Nəticə: Simulyasiyalar göstərir ki, bu strategiya səhv akımını 25 kA-dan 17 kA-a endirir, ümumi kəsmə zamanı 3 ms-ə qədər sabitləşdirilir.

​Cədvəl 1: Kəsmə öncəsi aktivasiya kriteriyaları​

1. ​Yumuşaq bağlama idarəetmə strategiyası:
• ​Məqsəd: Bağlama anında potensial fazla voltaj və sistem titrəmə problemlərini, ekstra rezistorlər və düymələr olmadan, maliyyə və sahəni təkmilləşdirmək.
• ​Məntiq: Akım kəsən şəbəkə, bir neçə orta voltajlı vahidlərin ardıcıl qoşulduğu kimi müəyyən edilir. Bağlama zamanı, bu orta voltajlı vahidlər ardıcıl və kontrollü şəkildə açılır, marşrutun qurulmasını təmin edir. Hər addımdan sonra, səhv təsnifi edilir. Səhv tapılmadıqda, proses davam edir, bütün vahidlər açıldığında sonunda, akım daşıyan şəbəkə bağlanır, akım kəsən şəbəkə bağlanır. Proses zamanı səhv aşkarlandığı halda, bağlama daim edilir.
• ​Uyğunluq: Normal bağlama və səhv təmizləndikdən sonra avtomatik bağlama üçün uyğundur. Simulyasiyalar fazla voltaj və titrəmə olmadığını təsdiqləyir.

​III. Prototipin inkişafı və eksperimentallı təsdiqləmə​

​​(I) Prototipin əsas parametrləri və strukturu​
500 kV DC elektrik daşımacısı mühəndislik prototipi inkişaf etdirildi, aşağıdakı əsas parametrlər ilə:

• ​Struktur dizaynı:
• ​Akim daşıyan şəbəkə: Uzun müddət akım daşıdığından, Q1 su soğutma sistemi ilə təchiz edilmiş və valv qüləsinin altına yerləşdirilib; S1, elektromagnit itici mekanizma ilə idarə olunan bir neçə vakuum düymədən ibarət və valv qüləsinin üstündə yerləşdirilib.
• ​Akim kəsən şəbəkə: 10 ardıcıl qoşulmuş 50 kV orta voltajlı vahiddən ibarət, 2 valv qüləsində (hər birində 5 qat) qurulub. Q2, kəsmə kapasitetini təmin etmək üçün iki paralel IGBT dizaynı ilə təchiz edilib. Bu şəbəkə normal işləmə zamanı akım daşımır, beləliklə soğutma tələb olunmur, bu da daha sadə bir dizayna səbəb olur.

​​(II) Eksperimentallı təsdiqləmə nəticələri​
Prototip, ekvivalent eksperimentallı şəbəkə (LC titrəmə şəbəkəsi) ilə ciddi testlərə məruz qaldı:

• ​Kommutasiya zamanı: Akımın akım daşıyan şəbəkədən akım kəsən şəbəkəyə transferi < 300 μs idi.
• ​Ümumi kəsmə zamanı: Açma emri alındıqdan akımın düşməyə başlaması qədər, təxminən 2.9 ms sürdü, bu da <3 ms dizayn hədəfinə uyğundur.
• ​Müvəqqəti fazla voltaj: Kəsmə zamanı təxminən 800 kV müvəqqəti fazla voltaj yarandı, bu da MOV himayə səviyyəsinə uyğundur, idarə olunur və təhlükəsizdir.
• ​Nəticə: Eksperiməntlər, düzəltici növ kombinasiya yüksək voltajlı DC elektrik daşımacısı topologiyasının əsaslılığını, effektivliyini və mükəmməl performansını uğurla təsdiqləyiblər.

​IV. Əsas nəticələr:

1. Bu həll təklif etdiyi düzəltici növ kombinasiya topologiyası, diod köprü ilə iki tərəflü akım idarəsini təmin edən yenilikçi bir dizayn ilə, tradisional həllərə nisbətən IGBT istifadəsini təxminən %50-ə endirir, bu da iqtisadi effektivlik və islahatlıqda ciddi üstünlüklər təmin edir.
2. İntellektual kəsmə öncəsi və yumuşaq bağlama idarəetmə strategiyaları, mexaniki düymənin təsir gecikməsi və bağlama təsiri problemlərini effektiv şəkildə həll edir, sistemün ümumi dinamik performansını artırır.
3. 500 kV/25 kA mühəndislik prototipinin uğurlu inkişafı və testlənməsi, bu texniki yanaşmanın mühəndislik əsaslılığını və performans uyğunluğunu tamamilə göstərir.