Solució de circuit interruptor híbrid d'alta tensió de tipus rectificador

I. Antecedents del projecte i anàlisi de requisits​
Amb l'avanç de la transició energètica, la tecnologia de transmissió DC flexible basada en convertidors de corrent contínua (VSC) s'ha convertit en una solució clau per a la integració d'energies renovables a gran escala i per millorar les capacitats de transmissió de llarga distància, gràcies a avantatges com el control independent de la potència activa i reactiva i un baix contingut harmònic. La construcció de xarxes DC flexibles és una tendència inevitable. En aquest context, els interruptors de corrent contínua de alta tensió, com a dispositius de protecció nuclear per a l'aïllament ràpid de fallades i per assegurar la seguretat i estabilitat de la xarxa, són crítics. Sense interruptors de corrent contínua de alt rendiment, la flexibilitat operativa i la fiabilitat del subministrament d'energia de les xarxes DC flexibles estarien severament limitades.

Les tecnologies actuals d'interruptors de corrent contínua de alta tensió tenen limitacions significatives:

• ​Interruptors mecànics: Tot i que ofereixen baixes pèrdues en estat de conducció i alta resistència a la tensió, el seu temps d'interrupció és de dècimes de segon, no complint l'exigència estricte d'aïllament ràpid de fallades a nivell de mil·lisegons en xarxes DC flexibles.
• ​Interruptors totalment de estado sòlid: Basats en dispositius semiconductors, proporcionen una interrupció extremadament ràpida però sofreixen pèrdues elevades en estat de conducció, costos operatius alts i baixa eficiència econòmica.
• ​Interruptors híbrids tradicionals: Encara que combinen les baixes pèrdues dels commutadors mecànics i la interrupció ràpida dels commutadors de estado sòlid, la seva topologia requereix IGBTs connectats en sèrie en ambdós sentits, resultant en una utilització baixa dels dispositius, complexitat del sistema i costos alts.

Per abordar aquests col·laps tècnics, hi ha una necessitat urgente d'una nova solució d'interruptor de corrent contínua que combini capacitat d'interrupció ràpida, baixes pèrdues operatives, alta eficiència econòmica i alta fiabilitat.

​II. Solució: Interruptor de corrent contínua híbrid de alta tensió de tipus rectificador​
Aquesta solució proposa una topologia innovadora d'interruptor de corrent contínua híbrid de alta tensió de tipus rectificador, abordant fonamentalment les limitacions de les tecnologies existents.

​​(I) Tecnologia central: Topologia de circuit innovadora​
La topologia d'aquest interruptor consta d'una branca de portada de corrent i una branca d'interrupció de corrent connectades en paral·lel.

1. ​Branca de portada de corrent:
• ​Composició: Comprengui un commutador mecànic d'alta velocitat (S1) i un grup de vàlvules de portada de corrent (Q1) connectats en sèrie.
• ​Característiques: S1 té una resistència de contacte extremadament baixa (només desenes de micro-ohms), i Q1 està format per un nombre reduït d'IGBTs amb una caiguda de tensió de conducció baixa. Durant l'operació normal, la corrent nominal passa per aquesta branca, assegurant pèrdues en estat de conducció extremadament baixes.
2. ​Branca d'interrupció de corrent:
• ​Composició: Utilitza una estructura de rectificador de pont, consistint en un grup de vàlvules de commutació de pont (D1-D4, formades per diversos diodes connectats en sèrie), un grup de vàlvules d'interrupció unidireccional (Q2, formades per diversos IGBTs connectats en sèrie) i un resistor no lineal (MOV1, paraigua).
• ​Vantatge central: La estructura de rectificador de pont aconsegueix astutament la commutació de corrent, permetent al grup d'interrupció d'IGBTs unidireccional (Q2) interrompre corrents de falla de corrent contínua bidireccional. Comparat amb les topologies híbrids tradicionals, el nombre d'IGBTs es redueix aproximadament a la meitat. Atès que els IGBTs comercials press-pack costen uns 10 vegades més que els diodes de la mateixa classificació, i la reducció d'IGBTs també disminueix el nombre de plagues conductores associades, aquesta topologia aconsegueix una reducció significativa de costos i una millora de la fiabilitat general.

​​(II) Principi de funcionament d'interrupció eficient​
Prenguem com a exemple la corrent que flueix des del Port 1 al Port 2, el procés d'interrupció consta de quatre etapes:

1. ​Etapa 1 (t0–t1, Ocurrència de la falla)​: Es produeix una falla de curtcircuí, fent que la corrent augmenti bruscament. En aquest moment, S1 i Q1 estan conduint, Q2 està apagat, i la corrent de falla flueix completament per la branca de portada de corrent.
2. ​Etapa 2 (t1–t2, Transferència de corrent)​: El sistema de control emet una ordre d'obertura, encenent Q2 i apagant Q1. La conducció de Q2 genera una tensió de commutació al braç del pont, forçant la transferència de la corrent de la branca de portada de corrent a la branca d'interrupció de corrent (camí: D1 → Q2 → D4).
3. ​Etapa 3 (t2–t3, Interrupció del commutador mecànic)​: Un cop la corrent de la branca de portada de corrent s'ha transferit completament, el commutador mecànic d'alta velocitat S1 s'interromp en condicions de corrent zero i tensió zero sense arcing, establint força aïllant.
4. ​Etapa 4 (t3–t4, Aïllament de la corrent de falla)​: Després que S1 estigui completament interromput, Q2 s'apaga. L'apagada de Q2 genera una sobretensió transitori a través de l'interruptor, activant MOV1 per conduir i desviar la corrent de falla cap a MOV1 per dissipar-la fins que l'energia s'esgoti, la corrent baixi a zero i s'acomplisca l'aïllament de la falla.

