Gleichrichter-Typ Hybrid-Hochspannungs-Gleichstrom-Schaltgerät-Lösung

I. Projektbackground und Anforderungsanalyse​
Mit dem fortschreitenden Energiiewandel ist die flexible Gleichstromübertragungstechnologie basierend auf Spannungsquellen-Umrichtern (VSC) aufgrund ihrer Vorteile wie die unabhängige Steuerung von Wirk- und Blindleistung sowie niedrigen Harmonischen zu einer Schlüssellösung für die großflächige Integration erneuerbarer Energien und die Verbesserung der Leistungsfähigkeit bei langstreckiger Energieübertragung geworden. Der Aufbau flexibler Gleichspannungsnetze ist eine unausweichliche Tendenz. In diesem Kontext sind Hochspannungsgleichstrom-Sicherungen, als Kernschutzeinrichtungen zur schnellen Fehlerisolierung und Gewährleistung der Netzsicherheit und -stabilität, von entscheidender Bedeutung. Ohne hochwertige Gleichstrom-Sicherungen wären die Betriebsflexibilität und die Versorgungssicherheit flexibler Gleichspannungsnetze stark eingeschränkt.

Aktuelle Haupttechnologien für Hochspannungsgleichstrom-Sicherungen haben signifikante Einschränkungen:

• ​Mechanische Sicherungen: Obwohl sie geringe Verluste im geschlossenen Zustand und hohe Spannungsfestigkeit bieten, beträgt ihre Unterbrechungszeit mehrere Millisekunden, was den strengen Anforderungen an millisekundenschnelle Fehlerisolierung in flexiblen Gleichspannungsnetzen nicht gerecht wird.
• ​All-solid-state-Sicherungen: Basierend auf Halbleiterbauelementen bieten sie extrem schnelle Unterbrechung, leiden jedoch unter hohen Verlusten im geschlossenen Zustand, hohen Betriebskosten und schlechter Wirtschaftlichkeit.
• ​Traditionelle hybride Sicherungen: Obwohl sie die geringen Verluste mechanischer Schalter und die schnelle Unterbrechung halbleiterbasierter Schalter kombinieren, erfordert ihre Topologie IGBTs in Serie in beide Richtungen, was zu geringer Bauteilnutzung, Systemkomplexität und hohen Kosten führt.

Um diese technischen Engpässe zu lösen, besteht ein dringender Bedarf an einer neuen Gleichstrom-Sicherungslösung, die schnelle Unterbrechung, geringe Betriebsverluste, hohe Wirtschaftlichkeit und hohe Zuverlässigkeit kombiniert.

​II. Lösung: Rektifizierende hybride Hochspannungsgleichstrom-Sicherung​
Diese Lösung schlägt eine innovative rektifizierende hybride Hochspannungsgleichstrom-Sicherungstopologie vor, die die Einschränkungen bestehender Technologien grundlegend anspricht.

​​(I) Kern-Technologie: Innovativer Schaltkreis​
Die Topologie dieser Sicherung besteht aus einem Stromtragerzweig und einem Stromunterbrecherzweig, die parallel verbunden sind.

1. ​Stromtragerzweig:
• ​Aufbau: Bestehend aus einem Hochgeschwindigkeits-Mechanismusschalter (S1) und einer Stromtragergruppe (Q1), die in Reihe geschaltet sind.
• ​Eigenschaften: S1 hat einen extrem geringen Kontaktwiderstand (nur einige Mikroohm), und Q1 besteht aus wenigen IGBTs mit geringem Durchgangswiderstand. Während des normalen Betriebs fließt der Nennstrom durch diesen Zweig, was extrem geringe Verluste im geschlossenen Zustand sicherstellt.
2. ​Stromunterbrecherzweig:
• ​Aufbau: Er nutzt eine Brückengleichrichterstruktur, bestehend aus einer Brückenkommutationsventilgruppe (D1-D4, gebildet aus mehreren seriell geschalteten Dioden), einer einseitigen Unterbrechungsventilgruppe (Q2, gebildet aus mehreren seriell geschalteten IGBTs) und einem nichtlinearen Widerstand (MOV1, Blitzableiter).
• ​Kernvorteil: Die Brückengleichrichterstruktur erreicht geschickt die Stromkommutation, sodass die einseitige IGBT-Unterbrechungsventilgruppe (Q2) bidirektionale Gleichstromfehlerströme unterbrechen kann. Im Vergleich zu traditionellen hybriden Topologien wird die Anzahl der IGBTs um etwa die Hälfte reduziert. Da kommerzielle Press-Pack-IGBTs etwa zehnmal so teuer sind wie gleichwertige Dioden und die Reduzierung der IGBTs auch die Anzahl der begleitenden Treiberplatinen verringert, erreicht diese Topologie eine signifikante Kostensenkung und eine Verbesserung der Gesamtzuverlässigkeit.

