حل قطع کننده جریان مستقیم با فشار بالا هیبریدی نوع تصحیح کننده

I. زمینه پروژه و تحلیل نیاز​
با پیشرفت عمیق در انتقال انرژی، فناوری انتقال مستقیم جریان (DC) انعطاف‌پذیر مبتنی بر مبدل ولتاژ منبع (VSC) به دلیل مزایایی مانند کنترل مستقل قدرت فعال و غیرفعال و محتوای هارمونیک پایین، به یک راه‌حل کلیدی برای یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ و افزایش توان انتقال الکتریکی در فاصله‌های دور تبدیل شده است. ساخت شبکه‌های DC انعطاف‌پذیر یک روند اجتناب‌ناپذیر است. در این زمینه، قطعک‌های DC با ولتاژ بالا به عنوان دستگاه‌های حفاظتی اصلی برای جداسازی سریع خطا و تضمین امنیت و ثبات شبکه بسیار مهم هستند. بدون قطعک‌های DC با عملکرد بالا، انعطاف‌پذیری عملیاتی و قابلیت اطمینان تأمین انرژی شبکه‌های DC انعطاف‌پذیر به طور جدی محدود خواهد شد.

فناوری‌های قطعک DC با ولتاژ بالای غالب در حال حاضر محدودیت‌های قابل توجهی دارند:

• ​قطعک‌های مکانیکی: اگرچه دارای ضریب اتلاف کم و تحمل ولتاژ بالا هستند، زمان قطع آنها چند ده میلی‌ثانیه است که نمی‌تواند نیاز سختگیرانه جداسازی سریع خطا در شبکه‌های DC انعطاف‌پذیر را برآورده کند.
• ​قطعک‌های همه‌جامد: بر اساس دستگاه‌های نیمه‌رسانا، آنها قطع بسیار سریع ارائه می‌دهند اما دارای اتلاف زیاد در حالت روشن، هزینه‌های عملیاتی بالا و کارایی اقتصادی ضعیف هستند.
• ​قطعک‌های ترکیبی سنتی: اگرچه ترکیبی از اتلاف کم قطعک‌های مکانیکی و قطع سریع قطعک‌های جامد را ارائه می‌دهند، توپولوژی آنها نیاز به IGBT‌های سری‌شده در هر دو جهت دارد که منجر به کم استفاده از دستگاه‌ها، پیچیدگی سیستم و هزینه‌های بالا می‌شود.

برای حل این موانع فنی، به یک راه‌حل جدید قطعک DC که ترکیبی از قابلیت قطع سریع، اتلاف عملیاتی کم، کارایی اقتصادی بالا و قابلیت اعتماد بالا را ارائه دهد، نیاز فوری وجود دارد.

​II. راه‌حل: قطعک DC ترکیبی با ولتاژ بالا نوع مستقیم‌کننده​
این راه‌حل یک توپولوژی جدید قطعک DC ترکیبی با ولتاژ بالا نوع مستقیم‌کننده را پیشنهاد می‌کند که اساساً محدودیت‌های فناوری‌های موجود را حل می‌کند.

​​(I) فناوری اصلی: توپولوژی مدار نوآورانه​
توپولوژی این قطعک شامل یک شاخه حمل جریان و یک شاخه قطع جریان متصل به صورت موازی است.

