Løsning for hybrid højspændings DC-kredsløbsbryder af rektifier-type

I. Projektbaggrund og behovsanalyse​
Med den dybere fremskridt i energiovergangen, har spændingskildekonverter (VSC)-baseret fleksibel DC-transmissionsteknologi blevet en nøglesolution for integration af store mængder vedvarende energi og forbedring af langdistances transmissionsevne, på grund af dens fordele som uafhængig kontrol af aktiv og reaktiv effekt samt lav harmonisk indhold. Opbygningen af fleksible DC-net er en uundgåelig tendens. I denne sammenhæng er højspændnings DC-kredsløbsbrydere, som kernenbeskyttelsesenheder for hurtig fejlisolering og sikring af netets sikkerhed og stabilitet, yderst vigtige. Uden højtydende DC-kredsløbsbrydere ville driftsflexibiliteten og strømforsyningssikkerheden i fleksible DC-net være alvorligt begrænset.

Nuværende mainstream højspændnings DC-kredsløbsbryder teknologier har betydelige begrænsninger:

• ​Mekaniske Kredsløbsbrydere: Selvom de tilbyder lave tab under igangværende tilstand og høj spændingstålmodighed, er deres afbrydelsestid tiere af millisekunder, hvilket ikke opfylder det strenge krav om millisekunds-hurtig fejlisolering i fleksible DC-net.
• ​Fuldt Solid-state Kredsløbsbrydere: Baseret på halvlederkomponenter, giver de ekstremt hurtig afbrydelse, men lider af for høje tab under igangværende tilstand, høje driftsomkostninger og dårlig økonomisk effektivitet.
• ​Traditionelle Hybrid Kredsløbsbrydere: Selvom de kombinerer de lave tab fra mekaniske skifter og den hurtige afbrydelse fra fasttilstands-skifter, kræver deres topologi serieforbindte IGBT'er i både frem- og baglæns retning, hvilket resulterer i lav enhedsudnyttelse, systemkompleksitet og høje omkostninger.

Til at imødegå disse tekniske flaskehalse er der brug for en ny DC-kredsløbsbrydersolution, der kombinerer hurtig afbrydelse, lave driftstab, høj økonomisk effektivitet og høj pålidelighed.

​II. Solution: Rectifier-Type Hybrid High-Voltage DC Circuit Breaker​
Denne løsning foreslår en innovativ rectifier-type hybrid højspændnings DC-kredsløbsbryder topologi, der grundlæggende løser begrænsningerne ved eksisterende teknologier.

​​(I) Kernteknologi: Innovativ Kredsløbstopologi​
Topologien for denne kredsløbsbryder består af en strøm-bærer gren og en strøm-afbrydende gren forbundet parallel.

1. ​Strøm-Bærer Gren:
• ​Sammensætning: Består af en højhastighed mekanisk skifter (S1) og en strøm-bærer ventilsammenstilling (Q1) forbundet i række.
• ​Egenskaber: S1 har en ekstremt lav kontaktmodstand (kun tiere af mikro-ohmer), og Q1 består af et lille antal IGBT'er med lav ledningsfald. Under normal drift flyder den nominale strøm gennem denne gren, hvilket sikrer ekstremt lave tab under igangværende tilstand.
2. ​Strøm-Afbrydende Gren:
• ​Sammensætning: Bruger en bro-rectifier struktur, bestående af en bro-commutation ventilsammenstilling (D1-D4, dannet af flere serieforbundne dioder), en unidirektionel afbrydelsesventilsammenstilling (Q2, dannet af flere serieforbundne IGBT'er) og en ikke-lineær resistor (MOV1, lynfanger).
• ​Kernefordel: Bro-rectifier strukturen klart opnår strøm commutation, hvilket gør det muligt for den unidirektionelle IGBT afbrydelsesventilsammenstilling (Q2) at afbryde bidirektionel DC-fejlstrøm. I forhold til traditionelle hybride topologier er antallet af IGBT'er reduceret med cirka halvdelen. Eftersom kommercielle press-pack IGBT'er koster ca. 10 gange mere end dioder af samme rating, og reduktionen i IGBT'er også mindsker antallet af tilhørende driverplader, opnår denne topologi betydelig kostnadsreduktion og forbedret overordnet pålidelighed.

​​(II) Effektiv Afbrydelses Arbejdsgang​
Med strøm der flyder fra Port 1 til Port 2 som eksempel, består afbrydelsesprocessen af fire faser:

1. ​Fase 1 (t0–t1, Fejl Optræder)​: En kortslutningsfejl optræder i linjen, hvilket fører til en skarp stigning i strømmen. I dette øjeblik er S1 og Q1 igang, Q2 er slukket, og fejlstrømmen flyder helt igennem strøm-bærer grenen.
2. ​Fase 2 (t1–t2, Strøm Overførsel)​: Kontrolsystemet udsteder en åbningskommando, tænder Q2 og slukker Q1. Ledningen af Q2 genererer en commutation spænding på broarmen, der tvinger strømmen til at overføre sig fra strøm-bærer grenen til strøm-afbrydende grenen (sti: D1 → Q2 → D4).
3. ​Fase 3 (t2–t3, Mekanisk Skifter Afbrydelse)​: Efter at strømmen i strøm-bærer grenen er fuldstændigt overført, afbryder den højhastighed mekaniske skifter S1 under nul-strøm og nul-spænding forhold uden bue, og etablerer isolationsstyrke.
4. ​Fase 4 (t3–t4, Fejlstrøm Klaring)​: Efter at S1 er fuldstændigt afbrudt, slukkes Q2. Slukningen af Q2 genererer en midlertidig overspænding over kredsløbsbryderen, som aktiverer MOV1 til at lede fejlstrømmen ind i MOV1 for at dissipere indtil energien er udtømt, strømmen falder til nul, og fejlisoleringen er fuldført.

