Täistegurliku hübriidkõrgharjulise DC lülitikulahendus

I. Projekti taust ja nõuanded​
Energiaülemineku süvenevas edenemises on joustva DC-vedu tehnoloogia, mis põhineb voltageliidese (VSC) konvertooridel, saanud oluliseks lahenduseks suurte taastuvenergiaallikate integreerimiseks ja pikadistantsi elektrivõrgude võimekuse parandamiseks, kuna see võimaldab aktiivse ja reageeriva jõudluse sõltumatut kontrolli ning madala harmonilise sisalduse. Joustvate DC-võrkude ehitamine on ajalooline trend. Sellisel taustal on kõrgepinge DC-lülitid, mis on kiire vea eraldamise ja võrgu ohutuse ja stabiilsuse tagamise kesksed seadmed, kriitiliselt tähtsad. Ilma kõrgekvaliteediliste DC-lülititeta oleks joustvate DC-võrkude operatsioonilised võimalused ja elektriandmise kindlus tõsises kohal.

Praegused populaarsed kõrgepinge DC-lülitide tehnoloogiad omavad olulist piiranguid:

• ​Mehaanilised lülitid: Kuigi neil on madalad sisse lülitatud kahju ja kõrge vastupidavus, on nende katkestusaeg kümnendte millisekundite ulatuses, mis ei vasta joustvate DC-võrkude rangele nõudmisele millisekundite ulatuses.
• ​Kogu peenmaterjalidega lülitid: Neid kasutatakse semipäringute alusel, mis pakuvad väga kiiret katkestust, kuid need kannatavad ülemäärasest sisse lülitatud kahjude, kõrgete töötingimuste ja madala majandusliku tõhususe all.
• ​Traaditsioonilised hübriidlülitid: Kuigi need kombinivad mehaaniliste lülitete madalaid kahju ja peenmaterjalidega lülitete kiiret katkestust, nõuab nende topoloogia IGBT-de sarivõtet mõlemas suunas, mis viib madala seadme kasutamise, süsteemi keerukuse ja kõrgete kulude tõttu.

Nende tehniliste piirangute lahendamiseks on vaja uut DC-lülitite lahendust, mis kombineerib kiiret katkestusvõimet, madalaid töökulusid, kõrge majandusliku tõhususe ja kõrget usaldusväärsust.

​II. Lahendus: Rektifikaatoril põhinev hübriidiline kõrgepinge DC-lülitid​
See lahendus pakub innovaatilist rektifikaatoril põhinevat hübriidset kõrgepinge DC-lülitid topoloogiat, mis põhjalikult lahendab olemasolevate tehnoloogiate piiranguid.

​​(I) Tugev punkt: Innovatiivne lülitite topoloogia​
Selle lülitite topoloogia koosneb paralleelselt ühendatud vooluvedavast ja voolu katkestavast harust.

1. ​Vooluvedav haru:
• ​Koostisosa: Koosneb kõrghituse mehaanilisest lülitist (S1) ja vooluvedava ventiühikust (Q1), mis on sarivõtet.
• ​Omadused: S1-l on äärmiselt madal kontaktresistents (ainult kümnendte mikroohmid) ja Q1 koosneb vähestest IGBT-detest madala juhinguvoolu langusega. Tavalistes töötingimustes voolab vool läbi selle haru, tagades äärmiselt madalad sisse lülitatud kahjud.
2. ​Voolu katkestav haru:
• ​Koostisosa: Kasutab silindrilise rektifikaator struktuuri, mis koosneb silindrilise kommutatsiooni ventiühikust (D1-D4, mitme sarivõetud dioodiga moodustatud), ühepoolse voolu katkestava ventiühikust (Q2, mitme sarivõetud IGBT-dtega) ja mittelineaarsest vastendist (MOV1, varjapuhast).
• ​Põhipunktid: Silindrilise rektifikaator struktuur saavutab viljakalt voolu kommutatsiooni, lubades ühepoolse IGBT katkestava ventiühiku (Q2) katkestada kahte poolt DC-veavee. Võrreldes traditsiooniliste hübriidsete topoloogiatega, on IGBT-de arv vähendatud umbes poolikult. Arvestades, et kaubanduslikud press-pack IGBT-d maksavad umbes 10 korda rohkem sama tase diodide kui, ja IGBT-de vähendamine vähendab ka nendega kaasnevaid juhitud plaatide arvu, see topoloogia saavutab olulise kulude vähendamise ja üldise usaldusväärsuse parandamise.

​​(II) Efektiivne katkestamise toimimise printsiip​
Voolu, mis voolab portist 1 porti 2, näiteks, katkestamise protsess koosneb neljast etapist:

1. ​Etap 1 (t0–t1, Vea esinemine)​: Liiini esineb lühikese vea, mis põhjustab voolu tõusmist. Sel hetkel on S1 ja Q1 lülitatud, Q2 on välja lülitatud ja veavee voolab täielikult vooluvedavas harus.
2. ​Etap 2 (t1–t2, Voolu ülekandmine)​: Juhtimissüsteem andestab avamiskäsk, lülitab sisse Q2 ja välja Q1. Q2 lülitumine genereerib kommutatsioonispänna silindrilisel käte, sundides voolu ülekandma vooluvedavast harust voolu katkestavasse haru (tee: D1 → Q2 → D4).
3. ​Etap 3 (t2–t3, Mehaanilise lülitja katkestamine)​: Pärast voolu täielikku ülekandmist vooluvedavast harust, katkestab kõrghituse mehaaniline lülitja S1 nullvoolu ja nullspännaga ilma loomuliku elektrita, luues isolatsioonispärgi.
4. ​Etap 4 (t3–t4, Veavee katkestamine)​: Pärast S1 täielikku katkestamist, lülitatakse välja Q2. Q2 väljalülitumine genereerib ajutise ülemaara spänna lülitja kõrval, aktiviseerides MOV1, mis suunab veavee MOV1-sse jaotuma, kuni energia on kinni, vool langeb nullini ja vea eraldamine on lõpetatud.