1. ​شاخه حمل جریان:
• ​تشکیل: شامل یک قطعک مکانیکی سرعت بالا (S1) و یک گروه شیر حمل جریان (Q1) متصل به صورت سری است.
• ​ویژگی‌ها: S1 دارای مقاومت تماس بسیار کم (فقط چند ده میکروهم) است و Q1 شامل تعداد کمی IGBT با افت ولتاژ رسانایی کم است. در حالت عادی، جریان اسمی از طریق این شاخه می‌گذرد که اتلاف کم در حالت روشن را تضمین می‌کند.
2. ​شاخه قطع جریان:
• ​تشکیل: از ساختار مستقیم‌کننده پل استفاده می‌کند که شامل یک گروه شیر تبدیل پل (D1-D4، تشکیل شده از دیودهای سری‌شده)، یک گروه شیر قطع یک‌طرفه (Q2، تشکیل شده از IGBT‌های سری‌شده) و یک مقاومت غیرخطی (MOV1، محافظ) است.
• ​مزیت اصلی: ساختار مستقیم‌کننده پل به طور هوشمندانه تبدیل جریان را انجام می‌دهد که به گروه شیر قطع یک‌طرفه (Q2) اجازه می‌دهد تا جریان‌های خطا DC دوطرفه را قطع کند. در مقایسه با توپولوژی‌های ترکیبی سنتی، تعداد IGBT‌ها تقریباً نصف می‌شود. با توجه به اینکه IGBT‌های press-pack تجاری حدود ۱۰ برابر گران‌تر از دیودهای هم‌رتبه هستند و کاهش IGBT‌ها همچنین تعداد کارت‌های درایور همراه را کاهش می‌دهد، این توپولوژی کاهش هزینه قابل توجهی و بهبود کلی قابلیت اعتماد را ارائه می‌دهد.

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

1. ​مرحله ۱ (t0–t1، وقوع خطا)​: خطای کوتاه‌مداری در 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 طریق شاخه حمل جریان می‌گذرد.
2. ​مرحله ۲ (t1–t2، انتقال جریان)​: سیستم کنترل دستور باز شدن صادر می‌کند، Q2 روشن و Q1 خاموش می‌شود. رسانایی Q2 ولتاژ تبدیل را در بازوی پل ایجاد می‌کند که باعث می‌شود جریان از شاخه حمل جریان به شاخه قطع جریان (مسیر: D1 → Q2 → D4) منتقل شود.
3. ​مرحله ۳ (t2–t3، قطع قطعک مکانیکی)​: پس از انتقال کامل جریان از شاخه حمل جریان، قطعک مکانیکی سرعت بالا S1 تحت شرایط بدون جریان و ولتاژ قطع می‌شود بدون ایجاد آرک، قدرت عایق را ایجاد می‌کند.
4. ​مرحله ۴ (t3–t4، پاکسازی جریان خطا)​: پس از قطع کامل S1، Q2 خاموش می‌شود. خاموش شدن Q2 ولتاژ فراگیر موقتی در دو طرف قطعک ایجاد می‌کند که MOV1 را روشن می‌کند و جریان خطا را به MOV1 هدایت می‌کند تا انرژی به طور کامل مصرف شود، جریان به صفر می‌رسد و جداسازی خطا کامل می‌شود.

اصل کار قطع برای جریان معکوس مشابه است، با راهنمایی پل دیود (D2, D3) جریان از طریق Q2 می‌گذرد.

​​(III) استراتژی کنترل هوشمند​

1. ​استراتژی کنترل قبل از قطع:
• ​هدف: برای غلبه بر گلوگاه زمان باز شدن بالای قطعک مکانیکی سرعت بالا (حدود ۲ میلی‌ثانیه)، کاهش زمان کل قطع و کاهش جریان خطا.
• ​منطق: با نظارت زنده بر ولتاژ بار، ولتاژ خط و جریان خط (کل ۶ معیار، همانطور که در جدول ۱ نشان داده شده)، هرگاه هر معیار ناهماهنگی فعال شود، عملیات قبل از قطع به صورت پیش‌دستانه (انتقال جریان به شاخه قطع جریان و باز کردن S1) آغاز می‌شود. اگر دستور باز شدن رسمی دریافت شود، قطع کامل می‌شود؛ اگر این یک هشدار نادرست بود، جریان به شاخه حمل جریان باز می‌گردد تا عملیات عادی ادامه یابد.
• ​اثر: شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که این استراتژی می‌تواند جریان خطا را از ۲۵ kA به ۱۷ kA کاهش دهد و زمان کل قطع را در ۳ میلی‌ثانیه ثابت نگه دارد.

