Rectifikátor-típusú hibrid magasfeszültségű DC áramtörő megoldás

I. Projekt háttér és igényelemzés​
A fejlett energiaátalakulás mélyedő előrehaladása során a hajlékony DC-átviteli technológia, amelyet a feszültségforrás konverter (VSC) alapja, nagy léptékű megújuló energia integrálására és a távolsági áramellátási képességek növelésére alkalmas, mivel aktív és reaktív teljesítmény független ellenállás-mentes irányításának és alacsony harmonikus tartalmának előnyeinek köszönhetően. A hajlékony DC-hálózatok felépítése egy elkerülhetetlen trend. Ebben a kontextusban a magasfeszültségű DC-körzetvágók, mint gyors hibaelhárítás és a hálózat biztonságának és stabilitásának alapvető védelmi eszközei, kritikusan fontosak. Nélkülözhetetlenek a magas teljesítményű DC-körzetvágók, mert nélkülük a hajlékony DC-hálózatok operatív rugalmassága és az áramellátás megbízhatósága súlyosan korlátozott lenne.

Aktuális mainstream magasfeszültségű DC-körzetvágó technológiák jelentős korlátokkal küzdenek:

• ​Mechanikus körzetvágók: Bár alacsony feszültségben lévő veszteségekkel és magas feszültségkiállásukkal rendelkeznek, a hibaelhárítási idejük több tizedmásodperc, ami nem felel meg a hajlékony DC-hálózatok szigorú millisekundum-szintű gyors hibaelhárítási követelményeinek.
• ​Teljesen szilárdállományú körzetvágók: Szemigazolási eszközök alapján, ezek extrém gyors hibaelhárítást nyújtanak, de túlzott feszültségben lévő veszteségekkel, magas üzemeltetési költségekkel és rossz gazdasági hatékonysággal küzdenek.
• ​Hagyományos hibrid körzetvágók: Habár kombinálják a mechanikus kapcsolók alacsony veszteségeit és a szilárdállományú kapcsolók gyors hibaelhárítását, topológiájuk mindkét irányban sorba kapcsolt IGBT-eket igényel, ami alacsony eszközhasználatot, rendszerkomplexitást és magas költségeket eredményez.

Ezen technikai akadályok kezelése érdekében sürgősen szükség van egy új DC-körzetvágó megoldásra, amely gyors hibaelhárítási képességet, alacsony üzemeltetési veszteségeket, magas gazdasági hatékonyságot és magas megbízhatóságot kombinál.

​II. Megoldás: Rectifier-type hibrid magasfeszültségű DC-körzetvágó​
Ez a megoldás egy innovatív rectifier-type hibrid magasfeszültségű DC-körzetvágó topológiát javasol, amely alapvetően meglévő technológiák korlátait kezeli.

​​(I) Alapvető technológia: Innovatív körzettopológia​
Ez a körzetvágó topológiája egy párhuzamosan csatlakoztatott áramviszonylagos ágról és egy áramtörlő ágról áll.

1. ​Áramviszonylagos ág:
• ​Szerkezet: Magas sebességű mechanikus kapcsoló (S1) és egy áramviszonylagos ventilációs csoport (Q1) sorba kapcsolódik.
• ​Jellemzők: S1 rendkívül alacsony kontaktellenállású (csak néhány mikro-ohm), Q1 pedig kevés IGBT-ből áll, amelyek alacsony vezetési feszültség-vastagsággal rendelkeznek. Normál működés közben a nominális áram ezen ágon halad, ami alacsony feszültségben lévő veszteségeket biztosít.
2. ​Áramtörlő ág:
• ​Szerkezet: Hídrectifier szerkezetet használ, amely hídcommutációs ventilációs csoport (D1-D4, több sorba kapcsolt diódából álló), egyirányú áramtörlő ventilációs csoport (Q2, több sorba kapcsolt IGBT-ből) és egy nemlineáris ellenállás (MOV1, védő) alkotja.
• ​Kulcsfontosságú előny: A hídrectifier szerkezet okosan áramcommutációt valósít meg, lehetővé téve, hogy a egyirányú IGBT-áramtörlő ventilációs csoport (Q2) kétfolyamatú DC hibákat törölje. A hagyományos hibrid topológiákhoz képest az IGBT-ek számát körülbelül a felekké csökkenti. Mivel a kereskedelmi press-pack IGBT-ek közel 10-szer drágábbak, mint azonos feszültségű diódák, és az IGBT-ek csökkenése is csökkenti a hozzájuk tartozó vezérlő lapok számát, ez a topológia jelentős költségcsökkentést és általános megbízhatósági javulást eredményez.