Katkestamise printsiip vastupidi voolu korral on sama, juhitud diodiliigendilt (D2, D3) voolu läbib Q2.

​​(III) Intelligentsed juhtimisstrateegiad​

1. ​Ennekatkestamise juhtimisstrateegia:
• ​Eesmärk: Ylikata kõrghituse mehaanilise lülitja avamisaega (umbes 2 ms) suure osakaalu piirangu, lühendada kogu katkestamise aega ja takistada veavee tipptaset.
• ​Loogika: Reaalajas jälgides busi spänna, liini spänna ja liini voolu (kokku 6 kriteeriumit, nagu tabel 1), kui mingi abnormalne kriteerium on käivitatud, algatab ennekatkestamise ettevalmistus (voolu ülekandmine voolu katkestavasse haru ja S1 avamine). Kui hiljem saadetakse ametlik avamiskäsk, lõpetatakse katkestamine; kui see on vale alarm, siis vool ülekandatakse tagasi vooluvedavasse haru normaalseks tööks.
• ​Mõju: Simulatsioonid näitavad, et see strateegia saab takistada veaveetaset 25 kA-st 17 kA-le, kogu katkestamise aeg stabiliseeritakse 3 ms-i piires.

​Tabel 1: Ennekatkestamise aktiveerimise kriteeriumid​

1. ​Mullikatkemise juhtimisstrateegia:
• ​Eesmärk: Lahendada potentsiaalsed ülemaara spänna ja süsteemi nutmise probleeme sulgemise hetkel, ilma lisalistele vastenditele ja lülitjatele vajalikuta, säästes kulud ja ruumi.
• ​Loogika: Voolu katkestav haru käsitletakse mitme keskpinge ühikute sarivõtmisena. Sulgemisel, need keskpinge ühikud lülitatakse järjest ja kontrollitult, et järk-järgult luua tee. Iga samm järel, teostatakse veade tuvastamine. Kui vigu ei tuvastata, siis protsess jätkub kuni kõik ühikud on sisse lülitatud. Lõpuks, vooluvedav haru sulgeb, ja voolu katkestav haru lülitatakse välja. Kui protsessi käigus tuvastatakse viga, siis sulgemine lõpetatakse kohe.
• ​Sobivus: Sobib tavaliseks sulgemiseks ja automaatseks uuesti sulgemiseks pärast vea kõrvaldamist. Simulatsioonid kinnitavad, et ülemaara spänna ja nutmist ei tekita.

​III. Prototüübi arendamine ja eksperimentaarne kinnitamine​

​​(I) Prototüübi põhiline parameeter ja struktuur​
Arendati 500 kV DC-lülitite inseneri prototüüp järgmiste põhiliste parameetritega:

• ​Konstruktsioonilised disain:
• ​Vooluvedav haru: Kuna see vedab voolu pikka aega, on Q1 varustatud veekülmimissüsteemiga ja asetatud valvijatorni allapoole; S1 koosneb mitmest vakuumlülitjast sarivõtet, juhitav elektromagnetilise repulsioonimehhanismi abil, ja asetatud valvijatorni ülemisele poolele.
• ​Voolu katkestav haru: Koosneb 10 sarivõtet 50 kV keskpinge ühikutest, paigutatud 2 valvijatornis (5 kihti igas). Q2 kasutab kaheparalleelse IGBT disaini, et rahuldada katkestamise kapasitati. See haru ei vedanud voolu tavalistes töötingimustes, nii et külmimine ei ole vajalik, tulemuseks on lihtsam disain.

​​(II) Eksperimentaarne kinnitamise tulemused​
Prototüüp läbiti rangelist testimist ekvivalentse eksperimentaalse tsirkuiti (LC-näideldes tsirkuiti) kasutades:

• ​Kommutatsiooniaeg: Voolu ülekandmine vooluvedavast harust voolu katkestavasse haru oli < 300 μs.
• ​Kogu katkestamise aeg: Avamiskäsu vastuvõtmisest voolu algava languseks võttis umbes 2.9 ms, vastavalt disaini eesmärgile <3 ms.
• ​Ajutine ülemaara spänna: Katkestamise käigus tekkis umbes 800 kV ajutine ülemaara spänna, mis vastab MOV kaitse taseme, kontrollitud ja turvaline.
• ​Järeldus: Eksperimendid edukalt kinnitasid rektifikaatoril põhineva hübriidilise kõrgepinge DC-lülitite topoloogia võimalikkuse, tõhususe ja suurepärase jõudluse.

​IV. Põhiline järeldused:

1. Rektifikaatoril põhineva hübriidilise topoloogia, mis selles lahenduses pakutakse, kasutab innovatiivset disaini, mis kasutab diodiliigendit, et saavutada kahepoolne voolu kontroll, vähendades IGBT-de arvu umbes 50% võrreldes traditsiooniliste lahendustega, pakkudes olulist majanduslikku tõhusust ja usaldusväärsust.
2. Intelligentne ennekatkestamise ja mullikatkemise juhtimisstrateegia tõhusalt lahendab mehaaniliste lülitjate tegemise viivitust ja sulgemise mõju, parandades süsteemi kogu dünaamilist jõudlust.
3. 500 kV/25 kA inseneri prototüübi edukas arendamine ja testimine täielikult kinnitab selle tehnilise lähenemise inseneri võimalikkuse ja jõudluse vastavust.