Rektifikilo-Tipo Hibrida Alta-Volta DC-Cirkvobreaker Solvo

I. Projekta Fono kaj Analizo de Postuloj​
Kun la pluigo de la energa transiro, la teknologio de fleksebla DC transdonado bazita sur tensource konvertilo (VSC) estas deveninta al esenca solvo por granda skala integriĝo de renovindaj energiofontoj kaj plibonigo de longdistanca kapablo de elektra transdonado, pro siaj avantaĝoj kiel sendependa regado de aktiva kaj reaktiva potenco kaj malalta harmonika enhavo. La konstruado de flekseblaj DC-retoj estas neevitebla tendenco. En ĉi tiu konteksto, alta-voltaj DC-ĉirkaŭbrekoj, kiel kernaj protektaj aparatoj por rapida faltizolo kaj sekurigo de la reta sekureco kaj stabileco, estas tre gravaj. Sen alta-prestaĵaj DC-ĉirkaŭbrekoj, la operacia fleksebleco kaj la fidindeco de elektroprovizo en flekseblaj DC-retoj estus severe limigitaj.

Aktualaj mainstream-altvoltaj DC-ĉirkaŭbrekoteknikoj havas signifajn limigojn:

• ​Mehanikaj Ĉirkaŭbrekoj: Kvankam ili ofertas malaltajn perdojn en ŝtata funkcio kaj altan toleran voltan, ilia interrompa tempo estas de dek milisekundoj, nekontentigante la streĉan postulon pri milisekund-nivela rapida faltizolo en flekseblaj DC-retoj.
• ​Tute Solidaj Stataj Ĉirkaŭbrekoj: Bazitaj sur duondirektaj aparatoj, ili provizas tre rapidan interrompon, sed suferas pro trohaj perdoj en ŝtata funkcio, altaj funkciokostoj kaj malforta ekonomia efikeco.
• ​Tradiciaj Mixtaj Ĉirkaŭbrekoj: Kombinante la malaltajn perdojn de mekanikaj ŝaltiloj kaj la rapidan interrompon de solidaj ŝaltiloj, ilia topologio postulas serian kunligon de IGBT-oj en ambaŭ direktoj, rezultigante malaltan utiligecon de aparatoj, sisteman kompleksecon kaj altajn kostojn.

Por trakti ĉi tiujn teknikajn botenejojn, estas akuta bezono por nova DC-ĉirkaŭbrekosolvo, kiuj kombinas rapidan interrompan kapablon, malaltajn funkcioperdojn, altan ekonomian efikecon kaj altan fidindon.

​II. Solvo: Rektifikil-Tipa Mixta Alta-Voltaj DC-Ĉirkaŭbreko​
Ĉi tiu solvo proponas innovan rektifikil-tipan mixtan alta-voltan DC-ĉirkaŭbrekon, fundamentale traktantan la limigojn de ekzistantaj teknologioj.

​​(I) Kern Teknologio: Inova Ĉirkaŭtopologio​
La topologio de ĉi tiu ĉirkaŭbreko konsistas el paralela konektado de ŝtat-flua branĉo kaj flu-interrupta branĉo.

