Solución de interruptor híbrido de corriente continua de alta tensión de tipo rectificador

I. Antecedentes do proxecto e análise de requisitos​
Con o aprofundamento da transición enerxética, a tecnoloxía de transmisión DC flexible baseada en conversores de corrente de fonte de tensión (VSC) converteuse nunha solución clave para a integración de enerxías renovables a gran escala e para mellorar as capacidades de transmisión de enerxía a longa distancia, debido ás súas vantaxes como o control independente da potencia activa e reactiva e o baixo contido harmónico. A construción de redes DC flexibles é unha tendencia inevitábel. Neste contexto, os interruptores de circuito de corrente continua (CC) de alta tensión, como dispositivos de protección central para a rápida isolación de fallos e a garantía da seguridade e estabilidade da rede, son críticamente importantes. Sen interruptores de circuito CC de alto rendemento, a flexibilidade operativa e a fiabilidade do suministro de enerxía das redes DC flexibles estarían severamente restrinxidas.

As tecnoloxías actuais de interruptores de circuito de corrente continua (CC) de alta tensión teñen limitacións significativas:

• ​Interruptores mecánicos: Aínda que ofrezan baixas perdas no estado de conducción e alta resistencia a tensión, o seu tempo de interrupción é de decenas de milisegundos, non satisfacendo o requisito estrinxente de isolación rápida de fallos a nivel de milisegundos nas redes DC flexibles.
• ​Interruptores totalmente sólidos: Basados en dispositivos semiconductores, proporcionan unha interrupción extremadamente rápida, pero sufren de perdas excesivas no estado de conducción, altos custos de operación e baixa eficiencia económica.
• ​Interruptores híbridos tradicionais: Aínda que combinan as baixas perdas dos interruptores mecánicos e a rápida interrupción dos interruptores sólidos, a súa topoloxía require IGBTs conectados en serie en ambas direccións, resultando en un baixo aproveitamento dos dispositivos, complexidade do sistema e altos custos.

Para abordar estes cuellos de botella técnicos, hai unha necesidade urgente dunha nova solución de interruptor de circuito CC que combine a capacidade de interrupción rápida, baixas perdas de operación, alta eficiencia económica e alta fiabilidade.

​II. Solución: Interruptor de circuito CC híbrido de alta tensión de tipo rectificador​
Esta solución propón unha topoloxía inovadora de interruptor de circuito CC híbrido de alta tensión de tipo rectificador, abordando fundamentalmente as limitacións das tecnoloxías existentes.

​​(I) Tecnoloxía central: Topoloxía de circuito inovadora​
A topoloxía deste interruptor de circuito consiste en unha rama de portadora de corrente e unha rama de interrupción de corrente conectadas en paralelo.

1. ​Rama de portadora de corrente:
• ​Composición: Comprende un interruptor mecánico de alta velocidade (S1) e un grupo de válvulas de portadora de corrente (Q1) conectados en serie.
• ​Características: S1 ten unha resistencia de contacto extremadamente baixa (só decenas de micro-ohmios), e Q1 está formado por un pequeno número de IGBTs con un baixo voltaxe de caída de conducción. Durante a operación normal, a corrente nominal fluye por esta rama, asegurando perdas extremadamente bajas no estado de conducción.
2. ​Rama de interrupción de corrente:
• ​Composición: Utiliza unha estructura de rectificador de ponte, composta por un grupo de válvulas de conmutación de ponte (D1-D4, formado por múltiples diodos conectados en serie), un grupo de válvulas de interrupción unidireccional (Q2, formado por múltiples IGBTs conectados en serie) e un resistor non lineal (MOV1, pararrayos).
• ​Vantaxe central: A estructura de rectificador de ponte logra de forma ingeniosa a conmutación de corrente, permitindo que o grupo de válvulas de interrupción unidireccional de IGBTs (Q2) interrumpa correntes de fallo de corriente continua bidireccional. En comparación con topoloxías híbridas tradicionais, o número de IGBTs se reduce aproximadamente a metade. Dado que os IGBTs comerciais de presa cuestan aproximadamente 10 veces máis que díodos de igual calificación, e a redución de IGBTs tamén disminúe o número de placas de control asociadas, esta topoloxía logra unha redución significativa de custos e unha mellora xeral na fiabilidade.

​​(II) Principio de funcionamento de interrupción eficiente​
Tomando como exemplo a corrente que fluye do Porto 1 ao Porto 2, o proceso de interrupción consta de catro etapas:

1. ​Etapa 1 (t0–t1, Ocorrência do fallo)​: Ocorre un fallo de curto-circuíto na liña, causando un aumento brusco da corrente. Nese momento, S1 e Q1 están conducindo, Q2 está apagado, e a corrente de fallo fluye completamente pola rama de portadora de corrente.
2. ​Etapa 2 (t1–t2, Transferencia de corrente)​: O sistema de control emite un comando de apertura, encendendo Q2 e apagando Q1. A conducción de Q2 xera unha tensión de conmutación no brazo do ponte, forzando a transferencia da corrente da rama de portadora de corrente á rama de interrupción de corrente (camiño: D1 → Q2 → D4).
3. ​Etapa 3 (t2–t3, Interrupción do interruptor mecánico)​: Despois de que a corrente na rama de portadora de corrente se transfira completamente, o interruptor mecánico de alta velocidade S1 interrumpe en condicións de corrente cero e tensión cero sen arco, establecendo a resistencia aislante.
4. ​Etapa 4 (t3–t4, Eliminación da corrente de fallo)​: Despois de que S1 se interrompa completamente, Q2 se apaga. A apagada de Q2 xera unha sobretensión transitória a través do interruptor de circuito, activando MOV1 para conducir e desviar a corrente de fallo a MOV1 para dissipación ata que a enerxía se agote, a corrente caiga a cero e a isolación do fallo se complete.

