حل قطع کننده جریان مستقیم فشار بالا هیبریدی نوع تصحیح کننده

I. پیش‌زمینه پروژه و تحلیل نیاز​
با گسترش فرآیند انتقال انرژی، تکنولوژی انتقال مستقیم جریان با استفاده از مبدل ولتاژ منبع (VSC) به عنوان راه‌حل کلیدی برای یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ و افزایش قابلیت‌های انتقال برق در فواصل طولانی شناخته شده است، بخاطر مزایایی مانند کنترل مستقل توان فعال و غیرفعال و محتوای هارمونیک کم. ساخت شبکه‌های DC انعطاف‌پذیر یک روند اجتناب‌ناپذیر است. در این زمینه، مداربرها DC با ولتاژ بالا، به عنوان دستگاه‌های حفاظتی اصلی برای جدا کردن سریع خطاهای موقت و تضمین امنیت و ثبات شبکه، بسیار مهم هستند. بدون مداربرهای DC با عملکرد بالا، انعطاف‌پذیری عملیاتی و قابلیت اطمینان تامین برق شبکه‌های DC انعطاف‌پذیر به شدت محدود خواهد شد.

تکنولوژی‌های مداربرهای DC با ولتاژ بالای غالب فعلی محدودیت‌های قابل توجهی دارند:

• ​مداربرهای مکانیکی: اگرچه از ضریب اتلاف پایین و تحمل ولتاژ بالا برخوردار هستند، زمان قطع آن‌ها چند دهم ثانیه است که نمی‌تواند نیازهای سختگیرانه قطع سریع خطاهای موقت در شبکه‌های DC انعطاف‌پذیر را برآورده کند.
• ​مداربرهای تمام جامد: بر اساس دستگاه‌های نیمه‌رسانا، قطع بسیار سریع ارائه می‌دهند اما از ضریب اتلاف بالا، هزینه‌های عملیاتی بالا و کارایی اقتصادی ضعیف رنج می‌برند.
• ​مداربرهای ترکیبی سنتی: اگرچه تلفات پایین مداربرهای مکانیکی و قطع سریع مداربرهای جامد را ترکیب می‌کنند، توپولوژی آن‌ها نیاز به IGBT‌های سری‌متصل در هر دو جهت دارد، که منجر به استفاده کم دستگاه، پیچیدگی سیستم و هزینه‌های بالا می‌شود.

برای رفع این محدودیت‌های تکنولوژیکی، نیاز فوری به راه‌حل جدید مداربر DC است که ترکیبی از قابلیت قطع سریع، ضریب اتلاف کم، کارایی اقتصادی بالا و قابلیت اطمینان بالا را ارائه دهد.

​II. راه‌حل: مداربر DC ترکیبی با ولتاژ بالا از نوع مستقیم‌کننده​
این راه‌حل یک توپولوژی مداربر DC ترکیبی نوآورانه با ولتاژ بالا از نوع مستقیم‌کننده پیشنهاد می‌کند که اساساً محدودیت‌های تکنولوژی‌های موجود را حل می‌کند.

​​(I) تکنولوژی اصلی: توپولوژی مدار نوآورانه​
توپولوژی این مداربر شامل یک شاخه جریان‌رسان و یک شاخه قطع‌کننده جریان متصل به موازات است.

1. ​شاخه جریان‌رسان:
• ​تشکیل: شامل یک کلید مکانیکی سریع (S1) و یک گروه ولوم جریان‌رسان (Q1) متصل به سری.
• ​ویژگی‌ها: S1 دارای مقاومت تماس بسیار کم (فقط چند دهم میکرو-اهم) است و Q1 از تعداد کمی IGBT با فاصله رسانش کم تشکیل شده است. در حالت عادی، جریان اسمی از این شاخه عبور می‌کند و ضریب اتلاف پایین بسیاری را تضمین می‌کند.
2. ​شاخه قطع‌کننده جریان:
• ​تشکیل: از ساختار مستقیم‌کننده پل استفاده می‌کند، شامل یک گروه ولوم مبدل پل (D1-D4، تشکیل شده از چند دیود سری‌متصل)، یک گروه ولوم قطع‌کننده یکطرفه (Q2، تشکیل شده از چند IGBT سری‌متصل) و یک مقاومت غیرخطی (MOV1، محافظ).
• ​مزیت اصلی: ساختار مستقیم‌کننده پل به طور هوشمندانه جریان را تغییر مسیر می‌دهد، که اجازه می‌دهد گروه ولوم قطع‌کننده یکطرفه IGBT (Q2) جریان‌های خطا DC دوطرفه را قطع کند. در مقایسه با توپولوژی‌های ترکیبی سنتی، تعداد IGBT‌ها تقریباً نصف شده است. با توجه به اینکه IGBT‌های تجاری Press-Pack حدود ۱۰ برابر گران‌تر از دیود‌های هم‌رتبه هستند و کاهش تعداد IGBT‌ها تعداد کارت‌های رانندگی همراه را نیز کاهش می‌دهد، این توپولوژی به کاهش هزینه‌های قابل توجه و بهبود کلی قابلیت اطمینان می‌انجامد.