​​(II) Effizientes Unterbrechungsprinzip​
Am Beispiel eines Stromes, der von Anschluss 1 zu Anschluss 2 fließt, besteht der Unterbrechungsprozess aus vier Stufen:

1. ​Stufe 1 (t0–t1, Fehlersituation)​: Ein Kurzschlussfehler tritt in der Leitung auf, was zu einem scharfen Anstieg des Stroms führt. Zu diesem Zeitpunkt sind S1 und Q1 durchlässig, Q2 ist aus, und der Fehlerstrom fließt vollständig durch den Stromtragerzweig.
2. ​Stufe 2 (t1–t2, Stromtransfer)​: Das Steuerungssystem gibt einen Öffnungsbefehl, Q2 wird eingeschaltet und Q1 ausgeschaltet. Die Durchlässigkeit von Q2 erzeugt eine Kommutationspannung am Brückenarm, die den Strom vom Stromtragerzweig zum Stromunterbrecherzweig (Pfad: D1 → Q2 → D4) zwingt.
3. ​Stufe 3 (t2–t3, Mechanische Schalterunterbrechung)​: Nachdem der Strom im Stromtragerzweig vollständig übertragen wurde, unterbricht der Hochgeschwindigkeits-Mechanismusschalter S1 unter Nullstrom- und Nullspannungsbedingungen ohne Bogenbildung, um Isolationsstärke herzustellen.
4. ​Stufe 4 (t3–t4, Fehlerstromabschaltung)​: Nach der vollständigen Unterbrechung von S1 wird Q2 ausgeschaltet. Das Ausschalten von Q2 erzeugt eine transiente Überspannung über dem Schutzgerät, was MOV1 aktiviert und den Fehlerstrom in MOV1 ableitet, bis die Energie erschöpft, der Strom auf Null fällt und die Fehlerisolierung abgeschlossen ist.

Das Unterbrechungsprinzip für den Rückstrom ist das gleiche, geleitet durch die Diodenbrücke (D2, D3) fließt der Strom durch Q2.

​​(III) Intelligente Steuerungsstrategie​

1. ​Vorunterbrechungssteuerungsstrategie:
• ​Zweck: Um die Engpasssituation der hohen Anteilszeit des Hochgeschwindigkeits-Mechanismusschalters (ca. 2 ms) zu überwinden, die gesamte Unterbrechungszeit zu verkürzen und den Spitzenfehlerstrom zu drosseln.
• ​Logik: Durch die Echtzeitüberwachung der Busspannung, Leitungsspannung und Leitungsstrom (insgesamt 6 Kriterien, siehe Tabelle 1) wird, sobald ein beliebiges Abnormalkriterium ausgelöst wird, die Vorunterbrechungsoperation im Voraus eingeleitet (Stromtransfer zum Stromunterbrecherzweig und Öffnen von S1). Wenn anschließend ein formeller Öffnungsbefehl erhalten wird, wird die Unterbrechung abgeschlossen; wenn es sich um eine Fehlmeldung handelt, wird der Strom zurück zum Stromtragerzweig transferiert, um den normalen Betrieb fortzusetzen.
• ​Effekt: Simulationen zeigen, dass diese Strategie den Fehlerstrom von 25 kA auf 17 kA drosseln und die gesamte Unterbrechungszeit innerhalb von 3 ms stabilisieren kann.

