Suunnitelma säätimet-tyypin hybridiyhdistelmämuodossa olevasta korkean jännitteen suoravirtakatkaisimesta

I. Projektin tausta ja vaatimusanalyysi​
Energiamuutoksen syventyessä virtalähdekonvertoijia (VSC) perustuva joustava HVDC-siirto on tullut keskeiseksi ratkaisuksi suurten uusiutuvien energian yhdistämisen ja pitkän matkan sähkönsiirron tehostamiseksi, sen etujen ansiosta kuten aktiivisen ja reaktiivisen tehon itsenäinen ohjaus sekä matala harmonisodosis. Joustavien HVDC-verkostojen rakentaminen on välttämätön trendi. Tässä yhteydessä korkean jännitteen DC-pistokeet, jotka toimivat ytimekkään suojalaitteena nopealle sijaintivaikutukselle ja verkoston turvallisuuden ja vakauden varmistamiselle, ovat erittäin tärkeitä. Ilman korkean suorituskykyisten DC-pistokkeiden, joustavien HVDC-verkostojen toiminnallinen joustavuus ja sähköntarjonnan luotettavuus olisivat vakavasti rajoitettuja.

Nykyiset pääasialliset korkean jännitteen DC-pistokeet eivät ole riittäviä:

• ​Mekaaniset pistokeet: Vaikka ne tarjoavat matalia tilajannitehohukkuuksia ja korkeaa kestokykyä, niiden katkaisuaika on kymmeniä millisekunteja, mikä ei vastaa joustavissa HVDC-verkoissa asetettuja tiukkoja vaatimuksia millisekuntitasoiselle nopealle sijaintivaikutukselle.
• ​Kaikki-semitietysteiset pistokeet: Pohjautuen semitekniikkoihin, ne tarjoavat äärimmäisen nopeaa katkaisua, mutta kärsivät liian suuresta tilajannitehon hukkauksesta, korkeista toimintakustannuksista ja huonommasta taloudellisesta tehokkuudesta.
• ​Perinteiset hybridipistokeet: Vaikka yhdistävät mekaanisten kytkentöjen matalat hukkattehdot ja semitekniikan nopean katkaisun, niiden topologia vaatii sarjapäätettyjä IGBT-komponentteja molempiin suuntiin, mikä johtaa alaiseen laiteteen hyödyntämiseen, monimutkaiseen systeemiin ja korkeisiin kustannuksiin.

Näiden teknisten pulmujen ratkaisemiseksi on kiireellisesti tarve uudelle DC-pistokeen ratkaisulle, joka yhdistää nopean katkaisukyvyn, matalat toimintahukkattehdot, korkean taloudellisen tehokkuuden ja korkean luotettavuuden.

​II. Ratkaisu: Suoristinperustainen hybridikorkeajännite-DC-pistoke​
Tämä ratkaisu ehdottaa innovatiivista suoristinperustaisen hybridikorkeajännite-DC-pistokeen topologiaa, joka perustavanlaatuisesti ratkaisee nykyisten tekniikoiden rajat.

​​(I) Ytimtekniikka: Innovatiivinen pistokeen topologia​
Tämän pistokeen topologia koostuu parallellisesti yhdistetyistä virranjalostushaarasta ja virrankatkaisuhaarasta.

1. ​Virranjalostushaara:
• ​Rakennus: Koostuu nopeasta mekaanisesta kytkimestä (S1) ja virranjalostusvalveista (Q1), jotka on yhdistetty sarjapäätettyinä.
• ​Ominaisuudet: S1:llä on äärimmäisen matala kosketuspitoisuus (vain kymmeniä mikro-ohmeja), ja Q1 koostuu pienestä määrästä IGBT-komponentteja, joilla on matala johtopitoisuus. Normaalissa toiminnassa tämän haaran kautta kulkee nominivirta, mikä takaa äärimmäisen matalat tilajannitehon hukkattehdot.
2. ​Virrankatkaisuhaara:
• ​Rakennus: Käyttää silmukka-suoristusrakennetta, joka koostuu silmukka-suoristusvalveista (D1-D4, muodostettu useista sarjapäätetyistä diodeista), yksisuuntaisesta katkaisuvalveista (Q2, muodostettu useista sarjapäätetyistä IGBT-komponenteista) ja epälineaarisesta vastustimesta (MOV1, suoja).
• ​Ytimetarve: Silmukka-suoristusrakenne näyttää älykkäästi virran vaihtoa, mikä mahdollistaa yksisuuntaisen IGBT-katkaistun valven (Q2) kaksisuuntaisen HVDC-virhevirtan katkaisun. Vertailun perinteisiin hybridirakenteisiin, IGBT-komponenttien määrä vähenee noin puolella. Koska kaupalliset press-pack IGBT-komponentit maksavat noin 10 kertaa enemmän kuin samanluokkaiset diodit, ja IGBT-komponenttien väheneminen myös vähentää mukana tulevia ajurilautia, tämä topologia saavuttaa merkittävän kustannussäästön ja yleisen luotettavuuden parantumisen.

