Rješenje hibridnog visokonaponskog DC prekidnika struje s pravilom tipa rektifikator

I. Pregled projekta i analiza potreba​
S dubinskim napretkom u prijenosu energije, tehnologija fleksibilnog DC prijenosa zasnovana na pretvaračima naponskog izvora (VSC) postala je ključna rješenja za integraciju velikih obujma obnovljivih izvora energije i poboljšanje mogućnosti prijenosa struje na daleke udaljenosti, zbog prednosti poput nezavisnog upravljanja aktivnom i reaktivnom snazju te niske harmonijske sadržaje. Izgradnja fleksibilnih DC mreža je neizbiven trend. U tom kontekstu, visokonaponski DC prekidači, kao ključni uređaji za brzo isključivanje grešaka i osiguravanje sigurnosti i stabilnosti mreže, su izuzetno važni. Bez visoko-performantnih DC prekidača, operativna fleksibilnost i pouzdanost opskrbe fleksibilnih DC mreža bi bile ozbiljno ograničene.

Trenutačne mainstream visokonaponske DC prekidačske tehnologije imaju značajne ograničenja:

• ​Mehanički prekidači: Iako pružaju niske gubitke u stanju provođenja i visoku otpornost na napon, njihov vrijeme isključivanja iznosi desetine milisekundi, što ne zadovoljava stroge zahtjeve za brzim isključivanjem grešaka na razini milisekundi u fleksibilnim DC mrežama.
• ​Potpuno čvrsto-stanični prekidači: Zasnovani na poluprovodničkim uređajima, pružaju izuzetno brzo isključivanje, ali trpe od prevelikih gubitaka u stanju provođenja, visokih troškova rada i loše ekonomičnosti.
• ​Tradicionalni hibridni prekidači: Iako kombiniraju niske gubitke mehaničkih prekidača i brzo isključivanje čvrsto-staničnih prekidača, njihova topologija zahtijeva serijalno povezane IGBT-ove u oba smjera, što rezultira niskom iskorištvenošću uređaja, složenošću sustava i visokim troškovima.

Za rješavanje ovih tehničkih grla, potrebno je novi DC prekidač koji kombinira sposobnost brzog isključivanja, niske gubitke tijekom rada, visoku ekonomičnost i visoku pouzdanost.

​II. Rješenje: Hibridni visokonaponski DC prekidač tipa pretvarača​
Ovo rješenje predlaže inovativnu topologiju hibridnog visokonaponskog DC prekidača tipa pretvarača, temeljito rješavajući ograničenja postojećih tehnologija.

​​(I) Ključna tehnologija: Inovativna topologija kruga​
Topologija ovog prekidača sastoji se od granice provođenja struje i granice prekidanja struje spojenih paralelno.

1. ​Granica provođenja struje:
• ​Sastav: Sastoji se od visokobrzinskog mehaničkog prekidača (S1) i skupine ventila za provođenje struje (Q1) spojenih serijalno.
• ​Osiguranja: S1 ima izuzetno nizi kontakt otpor (samo desetine mikro-ohmova), a Q1 sastoji se od malog broja IGBT-ova s niskim padom napona tijekom provođenja. Tijekom normalnog rada, nominirana struja protječe kroz ovu granicu, osiguravajući izuzetno niske gubitke u stanju provođenja.
2. ​Granica prekidanja struje:
• ​Sastav: Koristi mostastu diodnu strukturu, koja se sastoji od skupine komutacijskih ventila (D1-D4, formiranih od više serijalno povezanih dioda), jednosmjernog prekidnog skupa ventila (Q2, formiranog od više serijalno povezanih IGBT-ova) i nelinearnog otpornika (MOV1, zaštitni uređaj).
• ​Ključna prednost: Mostasta diodna struktura pametno postiže komutaciju struje, omogućujući jednosmjernom skupu prekidnih IGBT-ova (Q2) da prekida dvosmjernu DC grešku. U usporedbi s tradicionalnim hibridnim topologijama, broj IGBT-ova smanjen je približno za polovicu. S obzirom da komercijalni press-pack IGBT-ovi košta oko 10 puta više od dioda iste ocjene, a smanjenje broja IGBT-ova također smanjuje broj pratećih ploča vođenja, ova topologija postiže značajnu smanjenu cijenu i ukupno poboljšanje pouzdanosti.

​​(II) Efikasan princip rada prekidanja​
Kao primjer, uzimajući struju koja teče od priključka 1 do priključka 2, proces prekidanja sastoji se od četiri faze:

1. ​Faza 1 (t0–t1, pojavljivanje greške)​: Na liniji se dogodi kratko-zatvorena greška, uzrokujući oštri porast struje. U tom trenutku, S1 i Q1 provode, Q2 je isključen, a greška struja protječe potpuno kroz granicu provođenja struje.
2. ​Faza 2 (t1–t2, prebacivanje struje)​: Kontrolni sustav šalje naredbu otvaranja, uključujući Q2 i isključujući Q1. Provodljivost Q2 generira komutacijski napon na ramenskom bridu, prisiljavajući struju da se prebaci sa granice provođenja struje na granicu prekidanja struje (put: D1 → Q2 → D4).
3. ​Faza 3 (t2–t3, prekid mehaničkog prekidača)​: Nakon što je struja u granici provođenja struje potpuno prebačena, visokobrzinski mehanički prekidač S1 prekida pod uvjetima nule struje i nule napona bez lukovanja, postavljaći izolacijsku čvrstoću.
4. ​Faza 4 (t3–t4, očišćenje greške struje)​: Nakon što je S1 potpuno prekinut, Q2 se isključuje. Isključivanje Q2 generira privremeni previsoki napon preko prekidača, pokreće MOV1 da provodi i preusmjerava grešku struju u MOV1 za rasipanje dok se energija ne iscrpi, struja pada na nulu, a izolacija greške je završena.