1. ​Ŝtat-Flua Branĉo:
• ​Komponaĵo: Konsistas el alta-rapida mekanika ŝaltilo (S1) kaj ŝtat-flua valvogrupo (Q1) seriekonektitaj.
• ​Carakteroj: S1 havas tre malaltan kontaktresistancon (nur dek miliomohmoj), kaj Q1 konsistas el malplena kvanto de IGBT-oj kun malalta kondukvoltmalsalto. Dum normala operacio, la norma fluo fluiĝas tra ĉi tiu branĉo, garantante tre malaltajn perdojn en ŝtata funkcio.
2. ​Flu-Interrupta Branĉo:
• ​Komponaĵo: Uzantas pontan rektifikilon, konsistanta el ponta kommuta valvogrupo (D1-D4, formita de plurseriaj diodoj), unudirekta interrupta valvogrupo (Q2, formita de plurseriaj IGBT-oj), kaj nedirekta rezistoro (MOV1, protektilo).
• ​Kerna Avantaĝo: La ponta rektifikila strukturo klare atingas flu-komutadon, ebligante la unudirektan IGBT-interruptan valvogrupon (Q2) interrompi duobla-direkta DC-falfluojn. Kompare kun tradiciaj mixtaj topologioj, la kvanto de IGBT-oj estas reduktita je proksimume duono. Konsiderante ke komercaj prespakaj IGBT-oj kostas proksimume 10 foje pli ol diodoj de sama rango, kaj la redukto de IGBT-oj ankaŭ malpligrandigas la kvanton de akompanantaj drivplankoj, ĉi tiu topologio atingas signifan kostredukton kaj tutan fidindecan plibonigon.

​​(II) Efika Interrumpa Funkcioprinipo​
Prezentante la fluon de Porto 1 al Porto 2 kiel ekzemplo, la interrompa procezo konsistas el kvar stadioj:

1. ​Stadio 1 (t0–t1, Falokazo)​: Okazas mallongcirkvitfalokazo en la linio, kaŭzante rapidan altiĝon de la fluo. Tiam, S1 kaj Q1 estas konduktantaj, Q2 estas fermita, kaj la falofluo tute fluiĝas tra la ŝtat-flua branĉo.
2. ​Stadio 2 (t1–t2, Flu-Tranĉo)​: La kontrolsistema emitas malfermaordon, turnante Q2 on kaj turnante Q1 off. La konduktado de Q2 generas kommutan voltan sur la pontarmo, forigante la fluon de la ŝtat-flua branĉo al la flu-interrupta branĉo (vojo: D1 → Q2 → D4).
3. ​Stadio 3 (t2–t3, Mekanika Ŝaltilo-Interrupcio)​: Post la tuta tranĉo de la fluo en la ŝtat-flua branĉo, la alta-rapida mekanika ŝaltilo S1 interrompas sub nul-fluo kaj nul-volto kondiĉoj sen arkado, etablante izoladforton.
4. ​Stadio 4 (t3–t4, Faloflu-Elimino)​: Post tuta interrompo de S1, Q2 estas turnita off. La fermado de Q2 generas transan overvolton tra la ĉirkaŭbreko, aktivigante MOV1 por kondukti kaj disigi la falofluon en MOV1 por disipado ĝis la energio estas eschaurita, la fluo falas al nul, kaj la falizolo estas finita.

La interrompa prinipo por inversa fluo estas la sama, gvidita per la diod-ponto (D2, D3) por fluo tra Q2.

​​(III) Intelekta Kontrolstrategio​

1. ​Antaŭ-Interrupa Kontrolstrategio:
• ​Celaro: Por venki la botenejon de la alta proporcio de la alta-rapida mekanika ŝaltilo-apertura tempo (proksimume 2 ms), mallongigi la totalan interrompan tempon, kaj suprimi la pikan falofluon.
• ​Logiko: Per realtempa monitorado de busvolto, liniovolt kaj liniofluo (totalo de 6 kriterioj, kiel montrite en Tablo 1), unufoje iu ajn anormala kriterio estas aktivigita, la antaŭ-interrompa operacio estas iniciatita antaŭtempe (tranĉante la fluon al la flu-interrupta branĉo kaj malfermante S1). Se poste ricevas formalan malfermaordon, la interrompo estas finita; se estas falsa alarmo, la fluo estas retro-tranĉita al la ŝtat-flua branĉo por resumi normalan operacion.
• ​Efektivo: Simuladoj montras, ke ĉi tiu strategio povas suprimi la falofluon de 25 kA al 17 kA, kun la totala interrompa tempo stabiligita ene de 3 ms.

