Λύση Συνδυασμένου Υψηλής Τάσης DC Κοπτήρα Διατομευτή Τύπου Ορθογωνίου

I. Φόντο Προγράμματος και Ανάλυση Απαιτήσεων​
Με την εξέλιξη της μετάβασης στην ενέργεια, η τεχνολογία ευέλικτης υψηλής τάσης (VSC) για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας έχει γίνει βασική λύση για την ενσωμάτωση μεγάλης κλίμακας ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την ενίσχυση των δυνατοτήτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, λόγω των πλεονεκτημάτων της όπως η ανεξάρτητη ελεγχού της ενεργού και της ανενεργού ισχύος και η χαμηλή περιεχόμενη σε αρμονικές. Η κατασκευή ευέλικτων DC δικτύων είναι μια αναπόφευκτη τάση. Σε αυτό το πλαίσιο, οι υψηλής τάσης DC στοίχοι αποσυνδοσμού, ως βασικά συστήματα προστασίας για την ταχεία απομόνωση σφαλμάτων και την εγγύηση της ασφάλειας και σταθερότητας του δικτύου, είναι εξαιρετικά σημαντικοί. Χωρίς υψηλότερης απόδοσης DC στοίχια αποσυνδοσμού, η λειτουργική ευελιξία και η αξιοπιστία της παροχής ενέργειας των ευέλικτων DC δικτύων θα περιορίζονταν σοβαρά.

Οι τρέχουσες κυρίαρχες τεχνολογίες υψηλής τάσης DC στοίχων αποσυνδοσμού έχουν σημαντικές περιορισμούς:

• ​Μηχανικά Στοίχια Αποσυνδοσμού: Αν και παρέχουν χαμηλές απώλειες σε κατάσταση ενεργοποίησης και υψηλή αντοχή σε τάση, ο χρόνος διακοπής τους είναι δεκάδες χιλιοστοδευτερόλεπτα, χωρίς να επαρκεί για την αυστηρή απαίτηση ταχείας απομόνωσης σφαλμάτων σε ευέλικτα DC δίκτυα.
• ​Πλήρως Στερεοστατικά Στοίχια Αποσυνδοσμού: Βασισμένα σε συστήματα σεμικόνδων, παρέχουν εξαιρετικά ταχεία διακοπή, αλλά υποφέρουν από υπερβολικές απώλειες σε κατάσταση ενεργοποίησης, υψηλά λειτουργικά κόστη και χαμηλή οικονομική αποδοτικότητα.
• ​Παραδοσιακά Υβριδικά Στοίχια Αποσυνδοσμού: Παρόλο που συνδυάζουν τις χαμηλές απώλειες των μηχανικών στροφών και την ταχεία διακοπή των στερεοστατικών στροφών, η τοπολογία τους απαιτεί σειριακά συνδεδεμένα IGBTs και στις δύο κατευθύνσεις, προκαλώντας χαμηλή αξιοποίηση των συσκευών, πολυπλοκότητα συστήματος και υψηλά κόστη.

Για την αντιμετώπιση αυτών των τεχνικών περιορισμών, υπάρχει άμεση ανάγκη για μια νέα λύση DC στοίχους αποσυνδοσμού που συνδυάζει την ταχεία διακοπή, χαμηλές λειτουργικές απώλειες, υψηλή οικονομική αποδοτικότητα και υψηλή αξιοπιστία.

​II. Λύση: Υβριδικός Υψηλής Τάσης DC Στοίχος Αποσυνδοσμού Τύπου Ορθογωνίου​
Αυτή η λύση προτείνει μια καινοτόμο τοπολογία υβριδικού υψηλής τάσης DC στοίχου αποσυνδοσμού τύπου ορθογωνίου, που αντιμετωπίζει θεμελιωδώς τους περιορισμούς των υφιστάμενων τεχνολογιών.

​​(I) Κύρια Τεχνολογία: Καινοτόμη Τοπολογία Κυκλώματος​
Η τοπολογία αυτού του στοίχειου αποσυνδοσμού αποτελείται από μια συνεχής φορτοφορίας κλάδο και έναν κλάδο διακοπής φορτίου που είναι συνδεδεμένοι παράλληλα.

