Pamantayan ng Solusyon para sa Rectifier-Type Hybrid High-Voltage DC Circuit Breaker

I. Paglalapat ng Proyekto at Pagsusuri ng Pangangailangan​
Sa pagdami ng pagbabago sa enerhiya, ang teknolohiyang flexible DC transmission na batay sa voltage source converter (VSC) ay naging isang pangunahing solusyon para sa malawakang integrasyon ng renewable energy at pagsulong ng kakayahang mag-transmit ng kuryente sa mahabang layo, dahil sa mga abilidad nito tulad ng independiyenteng kontrol ng aktibong at reaktibong lakas at mababang harmonic content. Ang pagtatayo ng flexible DC grids ay isang hindi maiiwasang trend. Sa kontekstong ito, ang high-voltage DC circuit breakers, bilang core protection devices para sa mabilis na isolation ng fault at pagsiguro ng seguridad at estabilidad ng grid, ay napaka-importante. Kung wala ang high-performance DC circuit breakers, ang operational flexibility at reliability ng power supply ng flexible DC grids ay seryosong mapapahina.

Ang kasalukuyang mainstream na teknolohiya ng high-voltage DC circuit breaker ay may malubhang limitasyon:

• ​Mechanical Circuit Breakers: Bagama't nagbibigay sila ng mababang on-state losses at mataas na withstand voltage, ang kanilang interruption time ay tens of milliseconds, na hindi nakakatugon sa mahigpit na pangangailangan ng millisecond-level rapid fault isolation sa flexible DC grids.
• ​All-Solid-State Circuit Breakers: Batay sa semiconductor devices, nagbibigay sila ng napakabilis na interruption ngunit may sobrang mataas na on-state losses, mataas na operating costs, at mahinang economic efficiency.
• ​Traditional Hybrid Circuit Breakers: Habang pinagsasama ang mababang losses ng mechanical switches at ang mabilis na interruption ng solid-state switches, ang kanilang topology nangangailangan ng series-connected IGBTs sa parehong forward at reverse directions, na nagreresulta sa mababang device utilization, system complexity, at mataas na costs.

Upang tugunan ang mga teknikal na bottlenecks, mayroong urgenteng pangangailangan para sa bagong DC circuit breaker solution na nagpapakita ng mabilis na interruption capability, mababang operating losses, mataas na economic efficiency, at mataas na reliability.

​II. Solusyon: Rectifier-Type Hybrid High-Voltage DC Circuit Breaker​
Ang solusyong ito ay nagpopropona ng isang inovatibong rectifier-type hybrid high-voltage DC circuit breaker topology, na pundamental na nag-aaddress ng mga limitasyon ng umiiral na teknolohiya.

​​(I) Core Technology: Innovative Circuit Topology​
Ang topology ng circuit breaker na ito ay binubuo ng current-carrying branch at current-breaking branch na konektado sa parallel.

1. ​Current-Carrying Branch:
• ​Composition: Binubuo ng high-speed mechanical switch (S1) at current-carrying valve group (Q1) na konektado sa series.
• ​Features: Ang S1 ay may napakababang contact resistance (tanging tens of micro-ohms), at ang Q1 ay binubuo ng kaunti lang na IGBTs na may mababang conduction voltage drop. Sa normal operation, ang rated current ay dumadaan sa branch na ito, na nagpapahintulot ng napakababang on-state losses.
2. ​Current-Breaking Branch:
• ​Composition: Gumagamit ng bridge rectifier structure, na binubuo ng bridge commutation valve group (D1-D4, na binubuo ng multiple series-connected diodes), unidirectional interruption valve group (Q2, na binubuo ng multiple series-connected IGBTs), at nonlinear resistor (MOV1, arrester).
• ​Core Advantage: Ang bridge rectifier structure ay maingat na nagpapakamit ng current commutation, na nagbibigay-daan para sa unidirectional IGBT interruption valve group (Q2) na mag-interrupt ng bidirectional DC fault currents. Sa paghahambing sa traditional hybrid topologies, ang bilang ng IGBTs ay nabawasan ng humigit-kumulang 50%. Dahil ang commercial press-pack IGBTs ay may halaga na humigit-kumulang 10 beses mas mahal kaysa sa diodes ng parehong rating, at ang pagbawas sa IGBTs ay nagbawas din ng bilang ng kasamaang driver boards, ang topology na ito ay nagpapahintulot ng significant cost reduction at overall reliability improvement.

​​(II) Efficient Interruption Working Principle​
Kumuha ng halimbawa ng current na nagdaraan mula sa Port 1 patungo sa Port 2, ang proseso ng interruption ay binubuo ng apat na yugto:

1. ​Stage 1 (t0–t1, Fault Occurrence)​: Nagaganap ang short-circuit fault sa linya, na nagdudulot ng mabilis na pagtaas ng current. Sa oras na ito, ang S1 at Q1 ay conducting, ang Q2 ay off, at ang fault current ay bumabasa sa buong current-carrying branch.
2. ​Stage 2 (t1–t2, Current Transfer)​: Inissue ng control system ang opening command, na nagpapaturn-on ng Q2 at nagpapaturn-off ng Q1. Ang conduction ng Q2 ay naggagenerate ng commutation voltage sa bridge arm, na nagpapakialam para sa current na lumipat mula sa current-carrying branch patungo sa current-breaking branch (path: D1 → Q2 → D4).
3. ​Stage 3 (t2–t3, Mechanical Switch Interruption)​: Pagkatapos na makuha ang buong current sa current-carrying branch, ang high-speed mechanical switch S1 ay nag-iinterrupt under zero-current at zero-voltage conditions nang walang arcing, na nagpapatatag ng insulation strength.
4. ​Stage 4 (t3–t4, Fault Current Clearance)​: Pagkatapos na fully interrupted ang S1, ang Q2 ay natuturn-off. Ang turn-off ng Q2 ay naggagenerate ng transient overvoltage sa ibabaw ng circuit breaker, na nagpapakilos ng MOV1 upang mag-conduct at idivert ang fault current sa MOV1 para sa dissipation hanggang sa ang energy ay nawalan, ang current ay bumaba sa zero, at natapos ang fault isolation.