​​(II) اصول کار قطع سریع​
به عنوان مثال، جریان از پرتال ۱ به پرتال ۲، فرآیند قطع شامل چهار مرحله است:

1. ​مرحله ۱ (t0–t1، وقوع خطا)​: خطا کوتاه‌مداری روی خط رخ می‌دهد که باعث افزایش سریع جریان می‌شود. در این زمان، S1 و Q1 در حالت رسانا هستند، Q2 خاموش است و جریان خطا کاملاً از شاخه جریان‌رسان عبور می‌کند.
2. ​مرحله ۲ (t1–t2، انتقال جریان)​: سیستم کنترل دستور باز شدن صادر می‌کند، Q2 روشن می‌شود و Q1 خاموش می‌شود. رسانایی Q2 ولتاژ مبدل پل را تولید می‌کند که جریان را مجبور می‌کند از شاخه جریان‌رسان به شاخه قطع‌کننده جریان (مسیر: D1 → Q2 → D4) منتقل شود.
3. ​مرحله ۳ (t2–t3، قطع کلید مکانیکی)​: پس از انتقال کامل جریان از شاخه جریان‌رسان، کلید مکانیکی سریع S1 تحت شرایط بدون جریان و بدون ولتاژ قطع می‌شود بدون ایجاد قوس الکتریکی و قدرت عایق‌بندی را برقرار می‌کند.
4. ​مرحله ۴ (t3–t4، پاکسازی جریان خطا)​: پس از قطع کامل S1، Q2 خاموش می‌شود. خاموش شدن Q2 ولتاژ موقتی بالا روی مداربر ایجاد می‌کند که MOV1 را موجب رسانایی می‌کند و جریان خطا را به MOV1 هدایت می‌کند تا انرژی از بین برود، جریان به صفر برسد و جدا کردن خطا کامل شود.

اصول کار قطع برای جریان معکوس مشابه است، که با راهنمایی پل دیود (D2, D3) از Q2 عبور می‌کند.

​​(III) استراتژی کنترل هوشمند​

1. ​استراتژی کنترل قبل از قطع:
• ​هدف: برای رفع محدودیت زمان باز شدن بالا کلید مکانیکی سریع (حدود ۲ میلی‌ثانیه)، کاهش زمان کل قطع و سرکوب جریان خطا در نقطه بحرانی.
• ​منطق: با نظارت زنده بر ولتاژ شین، ولتاژ خط و جریان خط (مجموعاً ۶ معیار، مانند جدول ۱)، هر زمان که هر معیار ناهماهنگی رخ دهد، عملیات قبل از قطع به صورت پیش‌بینی شده (انتقال جریان به شاخه قطع‌کننده جریان و باز کردن S1) آغاز می‌شود. اگر دستور باز شدن رسمی دریافت شود، قطع کامل می‌شود؛ اگر این یک هشدار کاذب بود، جریان به شاخه جریان‌رسان برگردانده می‌شود و عملیات عادی ادامه می‌یابد.
• ​اثر: شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که این استراتژی می‌تواند جریان خطا را از ۲۵ kA به ۱۷ kA کاهش دهد و زمان کل قطع در ۳ میلی‌ثانیه ثابت می‌شود.