1. ​Κλάδος Συνεχούς Φορτοφορίας:
• ​Σύνθεση: Συνίσταται από έναν υψηλής ταχύτητας μηχανικό στρόφο (S1) και ένα σύνολο συνεχούς φορτοφορίας (Q1) που είναι συνδεδεμένα σε σειρά.
• ​Χαρακτηριστικά: Ο S1 έχει εξαιρετικά χαμηλή αντίσταση επαφής (μόνο δεκάδες μικροΩ), και το Q1 αποτελείται από μικρό αριθμό IGBTs με χαμηλή πτώση τάσης σε κατάσταση ενεργοποίησης. Κατά την κανονική λειτουργία, ο ρυθμισμένος ρεύματος ρέει μέσα από αυτόν τον κλάδο, εξασφαλίζοντας εξαιρετικά χαμηλές απώλειες σε κατάσταση ενεργοποίησης.
2. ​Κλάδος Διακοπής Φορτίου:
• ​Σύνθεση: Χρησιμοποιεί μια δομή ορθογωνίου, που αποτελείται από ένα σύνολο ορθογωνίου συναλλαγής (D1-D4, σχηματισμένο από πολλαπλά σειριακά συνδεδεμένα διόδους), ένα μονοκατευθυντικό σύνολο διακοπής (Q2, σχηματισμένο από πολλαπλά σειριακά συνδεδεμένα IGBTs) και ένα μη γραμμικό αντίστατο (MOV1, προστατευτικό).
• ​Βασικό Πλεονέκτημα: Η δομή ορθογωνίου επιτυγχάνει έξυπνα τη συναλλαγή του ρεύματος, επιτρέποντας στο μονοκατευθυντικό σύνολο διακοπής IGBT (Q2) να διακόπτει δικτυακά ρεύματα σε δύο κατευθύνσεις. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές υβριδικές τοπολογίες, ο αριθμός των IGBTs μειώνεται περίπου κατά το ήμισυ. Επιπλέον, δεδομένου ότι οι εμπορικοί press-pack IGBTs κοστίζουν περίπου 10 φορές περισσότερο από διόδους ίδιας κατηγορίας, και η μείωση των IGBTs μειώνει επίσης τον αριθμό των συνοδευτικών πλακών οδηγητή, αυτή η τοπολογία επιτυγχάνει σημαντική μείωση του κόστους και βελτίωση της συνολικής αξιοπιστίας.

​​(II) Εφαρμοσμένη Αρχή Ταχείας Διακοπής​
Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την ροή ρεύματος από τον Πόρο 1 στον Πόρο 2, ο διαδικαστικός ταχείας διακοπής αποτελείται από τέσσερις φάσεις:

1. ​Φάση 1 (t0–t1, Έναρξη Σφάλματος)​: Παρουσιάζεται ένα σφάλμα καταστροφής στη γραμμή, που προκαλεί μια απότομη αύξηση του ρεύματος. Σε αυτό το σημείο, οι S1 και Q1 είναι σε κατάσταση ενεργοποίησης, ο Q2 είναι ανενεργός, και το σφάλμα ρέει εντελώς μέσα από τον κλάδο συνεχούς φορτοφορίας.
2. ​Φάση 2 (t1–t2, Μεταφορά Ρεύματος)​: Το σύστημα ελέγχου εκδίδει έναν διακοπτικό ένταξη, ενεργοποιώντας το Q2 και απενεργοποιώντας το Q1. Η ενεργοποίηση του Q2 παράγει μια τάση συναλλαγής στην αντίστροφη γωνία, υποχρεώνοντας το ρεύμα να μεταφέρεται από τον κλάδο συνεχούς φορτοφορίας στον κλάδο διακοπής (διαδρομή: D1 → Q2 → D4).
3. ​Φάση 3 (t2–t3, Διακοπή Μηχανικού Στρόφου)​: Μετά την ολοκλήρωση της μεταφοράς του ρεύματος από τον κλάδο συνεχούς φορτοφορίας, ο υψηλής ταχύτητας μηχανικός στρόφος S1 διακόπτει χωρίς θερμοφωτογενεία, υπό συνθήκες μηδενικού ρεύματος και τάσης, εγκαθιστώντας την αποδοτικότητα της απομόνωσης.
4. ​Φάση 4 (t3–t4, Απομόνωση Σφάλματος)​: Μετά την ολοκλήρωση της διακοπής του S1, το Q2 απενεργοποιείται. Η απενεργοποίηση του Q2 παράγει μια προσωρινή υπερτάση στον στοίχο αποσυνδοσμού, ενεργοποιώντας το MOV1 για την αποδόση του σφάλματος ρεύματος, μέχρις ότου η ενέργεια εξαναλωθεί, το ρεύμα μειωθεί σε μηδέν, και η απομόνωση του σφάλματος ολοκληρωθεί.