​جدول ۱: معیارهای فعال‌سازی قبل از قطع​

1. ​استراتژی کنترل بسته شدن نرم:
• ​هدف: برای رسیدگی به مشکلات احتمالی ولتاژ فراگیر و نوسان سیستم در لحظه بسته شدن، بدون نیاز به مقاومت‌ها و قطعک‌های اضافی، که هزینه و فضای ذخیره را صرفه‌جویی می‌کند.
• ​منطق: شاخه قطع جریان به عنوان تشکیل شده از چند واحد ولتاژ متوسط متصل به صورت سری در نظر گرفته می‌شود. در زمان بسته شدن، این واحدهای ولتاژ متوسط به صورت تدریجی و قابل کنترل روشن می‌شوند تا مسیری را تدریجاً ایجاد کنند. پس از هر مرحله، آزمایش خطا انجام می‌شود. اگر خطا شناسایی نشود، فرآیند ادامه می‌یابد تا تمام واحدها روشن شوند. در نهایت، شاخه حمل جریان بسته شده و شاخه قطع جریان خاموش می‌شود. اگر خطا در طول فرآیند شناسایی شود، بسته شدن فوراً متوقف می‌شود.
• ​قابلیت استفاده: مناسب برای بسته شدن عادی و بسته شدن خودکار پس از پاکسازی خطا. شبیه‌سازی‌ها تأیید می‌کنند که ولتاژ فراگیر یا نوسان وجود ندارد.

​III. توسعه پروتاتیپ و تأیید آزمایشی​

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

• ​طراحی ساختاری:
• ​شاخه حمل جریان: چون جریان را برای مدت طولانی حمل می‌کند، Q1 با سیستم خنک‌سازی آبی تجهیز شده و در پایین برج شیر قرار دارد؛ S1 از چندین قطعک خلاء در سری تشکیل شده است که توسط مکانیسم دفع الکترومغناطیسی محرک می‌شود و در بالای برج شیر قرار دارد.
• ​شاخه قطع جریان: تشکیل شده از ۱۰ واحد ولتاژ متوسط ۵۰ kV سری‌شده، در ۲ برج شیر (۵ لایه در هر برج) نصب شده است. Q2 از طرح دوگانه موازی IGBT برای تأمین ظرفیت قطع استفاده می‌کند. این شاخه در حالت عادی جریانی ندارد، بنابراین نیازی به خنک‌سازی ندارد و طراحی آن ساده‌تر است.

​​(II) نتایج تأیید آزمایشی​
پروتاتیپ تحت آزمون‌های دقیق با استفاده از مدار آزمایشی معادل (مدار LC نوسانی) قرار گرفت:

• ​زمان تبدیل: زمان انتقال جریان از شاخه حمل جریان به شاخه قطع 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 با هدف طراحی کمتر از ۳ میلی‌ثانیه مطابقت داشت.
• ​ولتاژ فراگیر موقتی: در زمان قطع ولتاژ فراگیر موقتی حدود ۸۰۰ kV ایجاد شد که با سطح حفاظت MOV مطابقت داشت و کنترل شده و ایمن بود.
• ​نتیجه‌گیری: آزمایش‌ها موفقیت‌آمیز بودند و قابلیت اجرا، موثر بودن و عملکرد عالی توپولوژی قطعک DC ترکیبی با ولتاژ بالا نوع مستقیم‌کننده را تأیید کردند.

​IV. نتیجه‌گیری‌های اصلی:

1. توپولوژی ترکیبی نوع مستقیم‌کننده پیشنهادی در این راه‌حل با طراحی نوآورانه‌ای با استفاده از پل دیود برای کنترل جریان دوطرفه، استفاده از IGBT را نسبت به راه‌حل‌های سنتی تقریباً ۵۰٪ کاهش می‌دهد و مزایای قابل توجهی در کارایی اقتصادی و قابلیت اعتماد ارائه می‌دهد.
2. استراتژی‌های کنترل هوشمند قبل از قطع و بسته شدن نرم به طور موثر مشکلات تأخیر عملیاتی قطعک مکانیکی و تأثیرات بسته شدن را حل می‌کنند و عملکرد دینامیکی کلی سیستم را بهبود می‌بخشند.
3. توسعه و تست موفقیت‌آمیز پروتاتیپ مهندسی ۵۰۰ kV/۲۵ kA به طور کامل امکان‌پذیری مهندسی و انطباق عملکرد این رویکرد فنی را نشان می‌دهد.