रेक्टिफायर-टाइप हाइब्रिड हाई-वोल्टेज डीसी सर्किट ब्रेकर सॉल्यूशन

I. परियोजना का पृष्ठभूमि और आवश्यकता विश्लेषण​
ऊर्जा संक्रमण के गहन आगे बढ़ने के साथ, वोल्टेज स्रोत कन्वर्टर (VSC) आधारित फ्लेक्सिबल DC प्रसारण प्रौद्योगिकी, सक्रिय और अप्रत्यक्ष शक्ति के स्वतंत्र नियंत्रण और कम हार्मोनिक सामग्री जैसी अपनी विशेषताओं के कारण, बड़े पैमाने पर नवीकरणीय ऊर्जा एकीकरण और दूरी पर शक्ति प्रसारण क्षमता में सुधार के लिए एक महत्वपूर्ण समाधान बन गई है। फ्लेक्सिबल DC ग्रिड का निर्माण अनिवार्य रूप से एक रुझान है। इस संदर्भ में, उच्च-वोल्टेज DC सर्किट ब्रेकर, जो तेज़ दोष विभाजन और ग्रिड सुरक्षा और स्थिरता को सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं, बहुत महत्वपूर्ण हैं। उच्च प्रदर्शन वाले DC सर्किट ब्रेकर के बिना, फ्लेक्सिबल DC ग्रिड की संचालन लचीलापन और विद्युत आपूर्ति की विश्वसनीयता गंभीर रूप से सीमित हो जाएगी।

वर्तमान मुख्यधारा उच्च-वोल्टेज DC सर्किट ब्रेकर प्रौद्योगिकियों में महत्वपूर्ण सीमाएं हैं:

• ​मैकेनिकल सर्किट ब्रेकर: हालांकि वे कम ऑन-स्टेट नुकसान और उच्च टोलरेंस वोल्टेज प्रदान करते हैं, उनका बंद करने का समय दहाइयों मिलीसेकेंड होता है, जो फ्लेक्सिबल DC ग्रिड में मिलीसेकेंड स्तर की तेज़ दोष विभाजन की कठोर आवश्यकता को पूरा नहीं करता है।
• ​सभी-ठोस-राज्य सर्किट ब्रेकर: सेमीकंडक्टर उपकरणों पर आधारित, वे अत्यंत तेज़ बंद करने की क्षमता प्रदान करते हैं, लेकिन उनके ऑन-स्टेट नुकसान अत्यधिक होते हैं, संचालन लागत उच्च होती है, और आर्थिक दक्षता कम होती है।
• ​पारंपरिक हाइब्रिड सर्किट ब्रेकर: जबकि वे मैकेनिकल स्विचों के कम नुकसान और ठोस-राज्य स्विचों के तेज़ बंद करने की क्षमता को संयोजित करते हैं, उनकी टोपोलॉजी में दोनों दिशाओं में श्रृंखला-संयोजित IGBTs की आवश्यकता होती है, जिससे उपकरण का उपयोग कम होता है, सिस्टम जटिल होता है, और लागत उच्च होती है।

इन तकनीकी बाधाओं को दूर करने के लिए, एक नए DC सर्किट ब्रेकर समाधान की आवश्यकता है जो तेज़ बंद करने की क्षमता, कम संचालन नुकसान, उच्च आर्थिक दक्षता और उच्च विश्वसनीयता को संयोजित करता है।

​II. समाधान: रेक्टिफायर-प्रकार का हाइब्रिड उच्च-वोल्टेज DC सर्किट ब्रेकर​
यह समाधान एक नवीन रेक्टिफायर-प्रकार का हाइब्रिड उच्च-वोल्टेज DC सर्किट ब्रेकर टोपोलॉजी प्रस्तावित करता है, जो मौजूदा प्रौद्योगिकियों की सीमाओं को मूल रूप से संबोधित करता है।

​​(I) मुख्य प्रौद्योगिकी: नवीन चालक टोपोलॉजी​
यह सर्किट ब्रेकर की टोपोलॉजी एक धारा-वहन शाखा और एक धारा-विभाजन शाखा को समानांतर रूप से जोड़कर बनाई गई है।

