Решение за хибридно високонапреговано DC предпълзител с тип ректификатор
I. Проектен контекст и анализ на изискванията
Със засилващото се развитие на енергийния преход, технологията за гъвкава DC предаване, базирана на преобразуватели на напрежението (VSC), става ключово решение за интеграцията на големи мащабни възобновяеми източници на енергия и подобряване на възможностите за дългобразмерна предаване на електроенергия, благодарение на своите предимства като независимо управление на активната и реактивната мощност и ниско хармонично съдържание. Създаването на гъвкави DC мрежи е неизбежна тенденция. В този контекст, високонапреговите DC цепкопрекъсвачи, като основни защитни устройства за бързо изолиране на дефект и осигуряване на безопасността и стабилността на мрежата, са критически важни. Без високопроизводителни DC цепкопрекъсвачи, оперативната гъвкавост и надеждността на доставката на електроенергия в гъвкавите DC мрежи биха били сериозно ограничени.
Съвременните основни технологии за високонапрегови DC цепкопрекъсвачи имат значителни ограничения:
- Механични цепкопрекъсвачи: Въпреки че предлагат ниски загуби при проводимост и висока издръжливост, техният времетраене за прекъсване е на десетки милисекунди, което не отговаря на строгото изискване за милисекундно бързо изолиране на дефектите в гъвкавите DC мрежи.
- Пълно-твърдотелни цепкопрекъсвачи: Основани на полупроводникови устройства, те предоставят изключително бързо прекъсване, но страдат от прекомерни загуби при проводимост, високи операционни разходи и слаба икономическа ефективност.
- Традиционни хибридни цепкопрекъсвачи: Макар да комбинират ниските загуби на механичните ключове и бързото прекъсване на твърдотелните ключове, тяхната топология изисква серийно свързване на IGBT-тове в оба посоки, което води до ниска използване на устройствата, сложност на системата и високи разходи.
За решаване на тези технически бутилирски вратове, е необходим нов DC цепкопрекъсвач, който комбинира способността за бързо прекъсване, ниски операционни загуби, висока икономическа ефективност и висока надеждност.
II. Решение: Хибридни високонапрегови DC цепкопрекъсвачи от тип ректификатор
Това решение предлага иновативна топология на хибридни високонапрегови DC цепкопрекъсвачи от тип ректификатор, фундаментално решавайки ограниченията на съществуващите технологии.
(I) Ключова технология: Иновативна схема на цепката
Топологията на този цепкопрекъсвач се състои от паралелно свързани клон за проводимост и клон за прекъсване на тока.
- Клон за проводимост:
- Състав: Състои се от високоскоростен механичен ключ (S1) и група ключове за проводимост (Q1), свързани в ред.
- Характеристики: S1 има изключително ниско контактно съпротивление (само десетки микроОм), а Q1 се състои от малко количество IGBT-та с ниско падане на напрежението при проводимост. По време на нормална работа, номиналният ток протича през този клон, осигурявайки изключително ниски загуби при проводимост.
- Клон за прекъсване на тока:
- Състав: Използва структура на мостов ректификатор, състояща се от група комутационни ключове (D1-D4, формирани от множество серийно свързани диоди), група единопосочни ключове за прекъсване (Q2, формирани от множество серийно свързани IGBT-та) и нелинейен резистор (MOV1, ограничител на напрежението).
- Основно предимство: Структурата на мостовия ректификатор умело постига комутация на тока, позволявайки на групата единопосочни IGBT-та за прекъсване (Q2) да прекъснат двупосочни DC дефектни токове. В сравнение с традиционните хибридни топологии, броят на IGBT-тата е намален приблизително наполовина. При условие, че комерсиализираните притиснати IGBT-та струват около 10 пъти повече от диодите със същата класификация, и намалението на IGBT-тата намалява и броя на придружаващите платки за управление, тази топология постига значително намаление на разходите и общо подобрение на надеждността.
(II) Ефективен принцип на действие при прекъсване
Вземайки за пример ток, който протича от Порт 1 към Порт 2, процесът на прекъсване се състои от четири етапа:
- Етап 1 (t0–t1, Възникване на дефект): Възниква късо замыкание на линията, което причинява остър ръст на тока. В този момент, S1 и Q1 са проводими, Q2 е изключен, и дефектният ток протича изцяло през клон за проводимост.
- Етап 2 (t1–t2, Преход на тока): Управляващата система издава команда за отваряне, включва Q2 и изключва Q1. Проводимостта на Q2 генерира комутационно напрежение на мостовата ръка, принуждавайки тока да премине от клон за проводимост към клон за прекъсване (път: D1 → Q2 → D4).
- Етап 3 (t2–t3, Прекъсване на механичния ключ): След като токът в клон за проводимост е напълно преместен, високоскоростният механичен ключ S1 прекъсва при нулев ток и нулево напрежение без дуга, установявайки изолационна сила.
- Етап 4 (t3–t4, Изчистване на дефектния ток): След като S1 е напълно прекъснат, Q2 е изключен. Изключването на Q2 генерира преходно наднормено напрежение в цепкопрекъсвача, активиращо MOV1 да проводи и да отклони дефектния ток в MOV1 за разсейване, докато енергията е изчерпана, токът спадне до нула и изолирането на дефекта е завършено.