​جدول ۱: معیارهای فعال‌سازی قبل از قطع​

1. ​استراتژی کنترل بسته شدن نرم:
• ​هدف: برای رسیدگی به مشکلات احتمالی ولتاژ بالای موقتی و نوسان سیستم در لحظه بسته شدن، بدون نیاز به مقاومت‌های اضافی و کلیدها، که هزینه و فضایی را صرفه‌جویی می‌کند.
• ​منطق: شاخه قطع‌کننده جریان به عنوان تشکیل شده از چند واحد ولتاژ متوسط متصل به سری در نظر گرفته می‌شود. در زمان بسته شدن، این واحدهای ولتاژ متوسط به صورت متوالی و کنترل‌شده روشن می‌شوند تا مسیری را به تدریج برقرار کنند. پس از هر مرحله، آزمایش خطای انجام می‌شود. اگر هیچ خطایی شناسایی نشود، فرآیند ادامه می‌یابد تا تمام واحدها روشن شوند. در نهایت، شاخه جریان‌رسان بسته می‌شود و شاخه قطع‌کننده جریان خاموش می‌شود. اگر در طول فرآیند خطایی شناسایی شود، بسته شدن فوراً متوقف می‌شود.
• ​قابلیت استفاده: مناسب برای بسته شدن عادی و بازبستن خودکار پس از پاکسازی خطا. شبیه‌سازی‌ها تأیید می‌کنند که هیچ ولتاژ بالای موقتی یا نوسان وجود ندارد.

​III. توسعه پروتوتایپ و تأیید آزمایشی​

​​(I) پارامترهای کلیدی و ساختار پروتوتایپ​
یک پروتوتایپ مهندسی مداربر DC با ولتاژ ۵۰۰ kV توسعه یافته است با پارامترهای کلیدی زیر:

• ​طراحی ساختاری:
• ​شاخه جریان‌رسان: چون جریان را برای مدت طولانی می‌رساند، Q1 با سیستم خنک‌کننده آب مجهز شده و در پایین برج ولوم قرار دارد؛ S1 شامل چندین کلید خلاء در سری است که توسط مکانیسم دفع الکترومغناطیسی متحرک می‌شود و در بالای برج ولوم قرار دارد.
• ​شاخه قطع‌کننده جریان: شامل ۱۰ واحد ولتاژ متوسط سری‌متصل ۵۰ kV، نصب شده در ۲ برج ولوم (۵ لایه در هر برج). Q2 از طراحی IGBT دوبله‌ای برای برآورده کردن ظرفیت قطع استفاده می‌کند. این شاخه در حالت عادی جریانی نمی‌رساند، بنابراین نیازی به خنک‌کننده ندارد و طراحی آن ساده‌تر است.

​​(II) نتایج تأیید آزمایشی​
پروتوتایپ با استفاده از مدار آزمایشی معادل (مدار نوسانی LC) آزمایش شد:

• ​زمان مبدل‌کننده: زمان انتقال جریان از شاخه جریان‌رسان به شاخه قطع‌کننده جریان کمتر از ۳۰۰ میکروثانیه بود.
• ​زمان کل قطع: از دریافت دستور باز شدن تا شروع کاهش جریان حدود ۲.۹ میلی‌ثانیه طول کشید که هدف طراحی کمتر از ۳ میلی‌ثانیه را برآورده می‌کند.
• ​ولتاژ بالای موقتی: ولتاژ بالای موقتی حدود ۸۰۰ kV در طول قطع تولید شد که با سطح حفاظت MOV مطابقت داشت و کنترل و ایمن بود.
• ​نتیجه‌گیری: آزمایش‌ها به طور موفقیت‌آمیزی امکان‌پذیری، موثر بودن و عملکرد عالی توپولوژی مداربر DC ترکیبی با ولتاژ بالا از نوع مستقیم‌کننده را تأیید کردند.

​IV. نتیجه‌گیری‌های اصلی:

1. توپولوژی ترکیبی از نوع مستقیم‌کننده که در این راه‌حل پیشنهاد شده است، با طراحی نوآورانه‌ای با پل دیود برای کنترل جریان دوطرفه، استفاده از IGBT را تقریباً ۵۰٪ کاهش می‌دهد در مقایسه با راه‌حل‌های سنتی و مزایای قابل توجهی در کارایی اقتصادی و قابلیت اطمینان ارائه می‌دهد.
2. استراتژی‌های کنترل هوشمند قبل از قطع و بسته شدن نرم به طور موثر مشکلات تأخیر عملیات کلید مکانیکی و تأثیرات بسته شدن را حل می‌کنند و عملکرد دینامیکی کلی سیستم را افزایش می‌دهند.
3. توسعه و آزمایش موفقیت‌آمیز پروتوتایپ مهندسی ۵۰۰ kV/۲۵ kA به طور کامل امکان‌پذیری مهندسی و سازگاری عملکرد این رویکرد فنی را نشان می‌دهد.