El principi d'interrupció per a la corrent inversa és el mateix, dirigit pel pont de diodes (D2, D3) per fluir a través de Q2.

​​(III) Estratègia de control intel·ligent​

1. ​Estratègia de control pre-interrupció:
• ​Objectiu: Per superar el coll d'embolcalla del temps d'obertura elevat del commutador mecànic d'alta velocitat (uns 2 ms), acurtir el temps total d'interrupció i suprimir el pic de corrent de falla.
• ​Lògica: Monitoritzant en temps real la tensió de la barra, la tensió de la línia i la corrent de la línia (un total de 6 criteris, com es mostra a la Taula 1), una vegada s'activa qualsevol criteri anormal, s'inicia la operació pre-interrupció amb antelació (transferint la corrent a la branca d'interrupció de corrent i obrint S1). Si posteriorment es rep una ordre d'obertura formal, s'acaba l'interrupció; si és una falsa alarma, la corrent es torna a transferir a la branca de portada de corrent per reprendre l'operació normal.
• ​Efecte: Les simulacions mostren que aquesta estratègia pot suprimir la corrent de falla de 25 kA a 17 kA, amb el temps total d'interrupció estabilitzat dins de 3 ms.

​Taula 1: Criteris d'activació pre-interrupció​

1. ​Estratègia de control de tancament suau:
• ​Objectiu: Per abordar els possibles problemes de sobretensió i oscil·lacions del sistema en el moment del tancament, sense la necessitat d'addicions de resistors i commutadors addicionals, estalviant costos i espai.
• ​Lògica: La branca d'interrupció de corrent es tracta com compost per diverses unitats de mitja tensió connectades en sèrie. Durante el tancament, aquestes unitats de mitja tensió es van encenent de manera seqüencial i controlada per establir progressivament un camí. Després de cada pas, es realitza una detecció de falla. Si no es detecta cap falla, el procés continua fins que totes les unitats estiguin enceses. Finalment, es tanca la branca de portada de corrent i es tanca la branca d'interrupció de corrent. Si es detecta una falla durant el procés, el tancament s'aborta immediatament.
• ​Aptitud: Adequat per al tancament normal i al recanvi automàtic després de la eliminació de la falla. Les simulacions verifiquen la no aparició de sobretensions ni oscil·lacions.

​III. Desenvolupament de prototip i verificació experimental​

​​(I) Paràmetres i estructura clau del prototip​
S'ha desenvolupat un prototip d'enginyeria d'interruptor de corrent contínua de 500 kV amb els següents paràmetres claus:

• ​Disseny estructural:
• ​Branca de portada de corrent: Com porta corrent durant períodes prolongats, Q1 està equipat amb un sistema de refrigeració per aigua i es col·loca a la part inferior de la torre de vàlvules; S1 consta de diversos commutadors de buit en sèrie, accionats per un mecanisme d'impuls electromagnètic, i es col·loca a la part superior de la torre de vàlvules.
• ​Branca d'interrupció de corrent: Composta per 10 unitats de mitja tensió de 50 kV connectades en sèrie, instal·lades en 2 torres de vàlvules (5 nivells cada una). Q2 adopta un disseny d'IGBT doble en paral·lel per complir la capacitat d'interrupció. Aquesta branca no porta corrent durant l'operació normal, per tant no cal refrigera-la, resultant en un disseny més compacte.

​​(II) Resultats de la verificació experimental​
El prototip va passar rigoroses proves utilitzant un circuit experimental equivalent (circuit LC oscil·lant):

• ​Temps de commutació: El temps de transferència de corrent de la branca de portada de corrent a la branca d'interrupció de corrent va ser < 300 μs.
• ​Temps total d'interrupció: Des de rebre l'ordre d'obertura fins que la corrent comença a descendir, va trigar uns 2,9 ms, complint l'objectiu de disseny de <3 ms.
• ​Sobretensió transitori: Es va generar una sobretensió instantània d'uns 800 kV durant l'interrupció, consistent amb el nivell de protecció MOV, controlada i segura.
• ​Conclusió: Les experiments van verificar amb èxit la viabilitat, efectivitat i excel·lent rendiment de la topologia d'interruptor de corrent contínua híbrid de tipus rectificador de alta tensió.

​IV. Conclusions principals:

1. La topologia híbrid de tipus rectificador proposada en aquesta solució utilitza un disseny innovador amb un pont de diodes per assolir el control de corrent bidireccional, reduint l'ús d'IGBTs en aproximadament un 50% en comparació amb les solucions tradicionals, oferint avantatges significatius en eficiència econòmica i fiabilitat.
2. Les estratègies de control intel·ligent pre-interrupció i tancament suau aborden eficientment els problemes de retard de l'acció del commutador mecànic i l'impacte del tancament, millorant el rendiment dinàmic global del sistema.
3. El desenvolupament i prova exitosos del prototip d'enginyeria de 500 kV/25 kA demostra pleament la viabilitat enginyerística i el compliment de rendiment d'aquest enfocament tècnic.