Afbrydelsesprincippet for omvendt strøm er det samme, vejledt af diodebroen (D2, D3) til at flyde gennem Q2.

​​(III) Intelligent Kontrol Strategi​

1. ​For-afbrydelse Kontrol Strategi:
• ​Formål: At overvinde flaskenhalsproblemet med den høje andel af højhastighed mekanisk skifter åbningstid (ca. 2 ms), forkorte den samlede afbrydelsestid og dæmpe peak fejlstrøm.
• ​Logik: Ved realtid overvågning af bus spænding, linje spænding og linje strøm (i alt 6 kriterier, som vist i Tabel 1), når ethvert anomal kriterium udløses, initieres for-afbrydelse operationen i forhånd (overførsel af strøm til strøm-afbrydende grenen og åbning af S1). Hvis en formel åbningskommando modtages derefter, er afbrydelsen fuldført; hvis det er en falsk alarm, overføres strømmen tilbage til strøm-bærer grenen for at genoptage normal drift.
• ​Effekt: Simulationer viser, at denne strategi kan dæmpe fejlstrømmen fra 25 kA til 17 kA, med den samlede afbrydelsestid stabiliseret inden for 3 ms.

​Tabel 1: For-afbrydelse Aktivering Kriterier​

1. ​Soft Lukning Kontrol Strategi:
• ​Formål: At adressere potentielle overspændinger og systemsvingninger i øjeblikket af lukning, uden behov for yderligere resistorer og skiftere, hvilket sparer omkostninger og plads.
• ​Logik: Strøm-afbrydende grenen behandles som sammensat af flere medium-spændings enheder forbundet i række. Under lukning aktiveres disse medium-spændings enheder sekventielt og kontrolleret for at gradvist etablere en sti. Efter hvert trin udføres fejlregistrering. Hvis ingen fejl registreres, fortsættes processen indtil alle enheder er aktiveret. Til sidst lukkes strøm-bærer grenen, og strøm-afbrydende grenen slukkes. Hvis en fejl registreres under processen, annulleres lukningen øjeblikkeligt.
• ​Anvendelighed: Egnet til normal lukning og automatisk genlukning efter fejlklaring. Simulationer bekræfter ingen overspændinger eller svingninger.

​III. Prototypudvikling og Eksperimentel Verifikation​

​​(I) Nøgleparametre og Struktur af Prototypen​
En 500 kV DC-kredsløbsbryder ingeniørprototyp blev udviklet med følgende nøgleparametre:

• ​Struktur Design:
• ​Strøm-Bærer Gren: Da den bærer strøm i lang tid, er Q1 udstyret med en vandkølingssystem og placeret nederst i ventiltårnet; S1 består af flere vakuumskifter i række, drevet af en elektromagnetisk afstødelsesmekanisme, og placeret øverst i ventiltårnet.
• ​Strøm-Afbrydende Gren: Består af 10 serieforbundne 50 kV medium-spændings enheder, installeret i 2 ventiltårne (5 lag hver). Q2 anvender en dobbelt-parallelt IGBT design for at opfylde afbrydelseskraft. Denne gren bærer ingen strøm under normal drift, så ingen køling er nødvendig, hvilket resulterer i et mere strømlinet design.

​​(II) Eksperimentel Verifikation Resultater​
Prototypen blev udsat for strenge tester ved hjælp af en ækvivalent eksperimentel kredsløb (LC oscillerende kredsløb):

• ​Commutation Tid: Tiden for strøm overførsel fra strøm-bærer grenen til strøm-afbrydende grenen var < 300 μs.
• ​Total Afbrydelsestid: Fra modtagelse af åbningskommandoen til strømmen begynder at falde, tog det ca. 2.9 ms, hvilket opfylder designmålet på <3 ms.
• ​Midlertidig Overspænding: En øjeblikkelig overspænding på ca. 800 kV blev genereret under afbrydelsen, som er i overensstemmelse med MOV beskyttelsesniveau, kontrolleret og sikker.
• ​Konklusion: Eksperimenterne bekræftede succesfuldt可行性：实验成功验证了整流型混合高压直流断路器拓扑的可行性、有效性和卓越性能。 请注意，最后一句话在翻译时被遗漏了。以下是完整的翻译：

  ​IV. 核心结论：

  1. 本方案提出的整流型混合拓扑采用创新设计，利用二极管桥实现双向电流控制，相比传统解决方案减少约50%的IGBT使用量，在经济性和可靠性方面具有显著优势。
  2. 智能预中断和软闭合控制策略有效解决了机械开关动作延迟和闭合冲击问题，提升了系统的整体动态性能。
  3. 500 kV/25 kA工程样机的成功开发和测试充分展示了该技术路线的工程可行性和性能符合性。
  翻译为丹麦语（da_DK）如下：

  ​IV. Kernekonklusioner:

  1. Den rectifier-type hybrid topologi, der foreslås i denne løsning, anvender en innovativ design med en diodebro for at opnå tovejs strøm kontrol, hvilket reducerer IGBT-forbruget med cirka 50% i forhold til traditionelle løsninger, og tilbyder betydelige fordele i henseende til økonomisk effektivitet og pålidelighed.
  2. De intelligente for-afbrydelse og soft-lukning kontrolstrategier løser effektivt problemer med mekaniske skifteres handlingstid og lukningens indflydelse, og forbedrer systemets overordnede dynamiske præstation.
  3. Den succesfulde udvikling og test af den 500 kV/25 kA ingeniørprototyp demonstrerer fuldt ud den tekniske tilgangs ingeniørtekniske gennemførlighed og præstationsoverensstemmelse.