​Tablo 1: Antaŭ-Interrupa Aktiviga Kriterioj​

1. ​Malduroza Ferma Kontrolstrategio:
• ​Celaro: Por trakti la potencialajn overvoltajn kaj sisteman osciladproblemojn en la momento de ferma, sen bezono de aldona rezistoro kaj ŝaltilo, savante kostojn kaj spacon.
• ​Logiko: La flu-interrupta branĉo estas traktata kiel komponita el pluraj mez-voltaj unuoj seriekonektitaj. Dum ferma, ĉi tiuj mez-voltaj unuoj estas sinsekve kaj kontrole turnitaj on por graduale etabli vojon. Post ĉiu paŝo, falokontrolo estas farita. Se neniu falokazo estas detektita, la procezo daŭrigas ĝis ĉiuj unuoj estas turnitaj on. Finfine, la ŝtat-flua branĉo estas fermita, kaj la flu-interrupta branĉo estas turnita off. Se falokazo estas detektita dum la procezo, la ferma estas tuj abrogita.
• ​Adekteco: Adepta por normala ferma kaj aŭtomata rekferma post falokaza elimino. Simuladoj verifikas neniu overvolto aŭ oscilado.

​III. Prototipa Disvolvo kaj Eksperimenta Verigo​

​​(I) Klavparametroj kaj Strukturo de la Prototipo​
Estis disvolvita 500 kV DC-ĉirkaŭbreka inĝeniera prototipo kun la jenaj klavparametroj:

• ​Struktura Desegno:
• ​Ŝtat-Flua Branĉo: Pro longdaŭra fluoportado, Q1 estas equipita kun akvorefresada sistemo kaj lokita je la fundo de la valtturo; S1 konsistas el pluraj vakuumŝaltiloj seriekonektitaj, driviĝantaj per magnet-repulsiva mekanismo, kaj lokita je la supro de la valtturo.
• ​Flu-Interrupta Branĉo: Komponita el 10 seriekonektitaj 50 kV mez-voltaj unuoj, instalitaj en 2 valtturoj (5 stratoj ĉiu). Q2 adoptas duobl-paralelan IGBT-desegnon por kontentigi la interruptan kapablon. Ĉi tiu branĉo ne portas fluon dum normala operacio, do ne bezonas refresadon, rezultigante pli simplan desegnon.

​​(II) Eksperimentaj Verigrezultoj​
La prototipo subis rigoran testadon uzante ekvivalentan eksperimentan cirkvon (LC-oscilanta cirkvo):

• ​Kommuta Tempo: La tempo por flu-tranĉo de la ŝtat-flua branĉo al la flu-interrupta branĉo estis < 300 μs.
• ​Totala Interrompa Tempo: De ricevado de la malfermaordo ĝis la komenco de la fluo-falo, ĝi prenis proksimume 2.9 ms, kontentigante la dezajn-celon de <3 ms.
• ​Transa Overvolto: Okazis momenta overvolto de proksimume 800 kV dum interrompo, konsistenta kun la MOV-protektstufejo, kontrolita kaj sekura.
• ​Konkludo: La eksperimentoj sukcese verigis la eblecon, efikecon kaj excelecan performon de la rektifikil-tipa mixta alta-voltaj DC-ĉirkaŭbreka topologio.

​IV. Kernaj Konkludoj:

1. La proponita rektifikil-tipa mixta topologio en ĉi tiu solvo uzas inovan desegnon kun diod-ponto por atingi duobla-direktan flu-regadon, reduktante la uzon de IGBT-oj proksimume je 50% kompare kun tradiciaj solvoj, oferante signifajn avantaĝojn en ekonomia efikeco kaj fidindeco.
2. La intelektaj antaŭ-interrompa kaj malduroza ferma kontrolstrategioj efike traktas la problemojn de mekanika ŝaltilo-agado malfrueco kaj ferma impakto, plibonigante la tutan dinaman performon de la sistemo.
3. La sukcesa disvolvo kaj testado de la 500 kV/25 kA inĝeniera prototipo plene demontras la inĝenierajn eblecon kaj performon de ĉi tiu teknika propono.