​​(II) Tehokas katkaisuperiaate​
Käyttäen esimerkkinä virtaa, joka kulkee portti 1:stä porttiin 2, katkaisuprosessi koostuu neljästä vaiheesta:

1. ​Vaihe 1 (t0–t1, Virhe)​: Piirillä tapahtuu lyhyysvirhe, mikä aiheuttaa virtan nopean nousun. Tällä hetkellä S1 ja Q1 ovat avoinna, Q2 on suljettuna, ja virhevirta kulkee kokonaan virranjalostushaarassa.
2. ​Vaihe 2 (t1–t2, Virtansiirto)​: Ohjausjärjestelmä antaa avauskomento, jossa Q2 avataan ja Q1 suljetaan. Q2:n avautuminen luo vaihtovirtapotentiaalin silmukan käsivarrella, pakottaen virran siirtymään virranjalostushaarasta virrankatkaisuhaarassa (polku: D1 → Q2 → D4).
3. ​Vaihe 3 (t2–t3, Mekaanisen kytkimen katkaisu)​: Kun virranjalostushaarassa oleva virta on kokonaan siirtynyt, nopea mekaaninen kytkin S1 katkaisee nolla-virta- ja nolla-jännite-olosuhteissa ilman kaarta, jolloin muodostetaan eristysvoima.
4. ​Vaihe 4 (t3–t4, Virhevirtan poisto)​: Kun S1 on täysin katkaistu, Q2 suljetaan. Q2:n sulkeutuminen luo väliaikaisen ylikirjoituksen pistokeen yli, mikä aktivoi MOV1:n johtamaan ja siirtämään virhevirtan MOV1:ään häviämiseen, kunnes energia on käytetty loppuun, virta laskee nollaan, ja virhe on eristetty.

Katkaisuperiaate päinvastaiseen virtasuuntaan on sama, ohjattuna diodesilmukalla (D2, D3) kulkevan Q2 kautta.

​​(III) Älykäs ohjausstrategia​

1. ​Ennakkojen katkaisustrategia:
• ​Tarkoitus: Ylittää nopean mekaanisen kytkimen avautumisaika (noin 2 ms) aiheuttama pullonkaula, lyhentää kokonaista katkaisuaikaa ja hillitä virhevirtan huippuarvoa.
• ​Logiikka: Reaaliaikaisella bussijännitteen, linjajännitteen ja linjavirran seurannalla (yhteensä 6 kriteeriä, kuten taulukossa 1), jos mikä tahansa epänormaali kriteeri aktivoituu, ennakkojen katkaisutoiminto aloitetaan ennakkoon (virta siirretään virrankatkaisuhaarassa ja S1 avataan). Jos myöhemmin saadaan virallinen avauskomento, katkaisu suoritetaan; jos kyseessä on väärä hälytys, virta siirretään takaisin virranjalostushaarassa normaalin toiminnan jatkamiseksi.
• ​Tehoste: Simuloinnit osoittavat, että tämä strategia voi hillitä virhevirtaa 25 kA:sta 17 kA:ksi, ja kokonaista katkaisuaika pysyy alle 3 ms.