Η αρχή ταχείας διακοπής για αντίστροφο ρεύμα είναι η ίδια, υπό την καθοδήγηση του ορθογωνίου (D2, D3) για τη ροή μέσω του Q2.

​​(III) Στρατηγική Ευφυούς Ελέγχου​

1. ​Προ-Διακοπής Στρατηγική Ελέγχου:
• ​Σκοπός: Για να ξεπεράσει το πρόσκομμα της υψηλής αναλογίας του χρόνου ανοίγματος του υψηλής ταχύτητας μηχανικού στρόφου (περίπου 2 ms), να μειώσει τον συνολικό χρόνο διακοπής και να περιορίσει την κορυφαία τιμή του σφάλματος ρεύματος.
• ​Λογική: Μέσω της πραγματικού χρόνου παρακολούθησης της τάσης του πυλώνα, της τάσης της γραμμής και του ρεύματος της γραμμής (συνολικά 6 κριτήρια, όπως φαίνεται στο Πίνακα 1), αμέσως μόλις ενεργοποιηθεί οποιοδήποτε ανωμαλό κριτήριο, η προ-διακοπή ενεργοποιείται προκαταρκτικά (μεταφορά του ρεύματος στον κλάδο διακοπής και ανοίγμα του S1). Εάν ληφθεί μετά ένας επίσημος διακοπτικός ένταξη, η διακοπή ολοκληρώνεται· εάν είναι ένα ψευδής σήμα, το ρεύμα μεταφέρεται πίσω στον κλάδο συνεχούς φορτοφορίας για να συνεχιστεί η κανονική λειτουργία.
• ​Αποτέλεσμα: Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι αυτή η στρατηγική μπορεί να περιορίσει το σφάλμα ρεύματος από 25 kA σε 17 kA, με τον συνολικό χρόνο διακοπής σταθεροποιημένο σε 3 ms.

​Πίνακας 1: Κριτήρια Ενεργοποίησης Προ-Διακοπής​

1. ​Στρατηγική Ελέγχου Μαλακής Έναρξης:
• ​Σκοπός: Για την αντιμετώπιση των πιθανών προβλημάτων υπερτάσεων και ταλαντώσεων συστήματος στη στιγμή της έναρξης, χωρίς την ανάγκη για επιπλέον αντίστατα και στρόφους, εξοικονομώντας κόστος και χώρο.
• ​Λογική: Ο κλάδος διακοπής φορτίου θεωρείται ως συνθέτεται από πολλά μεσαίας τάσης μονάδες σε σειρά. Κατά την έναρξη, αυτές οι μεσαίας τάσης μονάδες ενεργοποιούνται σειριακά και υπό έλεγχο για να εγκαθιδρύσουν σταδιακά μια διαδρομή. Μετά από κάθε βήμα, γίνεται έλεγχος σφάλματος. Εάν δεν ανιχνευθεί σφάλμα, ο διαδικαστικός συνεχίζεται μέχρι να ενεργοποιηθούν όλες οι μονάδες. Τελικά, ο κλάδος συνεχούς φορτοφορίας ενεργοποιείται και ο κλάδος διακοπής φορτίου απενεργοποιείται. Εάν ανιχνευθεί σφάλμα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, η έναρξη ακυρώνεται αμέσως.
• ​Εφαρμοστικότητα: Ικανή για την κανονική έναρξη και την αυτόματη έναρξη μετά την απομόνωση σφάλματος. Οι προσομοιώσεις επαληθεύουν ότι δεν υπάρχουν υπερτάσεις ή ταλαντώσεις.

​III. Ανάπτυξη Πρωτότυπου και Πειραματική Επαλήθευση​

​​(I) Κύρια Παραμέτρους και Δομή του Πρωτότυπου​
Αναπτύχθηκε ένα μηχανικό πρωτότυπο 500 kV DC στοίχου αποσυνδοσμού με τις ακόλουθες κύριες παραμέτρους: