Typ hybridního vysokonapěťového stejnosměrného vypínače s obvodem srážení

I. Pozadí projektu a analýza požadavků​
S hlubším postupem energetické transformace se technologie flexibilního stejnosměrného přenosu založená na měničích napětí (VSC) stala klíčovým řešením pro integraci velkých množství obnovitelných zdrojů energie a zlepšení schopnosti dlouhodobého přenosu energie, díky svým výhodám, jako je nezávislá kontrola aktivní a reaktivní síly a nízký obsah harmonických složek. Vytváření flexibilních stejnosměrných sítí je nevyhnutelným trendem. V tomto kontextu jsou vysokonapěťové stejnosměrné vypínače, jako klíčové ochranné zařízení pro rychlé izolování poruch a zajištění bezpečnosti a stability sítě, kriticky důležité. Bez vysokovýkonných stejnosměrných vypínačů by byla operační flexibilita a spolehlivost dodávky energie flexibilních stejnosměrných sítí vážně omezena.

Současné mainstreamové technologie vysokonapěťových stejnosměrných vypínačů mají značné omezení:

• ​Mechanické vypínače: Ačkoli nabízejí nízké ztráty ve stavu zapnutí a vysokou odolnost proti napětí, jejich doba přerušení činí desítky milisekund, což nedosahuje striktní požadavek na rychlé izolování poruch v milisekundovém rozsahu v flexibilních stejnosměrných sítích.
• ​Vypínače plně pevného stavu: Založeny na polovodičových součástkách, poskytují extrémně rychlé přerušení, ale trpí nadměrnými ztrátami ve stavu zapnutí, vysokými provozními náklady a špatnou ekonomickou efektivitou.
• ​Tradiční hybridní vypínače: I když kombinují nízké ztráty mechanických spínačů a rychlé přerušení pevnostavových spínačů, jejich topologie vyžaduje sériové spojení IGBT v obou směrech, což vede k nízkému využití zařízení, komplexitě systému a vysokým nákladům.

Pro řešení těchto technických látek je naléhavě potřeba nového řešení stejnosměrného vypínače, které kombinuje schopnost rychlého přerušení, nízké provozní ztráty, vysokou ekonomickou efektivitu a vysokou spolehlivost.

​II. Řešení: Hybridní vysokonapěťový stejnosměrný vypínač typu měnič​
Toto řešení navrhuje inovativní topologii hybridního vysokonapěťového stejnosměrného vypínače typu měnič, která zásadně řeší omezení existujících technologií.

​(I) Klíčová technologie: Inovativní topologie obvodu​
Topologie tohoto vypínače se skládá ze sérieově spojené větve pro přenos proudu a paralelně spojené větve pro přerušení proudu.

1. ​Větev pro přenos proudu:
• ​Složení: Skládá se ze sérieově spojeného rychlého mechanického spínače (S1) a skupiny ventilů pro přenos proudu (Q1).
• ​Vlastnosti: S1 má extrémně nízký kontaktový odpor (pouze desítky mikroohmů) a Q1 se skládá z malého počtu IGBT s nízkým spádem napětí při vedení. Během normálního provozu proud teče touto větví, což zajišťuje extrémně nízké ztráty ve stavu zapnutí.
2. ​Větev pro přerušení proudu:
• ​Složení: Používá strukturu mostového měniče, která se skládá ze skupiny mostových komutačních ventilů (D1-D4, tvořených několika sériově spojenými diodami), unidirekční skupiny přerušovacích ventilů (Q2, tvořených několika sériově spojenými IGBT) a nelineárního odporníku (MOV1, ochranný prvek).
• ​Klíčová výhoda: Struktura mostového měniče chytrým způsobem dosahuje komutace proudu, umožňující unidirekční skupině přerušovacích ventilů IGBT (Q2) přerušit bidirekční stejnosměrné poruchové proudy. V porovnání s tradičními hybridními topologiemi se počet IGBT snížil přibližně o polovinu. Vzhledem k tomu, že komerční press-pack IGBT stojí asi 10krát více než diody stejného stupně, a snížení počtu IGBT také snižuje počet doprovodných řídících desek, tato topologie dosahuje významného snížení nákladů a celkového zlepšení spolehlivosti.

​(II) Efektivní princip přerušení​
Na příkladu proudu proudícího z Portu 1 do Portu 2, proces přerušení se skládá ze čtyř fází:

1. ​Fáze 1 (t0–t1, vznik poruchy)​: Na lince dojde k krátkozaměření, což způsobí ostrý nárůst proudu. V této chvíli S1 a Q1 vedou proud, Q2 je vypnut, a poruchový proud teče kompletně větví pro přenos proudu.
2. ​Fáze 2 (t1–t2, převod proudu)​: Ovládací systém vydá příkaz k otevření, zapne Q2 a vypne Q1. Vedení Q2 generuje komutační napětí na rameni mostu, které donutí proud převést z větve pro přenos proudu do větve pro přerušení proudu (cesta: D1 → Q2 → D4).
3. ​Fáze 3 (t2–t3, přerušení mechanického spínače)​: Po úplném převodu proudu z větve pro přenos proudu, rychlý mechanický spínač S1 přeruší proud pod nulovým proudem a nulovým napětím bez oblouku, vytvářející izolační sílu.
4. ​Fáze 4 (t3–t4, vyčištění poruchového proudu)​: Po úplném přerušení S1, Q2 je vypnut. Vypnutí Q2 generuje dočasné přepětí přes vypínač, což aktivuje MOV1 k vedení a odvádění poruchového proudu do MOV1, dokud není energie vyčerpána, proud klesne na nulu a izolace poruchy je dokončena.