Ang prinsipyong interruption para sa reverse current ay kapareho, na ginabay ng diode bridge (D2, D3) upang dumaloy sa pamamagitan ng Q2.

​​(III) Intelligent Control Strategy​

1. ​Pre-Interruption Control Strategy:
• ​Purpose: Upang talunin ang bottleneck ng mataas na proporsyon ng oras ng pagbubuksan ng high-speed mechanical switch (humigit-kumulang 2 ms), maikli ang total interruption time, at supilin ang peak fault current.
• ​Logic: Sa pamamagitan ng real-time monitoring ng bus voltage, line voltage, at line current (total na 6 criteria, tulad ng ipinapakita sa Table 1), kapag anumang abnormal criterion ang naitrigger, ang pre-interruption operation ay sinisimulan nang maaga (naglilipat ng current sa current-breaking branch at binubuksan ang S1). Kung sumunod ang formal opening command, matatapos ang interruption; kung mali ang alarm, ang current ay ibabalik sa current-carrying branch upang muling magbalik sa normal operation.
• ​Effect: Nagsasabi ang simulations na ang strategy na ito ay maaaring supilin ang fault current mula 25 kA hanggang 17 kA, at ang total interruption time ay naka-stabilize sa loob ng 3 ms.

​Table 1: Pre-Interruption Activation Criteria​

1. ​Soft Closing Control Strategy:
• ​Purpose: Upang tugunan ang potensyal na overvoltage at system oscillation issues sa oras ng closing, nang hindi kinakailangan ng karagdagang resistors at switches, na nagpapahintulot ng pag-save ng cost at space.
• ​Logic: Ang current-breaking branch ay itinreat bilang binubuo ng maraming medium-voltage units na konektado sa series. Sa oras ng closing, ang mga medium-voltage units na ito ay sequential at controllably turned on upang gradual na mag-establish ng path. Bawat step, ginagawa ang fault detection. Kung walang fault ang nadetect, ang proseso ay patuloy hanggang sa lahat ng units ay turned on. Sa huli, ang current-carrying branch ay iclosed, at ang current-breaking branch ay iturn-off. Kung may fault ang nadetect sa proseso, agad na inabort ang closing.
• ​Applicability: Angkop para sa normal closing at automatic reclosing pagkatapos ng fault clearance. Ang simulations ay naverify na walang overvoltage o oscillation.

​III. Prototype Development and Experimental Verification​

​​(I) Key Parameters and Structure of the Prototype​
Isinagawa ang 500 kV DC circuit breaker engineering prototype na may sumusunod na key parameters:

• ​Structural Design:
• ​Current-Carrying Branch: Dahil ito ay nagdadala ng current para sa mahabang panahon, ang Q1 ay may water-cooling system at inilalagay sa ilalim ng valve tower; ang S1 ay binubuo ng multiple vacuum switches sa series, driven ng electromagnetic repulsion mechanism, at inilalagay sa tuktok ng valve tower.
• ​Current-Breaking Branch: Binubuo ng 10 series-connected 50 kV medium-voltage units, na inilalagay sa 2 valve towers (5 layers bawat isa). Ang Q2 ay gumagamit ng dual-parallel IGBT design upang makatugon sa interruption capacity. Ang branch na ito ay hindi nagdadala ng current sa normal operation, kaya walang cooling ang kailangan, na nagreresulta sa mas streamlined na disenyo.

​​(II) Experimental Verification Results​
Ang prototype ay dumaan sa rigorous testing gamit ang equivalent experimental circuit (LC oscillating circuit):

• ​Commutation Time: Ang oras para sa current transfer mula sa current-carrying branch patungo sa current-breaking branch ay < 300 μs.
• ​Total Interruption Time: Mula sa pagtanggap ng opening command hanggang sa current ay nagsisimulang bumaba, ito ay tumagal ng humigit-kumulang 2.9 ms, na naka-meet ng target na <3 ms.
• ​Transient Overvoltage: Nagkaroon ng instantaneous overvoltage na humigit-kumulang 800 kV sa oras ng interruption, na consistent sa MOV protection level, na controlled at safe.
• ​Conclusion: Ang mga eksperimento ay matagumpay na naverify ang feasibility, effectiveness, at excellent performance ng rectifier-type hybrid high-voltage DC circuit breaker topology.

​IV. Core Conclusions:

1. Ang rectifier-type hybrid topology na inihanda sa solusyong ito ay gumagamit ng inovatibong disenyo na may diode bridge upang makamit ang bidirectional current control, na nagbawas ng IGBT usage ng humigit-kumulang 50% kumpara sa traditional solutions, na nagbibigay ng significant advantages sa economic efficiency at reliability.
2. Ang intelligent pre-interruption at soft closing control strategies ay epektibong nag-aaddress ng mga issues ng mechanical switch action delay at closing impact, na nagpapataas ng overall dynamic performance ng sistema.
3. Ang matagumpay na pagbuo at pagtest ng 500 kV/25 kA engineering prototype ay ganap na nagpapakita ng engineering feasibility at performance compliance ng teknikal na approach na ito.