​Tabelle 1: Aktivierungskriterien für die Vorunterbrechung​

1. ​Weichschließungssteuerungsstrategie:
• ​Zweck: Um mögliche Überspannungen und Systemoszillationen beim Schließen zu vermeiden, ohne zusätzliche Widerstände und Schalter zu benötigen, was Kosten und Platz spart.
• ​Logik: Der Stromunterbrecherzweig wird als aus mehreren mittelspannungsmäßigen Einheiten in Serie zusammengesetzt behandelt. Beim Schließen werden diese mittelspannungsmäßigen Einheiten nacheinander und steuerbar eingeschaltet, um den Pfad schrittweise herzustellen. Nach jedem Schritt wird eine Fehlererkennung durchgeführt. Falls kein Fehler erkannt wird, setzt sich der Prozess fort, bis alle Einheiten eingeschaltet sind. Schließlich wird der Stromtragerzweig geschlossen und der Stromunterbrecherzweig ausgeschaltet. Falls während des Prozesses ein Fehler erkannt wird, wird das Schließen sofort abgebrochen.
• ​Anwendbarkeit: Geeignet für normales Schließen und automatisches Wiederschließen nach Fehlerbereinigung. Simulationen bestätigen, dass keine Überspannungen oder Oszillationen auftreten.

​III. Prototypenentwicklung und experimentelle Verifizierung​

​​(I) Schlüsselparameter und Struktur des Prototyps​
Ein Ingenieurprototyp für eine 500 kV Gleichstrom-Sicherung wurde entwickelt mit den folgenden Schlüsselparametern:

• ​Strukturelle Auslegung:
• ​Stromtragerzweig: Da er den Strom über längere Zeiträume trägt, ist Q1 mit einem Wasserkühlsystem ausgestattet und am unteren Ende des Ventilturms platziert; S1 besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Vakuumschaltern, die von einem elektromagnetischen Repulsionsmechanismus angetrieben werden, und am oberen Ende des Ventilturms platziert.
• ​Stromunterbrecherzweig: Bestehend aus 10 in Reihe geschalteten 50 kV mittelspannungsmäßigen Einheiten, die in 2 Ventiltürmen (je 5 Ebenen) installiert sind. Q2 verwendet ein dual-paralleles IGBT-Design, um die Unterbrechungskapazität zu erfüllen. Dieser Zweig trägt während des normalen Betriebs keinen Strom, sodass keine Kühlung erforderlich ist, was zu einem schlankeren Design führt.

​​(II) Ergebnisse der experimentellen Verifizierung​
Der Prototyp wurde mit einem äquivalenten Experimentalschaltkreis (LC-Schwingkreis) gründlich getestet:

• ​Kommutationszeit: Die Zeit für den Stromtransfer vom Stromtragerzweig zum Stromunterbrecherzweig betrug < 300 μs.
• ​Gesamte Unterbrechungszeit: Von der Erhaltung des Öffnungsbefehls bis zum Beginn des Stromabfalls dauerte es etwa 2,9 ms, was dem Entwurfziel von <3 ms entspricht.
• ​Transiente Überspannung: Eine momentane Überspannung von etwa 800 kV wurde während der Unterbrechung generiert, was mit der MOV-Schutzstufe übereinstimmt und kontrolliert und sicher war.
• ​Fazit: Die Experimente bestätigten erfolgreich die Machbarkeit, Wirksamkeit und exzellente Leistung der rektifizierenden hybriden Hochspannungsgleichstrom-Sicherungstopologie.

​IV. Kernfazite:

1. Die vorgeschlagene rektifizierende hybride Topologie verwendet eine innovative Auslegung mit einer Diodenbrücke, um die bidirektionale Stromsteuerung zu erreichen, reduziert den Einsatz von IGBTs im Vergleich zu traditionellen Lösungen um etwa 50% und bietet signifikante Vorteile in Bezug auf Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit.
2. Die intelligenten Vorunterbrechungs- und Weichschließungssteuerungsstrategien lösen effektiv die Probleme der Verzögerung der mechanischen Schalteraktion und des Schließimpakts, was die Gesamtdynamikleistung des Systems verbessert.
3. Die erfolgreiche Entwicklung und Testung des 500 kV/25 kA-Ingenieurprototyps demonstriert vollständig die technische Machbarkeit und Leistungsübereinstimmung dieses Ansatzes.