1. ​धारा-वहन शाखा:
• ​रचना: एक उच्च-गति वाले मैकेनिकल स्विच (S1) और एक धारा-वहन वाले वाल्व समूह (Q1) को श्रृंखला-संयोजित करके बनाया गया है।
• ​विशेषताएं: S1 का संपर्क प्रतिरोध बहुत कम (केवल दहाइयों माइक्रो-ओहम) है, और Q1 केवल कुछ IGBTs से बना है, जिनका चालक वोल्टेज गिरावट कम है। सामान्य संचालन के दौरान, निर्धारित धारा इस शाखा से गुजरती है, जिससे बहुत कम ऑन-स्टेट नुकसान होता है।
2. ​धारा-विभाजन शाखा:
• ​रचना: एक ब्रिज रेक्टिफायर संरचना का उपयोग करती है, जो बहुत से श्रृंखला-संयोजित डायोडों (D1-D4) से बने ब्रिज कम्युटेशन वाल्व समूह, एक एक-दिशात्मक विभाजन वाल्व समूह (Q2, बहुत से श्रृंखला-संयोजित IGBTs से बना), और एक गैर-रेखीय प्रतिरोध (MOV1, आर्किंग बचाव) से बनी है।
• ​मुख्य लाभ: ब्रिज रेक्टिफायर संरचना चतुराई से धारा कम्युटेशन प्राप्त करती है, जिससे एक-दिशात्मक IGBT विभाजन वाल्व समूह (Q2) दो-दिशात्मक DC दोष धाराओं को विभाजित कर सकता है। पारंपरिक हाइब्रिड टोपोलॉजी की तुलना में, IGBTs की संख्या लगभग आधी कम होती है। दी गई रेटिंग वाले डायोडों की तुलना में व्यावसायिक प्रेस-पैक IGBTs की लागत लगभग 10 गुना अधिक होती है, और IGBTs की कमी से अनुगामी ड्राइवर बोर्डों की संख्या भी कम होती है, जिससे यह टोपोलॉजी महत्वपूर्ण लागत कमी और समग्र विश्वसनीयता में सुधार प्राप्त करती है।

​​(II) कुशल विभाजन कार्यप्रक्रिया​
पोर्ट 1 से पोर्ट 2 तक धारा प्रवाह के उदाहरण को लेते हुए, विभाजन प्रक्रिया चार चरणों में होती है:

1. ​चरण 1 (t0–t1, दोष की घटना)​: लाइन पर एक शॉर्ट-सर्किट दोष होता है, जिससे धारा तेजी से बढ़ती है। इस समय, S1 और Q1 चालक होते हैं, Q2 बंद होता है, और दोष धारा पूरी तरह से धारा-वहन शाखा से गुजरती है।
2. ​चरण 2 (t1–t2, धारा ट्रांसफर)​: नियंत्रण सिस्टम खोलने का आदेश देता है, Q2 को चालक करता है और Q1 को बंद करता है। Q2 का चालक होना ब्रिज आर्म पर एक कम्युटेशन वोल्टेज उत्पन्न करता है, जो धारा को धारा-वहन शाखा से धारा-विभाजन शाखा (पथ: D1 → Q2 → D4) पर ट्रांसफर करने के लिए मजबूर करता है।
3. ​चरण 3 (t2–t3, मैकेनिकल स्विच विभाजन)​: धारा-वहन शाखा में धारा पूरी तरह से ट्रांसफर होने के बाद, उच्च-गति वाला मैकेनिकल स्विच S1 शून्य-धारा और शून्य-वोल्टेज की स्थिति में बिना आर्किंग के विभाजित होता है, और इन्सुलेशन शक्ति स्थापित करता है।
4. ​चरण 4 (t3–t4, दोष धारा निर्मूलन)​: S1 पूरी तरह से विभाजित होने के बाद, Q2 को बंद किया जाता है। Q2 को बंद करने से सर्किट ब्रेकर पर एक अस्थायी ओवरवोल्टेज उत्पन्न होती है, जो MOV1 को चालक करता है और दोष धारा को MOV1 में ट्रांसफर करता है, जहाँ ऊर्जा खत्म होती है, धारा शून्य हो जाती है, और दोष विभाजन पूरा होता है।

उलटी धारा के लिए विभाजन का सिद्धांत समान है, डायोड ब्रिज (D2, D3) के माध्यम से Q2 से गुजरता है।

​​(III) स्मार्ट नियंत्रण रणनीति​

1. ​पूर्व-विभाजन नियंत्रण रणनीति:
• ​उद्देश्य: उच्च-गति वाले मैकेनिकल स्विच के खोलने के समय (लगभग 2 मिलीसेकेंड) के उच्च अनुपात की बाधा को दूर करना, कुल विभाजन समय को कम करना, और शिखर दोष धारा को दबाना।
• ​लॉजिक