O principio de interrupción para a corrente inversa é o mesmo, guiado polo ponte de diodos (D2, D3) para fluir a través de Q2.

​​(III) Estratexia de control inteligente​

1. ​Estratexia de control pre-interrupción:
• ​Obxectivo: Superar o cuello de botella da alta proporción do tempo de apertura do interruptor mecánico de alta velocidade (aproximadamente 2 ms), acortar o tempo total de interrupción e suprimir a corrente de fallo máxima.
• ​Lóxica: Mediante a monitorización en tempo real da tensión do bus, a tensión da liña e a corrente da liña (un total de 6 criterios, como se mostra na Táboa 1), unha vez que se active calquera criterio anómalo, a operación pre-interrupción se inicia con antelación (transferindo a corrente á rama de interrupción de corrente e abrindo S1). Se se recibe posteriormente un comando formal de apertura, a interrupción se completa; se é un falso alarma, a corrente se transfiere de volta á rama de portadora de corrente para retomar a operación normal.
• ​Efecto: As simulacións amosan que esta estratexia pode suprimir a corrente de fallo de 25 kA a 17 kA, co tempo total de interrupción estabilizado dentro de 3 ms.

​Táboa 1: Criterios de activación pre-interrupción​

1. ​Estratexia de control de pechado suave:
• ​Obxectivo: Abordar os posibles problemas de sobretensión e oscilación do sistema no momento do pechado, sen a necesidade de resistores e interruptores adicionais, ahorrando custos e espazo.
• ​Lóxica: A rama de interrupción de corrente trata-se como composta por múltiples unidades de media tensión conectadas en serie. Durante o pechado, estas unidades de media tensión se activan secuencialmente e de xeito controlado para establecer gradualmente un camiño. Despois de cada paso, realiza-se unha detección de fallos. Se non se detecta ningún fallo, o proceso continúa ata que todas as unidades se activen. Finalmente, a rama de portadora de corrente se pecha, e a rama de interrupción de corrente se apaga. Se se detecta un fallo durante o proceso, o pechado se aborta inmediatamente.
• ​Aptitude: Adequado para o pechado normal e a recierre automático despois da eliminación do fallo. As simulacións verifican a ausencia de sobretensión ou oscilación.

​III. Desenvolvemento do prototipo e verificación experimental​

​​(I) Parámetros clave e estrutura do prototipo​
Desenvolvéuse un prototipo de interruptor de circuito CC de 500 kV coas seguintes características clave:

• ​Deseño estructural:
• ​Rama de portadora de corrente: Como porta corrente durante períodos prolongados, Q1 está equipado cun sistema de refrigeración por auga e situado na parte inferior da torre de válvulas; S1 consiste en múltiples interruptores de vacío en serie, accionados por un mecanismo de repulsión electromagnética, e situado na parte superior da torre de válvulas.
• ​Rama de interrupción de corrente: Compuesta por 10 unidades de media tensión de 50 kV conectadas en serie, instaladas en 2 torres de válvulas (5 capas cada unha). Q2 adopta un deseño de IGBT dual en paralelo para cumprir a capacidade de interrupción. Esta rama non porta corrente durante a operación normal, polo que non se require refrigeración, resultando nun deseño máis simplificado.

​​(II) Resultados de verificación experimental​
O prototipo foi sometido a pruebas rigorosas empregando un circuito experimental equivalente (circuito LC oscilante):

• ​Tempo de conmutación: O tempo de transferencia da corrente da rama de portadora de corrente á rama de interrupción de corrente foi < 300 μs.
• ​Tempo total de interrupción: Desde a recepción do comando de apertura ata que a corrente comeza a diminuír, tomou aproximadamente 2.9 ms, cumprindo o obxectivo de deseño de <3 ms.
• ​Sobretensión transitória: Xerouse unha sobretensión instantánea de aproximadamente 800 kV durante a interrupción, coherente co nivel de protección MOV, controlada e segura.
• ​Conclusión: Os experimentos comprobáronse exitosamente a viabilidade, efectividade e excelente rendemento da topoloxía de interruptor de circuito CC híbrido de alta tensión de tipo rectificador.

​IV. Conclusións principais:

1. A topoloxía híbrida de tipo rectificador proposta nesta solución utiliza un deseño inovador con un ponte de diodos para lograr o control de corrente bidireccional, reducindo o uso de IGBTs en aproximadamente un 50% en comparación cos soluciones tradicionais, ofrecendo ventaxas significativas en eficiencia económica e fiabilidade.
2. As estratexias de control pre-interrupción e pechado suave intelixentes aborden eficazmente os problemas de retardo na acción do interruptor mecánico e o impacto do pechado, mellorando o rendemento dinámico global do sistema.
3. O desenvolvemento e proba exitosos do prototipo de enxeñaría de 500 kV/25 kA demostran plenamente a viabilidade enxeñeirol e o cumprimento do rendemento desta abordaxe técnica.