Принципът на прекъсване за обратен ток е същия, насочен от диодния мост (D2, D3) да протече през Q2.
(III) Интелигентна стратегия за управление
- Стратегия за управление преди прекъсване:
- Цел: За преодоляване на бутилската врата на високата дял на времето за отваряне на високоскоростния механичен ключ (около 2 ms), за скъсяване на общото време за прекъсване и за поддържане на върха на дефектния ток.
- Логика
- Ефект: Симулации показват, че тази стратегия може да подтисне дефектния ток от 25 kA до 17 kA, с общото време за прекъсване стабилизирано в рамките на 3 ms.
Таблица 1: Критерии за активиране преди прекъсване
|
Тип критерий |
Специфично условие |
|
Критерий за ток |
Амплитуда на тока на линията > праг за защита; Абсолютна стойност на скоростта на изменение на тока (di/dt) > праг за защита |
|
Критерий за напрежението на линията |
Амплитуда на напрежението на линията < праг за защита; Абсолютна стойност на скоростта на изменение на напрежението (du/dt) > праг за защита |
|
Критерий за напрежението на шината |
Амплитуда на напрежението на шината < праг за защита; Абсолютна стойност на скоростта на изменение на напрежението (du/dt) > праг за защита |
- Стратегия за меко затваряне:
- Цел: За справяне с потенциалните проблеми с наднормено напрежение и системна осцилация в момента на затваряне, без нужда от допълнителни резистори и ключове, спестявайки разходи и пространство.
- Логика: Клонът за прекъсване е третиран като състоящ се от множество среднонапрегови единици, свързани в ред. По време на затваряне, тези среднонапрегови единици се включват последователно и контролируемо, за да се установи път. След всяка стъпка, се извършва проверка за дефект. Ако дефект не е открит, процесът продължава, докато всички единици са включени. Накрая, клонът за проводимост се затваря, а клонът за прекъсване се изключва. Ако дефект е открит по време на процеса, затварянето се прекъсва незабавно.
- Приложимост: Подходящ за нормално затваряне и автоматично повторно затваряне след изчистване на дефект. Симулации потвърждават, че няма наднормено напрежение или осцилация.
III. Разработка на прототип и експериментално потвърждение
(I) Ключови параметри и структура на прототипа
Беше разработен инженерен прототип на 500 kV DC цепкопрекъсвач със следните ключови параметри:
|
Тип параметър |
Стойност |
|
Номинално напрежение |
500 kV |
|
Номинален ток |
3 kA |
|
Максимален прекъсваем ток |
25 kA |
|
Време за прекъсване |
< 3 ms |
|
Ниво на защита на MOV |
800 kV |
|
Спецификации на основните устройства |
4.5 kV/3 kA Press-Pack IGBT |
- Структурен дизайн:
- Клон за проводимост: Тъй като той провежда ток за продължително време, Q1 е оборудван с водно охлаждане и е разположен в долната част на клапанната кула; S1 се състои от множество вакуумни ключове в ред, задвижвани от електромагнитен репулсивен механизъм, и е разположен в горната част на клапанната кула.
- Клон за прекъсване: Състои се от 10 серийно свързани 50 kV среднонапрегови единици, инсталирани в 2 клапанни кули (по 5 нива във всяка). Q2 използва двойно паралелен дизайн на IGBT-та, за да удовлетвори капацитета за прекъсване. Този клон не провежда ток по време на нормална работа, така че не е необходимо охлаждане, което води до по-опростен дизайн.
(II) Резултати от експерименталното потвърждение
Прототипът беше подложен на стриктни тестове, използвайки еквивалентна експериментална схема (LC осцилираща схема):
- Време за комутация: Времето за преход на тока от клон за проводимост към клон за прекъсване беше < 300 μs.
- Общо време за прекъсване: От получаване на командата за отваряне до началото на спадане на тока, беше около 2.9 ms, отговаряйки на проектния целеви <3 ms.
- Преходно наднормено напрежение: Беше генерирано преходно наднормено напрежение около 800 kV по време на прекъсване, съответстващо на нивото на защита на MOV, контролирано и безопасно.
- Заключение: Експериментите успешно потвърдиха възможността, ефективността и отличните характеристики на топологията на хибридния високонапрегов DC цепкопрекъсвач от тип ректификатор.
IV. Основни заключения:
- Предложената в това решение топология на хибридни ректификатори използва иновативен дизайн с диоден мост, за да постигне двупосочен контрол на тока, намалявайки използването на IGBT-та с около 50% в сравнение с традиционните решения, предлагайки значителни предимства в икономическа ефективност и надеждност.
- Интелигентните стратегии за управление преди прекъсване и меко затваряне ефективно решават проблемите с забавяне на действието на механичния ключ и въздействие при затваряне, подобрявайки общата динамична производителност на системата.
- Успешната разработка и тестове на 500 kV/25 kA инженерен прототип напълно демонстрират техническата възможност и съответствието на производителността на този технически подход.