Princip přerušení pro opačný proud je stejný, směrovaný diodovým mostem (D2, D3) k průchodu Q2.

​(III) Inteligentní strategie řízení​

1. ​Předpřerušovací strategie řízení:
• ​Cíl: Překonat látku vysokého poměru času otevírání rychlého mechanického spínače (asi 2 ms), zkrátit celkový čas přerušení a potlačit vrcholný poruchový proud.
• ​Logika: Reálným časem sleduje napětí sběrnice, napětí linky a proud linky (celkem 6 kritérií, jak je uvedeno v Tabulce 1). Jakmile je vyvoláno jakékoli neobvyklé kritérium, předpřerušovací operace je zahájena předem (proud se převádí do větve pro přerušení proudu a S1 se otevírá). Pokud je následně přijat formální příkaz k otevření, přerušení je dokončeno; pokud jde o falešný poplach, proud se převádí zpět do větve pro přenos proudu a obnovuje se normální provoz.
• ​Účinek: Simulace ukazují, že tato strategie může potlačit poruchový proud z 25 kA na 17 kA, s celkovým časem přerušení stabilizovaným do 3 ms.

​Tabulka 1: Kritéria pro aktivaci předpřerušovacího řízení​

1. ​Strategie měkkého uzavření:
• ​Cíl: Řešit potenciální problémy s přepětím a oscilací systému v okamžiku uzavření, bez nutnosti použití dodatečných odporníků a spínačů, což ušetří náklady a prostor.
• ​Logika: Větev pro přerušení proudu je považována za složenou z několika středonapěťových jednotek spojených v sérii. Během uzavření tyto středonapěťové jednotky jsou postupně a kontrolovatelně zapínány, aby se postupně vytvořila cesta. Po každém kroku se provádí detekce poruchy. Pokud žádná porucha není detekována, proces pokračuje, dokud nejsou zapnuty všechny jednotky. Nakonec se uzavře větev pro přenos proudu a větev pro přerušení proudu se vypne. Pokud během procesu dojde k detekci poruchy, uzavření je okamžitě zrušeno.
• ​Aplikovatelnost: Je vhodná pro normální uzavření a automatické znovuuzavření po vyčištění poruchy. Simulace ověřily, že nedochází k přepětí ani oscilacím.

​III. Vývoj prototypu a experimentální ověření​

​(I) Klíčové parametry a struktura prototypu​
Byl vyvinut inženýrský prototyp 500 kV stejnosměrného vypínače s následujícími klíčovými parametry:

• ​Konstrukční návrh:
• ​Větev pro přenos proudu: Protože vede proud po delší dobu, Q1 je vybaveno vodním chlazením a umístěno na dně věžičky ventilů; S1 se skládá z několika sériově spojených vakuumových spínačů, poháněných elektromagnetickým odrazovým mechanismem, a umístěno na vrcholu věžičky ventilů.
• ​Větev pro přerušení proudu: Složena z 10 sériově spojených 50 kV středonapěťových jednotek, nainstalovaných ve 2 věžičkách ventilů (5 vrstev každá). Q2 používá dvojitý paralelní design IGBT, aby splnil kapacitu přerušení. Tato větev nevede proud během normálního provozu, takže není potřeba chlazení, což vede k více elegantnímu návrhu.

​(II) Výsledky experimentálního ověření​
Prototyp podstoupil přísné testy pomocí ekvivalentního experimentálního obvodu (LC oscilačního obvodu):

• ​Čas komutace: Čas převodu proudu z větve pro přenos proudu do větve pro přerušení proudu byl < 300 μs.
• ​Celkový čas přerušení: Od přijetí příkazu k otevření do klesání proudu trvalo asi 2.9 ms, což splňuje návrhový cíl <3 ms.
• ​Dočasné přepětí: Během přerušení bylo vygenerováno dočasné přepětí asi 800 kV, což je v souladu s úrovní ochrany MOV, a bylo kontrolováno a bezpečné.
• ​Závěr: Experimenty úspěšně ověřily proveditelnost, efektivitu a vynikající výkon topologie hybridního vysokonapěťového stejnosměrného vypínače typu měnič.

​IV. Klíčové závěry:

1. Navrhovaná topologie hybridního typu měniče v tomto řešení používá inovativní návrh s diodovým mostem pro dosažení kontroly bidirekčního proudu, snižuje využití IGBT o přibližně 50% v porovnání s tradičními řešeními, což nabízí významné výhody v ekonomické efektivitě a spolehlivosti.
2. Inteligentní předpřerušovací a měkké uzavírací strategie efektivně řeší problémy s prodlevou mechanického spínače a dopadem uzavření, což zlepšuje celkovou dynamickou výkonnost systému.
3. Úspěšný vývoj a testování inženýrského prototypu 500 kV/25 kA plně demonstrovaly inženýrskou proveditelnost a soulad s výkonnostními požadavky tohoto technického přístupu.