Princip prekidanja za obrnutu struju je isti, vodič je diodni most (D2, D3) teče kroz Q2.

​​(III) Inteligentna strategija upravljanja​

1. ​Strategija predprekidanja:
• ​Cilj: Da premoći grlo visokog udjela vremena otvaranja visokobrzinskog mehaničkog prekidača (oko 2 ms), skrati ukupno vrijeme prekidanja i supresirati vrhunsku grešku struje.
• ​Logika: Stalnim nadzorom napona busa, napona linije i struje linije (ukupno 6 kriterija, kao što je prikazano u Tablici 1), kad god bilo koje anomalno kriterij bude pokrenuto, započinje se predprekidni rad unaprijed (prebacivanje struje na granicu prekidanja struje i otvaranje S1). Ako se kasnije primi formalna naredba otvaranja, prekid se završava; ako je lažna alarma, struja se vraća na granicu provođenja struje kako bi se nastavio normalni rad.
• ​Učinci: Simulacije pokazuju da ova strategija može supresirati grešku struje od 25 kA na 17 kA, s ukupnim vremenom prekidanja stabiliziranim unutar 3 ms.

​Tablica 1: Kriteriji aktivacije predprekidanja​

1. ​Strategija mekanog zatvaranja:
• ​Cilj: Da riješi potencijalne probleme previsokog napona i oscilacija sustava u trenutku zatvaranja, bez potrebe za dodatnim otpornicima i prekidačima, štedeći troškove i prostor.
• ​Logika: Granica prekidanja struje se tretira kao sastavljena od više srednjeg napona jedinica spojenih serijalno. Tijekom zatvaranja, ove srednje naponske jedinice se redom i kontrolirano uključuju kako bi se postepeno ustvorio put. Nakon svakog koraka, vrši se detekcija grešaka. Ako se ne detektira greška, postupak se nastavlja dok se sve jedinice ne uključe. Konačno, zatvara se granica provođenja struje, a granica prekidanja struje se isključuje. Ako se tokom postupka detektira greška, zatvaranje se odmah prekida.
• ​Primjenjivost: Primjenjivo za normalno zatvaranje i automatsko ponovno zatvaranje nakon očišćenja greške. Simulacije potvrđuju da nema previsokog napona ili oscilacija.

​III. Razvoj prototipa i eksperimentalna verifikacija​

​​(I) Ključni parametri i struktura prototipa​
Razvijen je inženjerski prototip 500 kV DC prekidača s sljedećim ključnim parametrima:

• ​Dizajn strukture:
• ​Granica provođenja struje: Budući da nosi struju duži period, Q1 je opremljen sustavom hlađenja vodom i smješten na dnu tornja ventila; S1 sastoji se od više vakuumskih prekidača spojenih serijalno, pogonjenih elektromagnetskim odbijanjem, i smješten na vrhu tornja ventila.
• ​Granica prekidanja struje: Sastoji se od 10 serijalno povezanih 50 kV srednjeg napona jedinica, instaliranih u 2 tornja ventila (po 5 slojeva). Q2 koristi dizajn dvostruko paralelnih IGBT-ova kako bi zadovoljio kapacitet prekidanja. Ova granica ne nosi struju tijekom normalnog rada, pa nije potrebno hlađenje, što rezultira čistijim dizajnom.

​​(II) Rezultati eksperimentalne verifikacije​
Prototip prošao je rigorozno testiranje pomoću ekvivalentnog eksperimentalnog kruga (LC oscilator):

• ​Vrijeme komutacije: Vrijeme prebacivanja struje sa granice provođenja struje na granicu prekidanja struje bilo je < 300 μs.
• ​Ukupno vrijeme prekidanja: Od primanja naredbe otvaranja do početka pada struje, potrebno je bilo oko 2.9 ms, što je zadovoljilo cilj dizajna <3 ms.
• ​Privremeni previsoki napon: Tijekom prekidanja generiran je privremeni previsoki napon od oko 800 kV, u skladu s razinom zaštite MOV-a, kontroliran i siguran.
• ​Zaključak: Eksperimenti su uspješno potvrdili mogućnost, učinkovitost i odlične performanse topologije hibridnog visokonaponskog DC prekidača tipa pretvarača.

​IV. Ključni zaključci:

1. Hibridna topologija tipa pretvarača predložena u ovom rješenju koristi inovativan dizajn s diodnim mostom kako bi postigla kontrolu dvosmjernog toka, smanjujući upotrebu IGBT-ova približno za 50% u usporedbi s tradicionalnim rješenjima, nudeći značajne prednosti u ekonomičnosti i pouzdanosti.
2. Inteligentne strategije predprekidanja i mekanog zatvaranja efikasno rješavaju probleme kašnjenja u akciji mehaničkog prekidača i utjecaja zatvaranja, poboljšavajući ukupnu dinamičku performansu sustava.
3. Uspješno razvoj i testiranje inženjerskog prototipa 500 kV/25 kA u potpunosti su potvrdili inženjersku mogućnost i performanse ovog tehničkog pristupa.