​Taulukko 1: Ennakkojen aktivoimiskriteerit​

1. ​Pehmeä sulkeutumisen ohjausstrategia:
• ​Tarkoitus: Ratkaista mahdolliset ylikirjoitukset ja järjestelmän värähtelyongelmat sulkeutumishetkellä, ilman lisäresistoreiden ja -kytkimien tarvetta, säästää kustannuksia ja tilaa.
• ​Logiikka: Virrankatkaisuhaara koostuu useista keskijänniteyksiköistä sarjapäätettinä. Sulkeutuessa nämä keskijänniteyksiköt kytketään asteittain ja hallitusti luodakseen polun. Jokaisen askeleen jälkeen suoritetaan virhetarkistus. Jos virhettä ei havaita, prosessi jatkuu, kunnes kaikki yksiköt on kytketty. Lopuksi virranjalostushaara suljetaan, ja virrankatkaisuhaara avataan. Jos virhettä havaitaan prosessin aikana, sulkeutuminen keskeytetään välittömästi.
• ​Soveltuvuus: Soveltuu normaaliin sulkeutumiseen ja automaattiseen uudelleenkytkentään virheen poistamisen jälkeen. Simuloinnit vahvistavat, ettei ylikirjoituksia tai värähtelyä tapahdu.

​III. Prototyypin kehitys ja kokeellinen vahvistus​

​​(I) Prototyypin keskeiset parametrit ja rakenne​
500 kV DC-pistoken prototyyppi on kehitetty seuraavilla keskeisillä parametreilla:

• ​Rakenneratkaisu:
• ​Virranjalostushaara: Koska se kuljettaa virtaa pitkiä aikoja, Q1 on varustettu vedenvälinejärmölaitteella ja sijoitettu valve-tornin pohjalle; S1 koostuu useista sarjapäätetyistä tyhjiökytkimistä, jotka ohjataan sähkömagneettisella repeävätyyppisellä mekanismilla, ja sijoitettu valve-tornin huipulle.
• ​Virrankatkaisuhaara: Koostuu 10 sarjapäätetystä 50 kV keskijänniteyksiköstä, asennettuna 2 valve-tornissa (5 kerrosta kummallakin). Q2 käyttää kaksoisparaleili IGBT-rakennetta katkaisukapasiteetin täyttämiseksi. Tämä haara ei kuljettanut virtaa normaalissa toiminnassa, joten sitä ei tarvita jäähdyttää, mikä johtaa yksinkertaisempaan suunnitteluun.

​​(II) Kokeellisen vahvistuksen tulokset​
Prototyyppiä testattiin tiukoilla menetelmillä ekvivalenttisella kokeellisella piirillä (LC-värähtelypiiri):

• ​Vaihtovirtan aika: Virta siirtyi virranjalostushaarasta virrankatkaisuhaarassa alle 300 μs.
• ​Kokonaiskaidekaika: Avauskomento vastaanotettuaan virta alkoi laskea noin 2.9 ms, vastaten suunnittelutavoitetta alle 3 ms.
• ​Väliaikainen ylikirjoitus: Katkaisun aikana generoitiin noin 800 kV ylikirjoitus, joka oli yhdenmukaista MOV-suojakerroin, joka oli kontrolloitu ja turvallinen.
• ​Johtopäätös: Kokeet vahvistivat onnistuneesti suoristinperustaisen hybridikorkeajännite-DC-pistokeen topologian käytettävyyden, tehokkuuden ja erinomaisen suorituskyvyn.

​IV. Ytimjohtopäätökset:

1. Ehdotetuksessa suoristinperustaisessa hybridirakenteessa käytetty innovatiivinen suunnittelu, jossa käytetään diodesilmukkaa kaksisuuntaisen virranhallinnan saavuttamiseen, vähentää IGBT-komponenttien käyttöä noin 50 % verrattuna perinteisiin ratkaisuihin, tarjoten merkittäviä etuja taloudellisessa tehokkuudessa ja luotettavuudessa.
2. Älykkäät ennakkojen katkaisu- ja pehmeä sulkeutumisen ohjausstrategiat ovat tehokkaita ratkaisuja mekaanisen kytkimen toiminnan viivästyksiin ja sulkeutumisvaikutuksiin, parantaen systeemin yleistä dynaamista suorituskykyä.
3. 500 kV/25 kA teknisen prototyypin onnistunut kehitys ja testaus osoittavat täysin tämän teknisen lähestymistavan teknisen toteutettavuuden ja suorituskyvyn yhteensopivuuden.