​​(II) Hatékony hibaelhárítási működési elv​
Az 1-es portból a 2-es portba áramló áram példájának megfelelően, a hibaelhárítási folyamat négy szakaszra oszlik:

1. ​1. szakasz (t0–t1, hiba bekövetkezése)​: Rövidzárlat történik a vonalon, ami drámai módon emeli az áramot. Ez időben S1 és Q1 vezető, Q2 lekapcsolva, a hibával kapcsolatos áram teljesen az áramviszonylagos ágon halad.
2. ​2. szakasz (t1–t2, áramátvitel)​: A vezérlőrendszer kiad egy nyitási parancsot, Q2 bekapcsolva, Q1 lekapcsolva. Q2 vezetése hídkarokon kommutációs feszültséget generál, ami kényszeríti az áramot, hogy az áramviszonylagos ágról az áramtörlő ágra (út: D1 → Q2 → D4) átmenjen.
3. ​3. szakasz (t2–t3, mechanikus kapcsoló hibaelhárítása)​: Az áramviszonylagos ágon haladó áram teljes áttelepülése után a magas sebességű mechanikus kapcsoló S1 zéró áram és zéró feszültség mellett, ívesítés nélkül, hibaelhárítást végzünk, elektromos izolációt teremtve.
4. ​4. szakasz (t3–t4, hibával kapcsolatos áram kitörlése)​: Miután S1 teljesen lekapcsolódik, Q2 lekapcsolva. Q2 lekapcsolása átmeneti túlfeszültséget generál a körzetvágón, ami MOV1 vezetését indítja, a hibával kapcsolatos áramot MOV1-be irányítva, amíg az energia kifogyik, az áram nullává válik, és a hibaelhárítás befejeződik.

A fordított irányú áram hibaelhárítási elve ugyanaz, a diódahíd (D2, D3) irányításával Q2-en keresztül.

​​(III) Intelligens vezérlési stratégia​

1. ​Előzetes hibaelhárítási stratégia:
• ​Cél: A magas sebességű mechanikus kapcsoló nyitási ideje (kb. 2 ms) arányának akadályának legyőzése, a teljes hibaelhárítási idő rövidítése és a csúcs hibával kapcsolatos áram szabályozása.
• ​Logika: A buszfeszültség, vonalfeszültség és vonaláram (összesen 6 kritérium, lásd Táblázat 1) valós idejű figyelése, ha bármilyen anomális kritérium aktiválódik, előre kezdődik az előzetes hibaelhárítás (áramátvitel az áramtörlő ágra és S1 nyitása). Ha formális nyitási parancs érkezik, a hibaelhárítás befejeződik; ha hamis riasztás, az áram visszaáll az áramviszonylagos ágra normál működéshez.
• ​Hatás: A szimulációk azt mutatják, hogy ez a stratégia a hibával kapcsolatos áramot 25 kA-ról 17 kA-ra csökkenti, a teljes hibaelhárítási idő stabilizálódik 3 ms-on belül.

​Táblázat 1: Előzetes hibaelhárítási aktiválási kritériumok​

1. ​Lagymegnyitási stratégia:
• ​Cél: A zárás pillanatának potenciális túlfeszültség és rendszer rezgései problémáinak kezelése, anélkül, hogy további ellenállásokat és kapcsolókat kellene használni, költségek és tér megtakarítása.
• ​Logika: Az áramtörlő ág több közepes feszültségű egységből áll, amelyek sorban és vezérelt módon záródnak, egyértelmű útvonalat létrehozva. Minden lépés után hiba detektálása történik. Ha nincs hiba, a folyamat folytatódik, amíg minden egység záródik. Végül az áramviszonylagos ág záródik, az áramtörlő ág lekapcsolódik. Ha a folyamat során hiba észlelhető, a zárás azonnal megszakad.
• ​Alkalmazhatóság: Normál zárásra és a hiba utáni automatikus újraindításra alkalmas. A szimulációk igazolják, hogy nincs túlfeszültség vagy rezgések.

​III. Prototípus fejlesztése és kísérleti ellenőrzés​

​​(I) A prototípus kulcsfontosságú paraméterei és szerkezete​
Egy 500 kV DC-körzetvágó mérnöki prototípust fejlesztettek a következő kulcsfontosságú paraméterekkel:

• ​Szerkezeti tervezés:
• ​Áramviszonylagos ág: Mivel hosszú ideig viszi az áramot, Q1 víz-hűtő rendszerrel van ellátva, és a ventilációs tornya alján helyezkedik el; S1 több sorba kapcsolt vakuumkapcsolóból áll, elektromagnes repulziós mechanizmus által meghajtva, a ventilációs tornya tetején található.
• ​Áramtörlő ág: 10 sorba kapcsolt 50 kV közepes feszültségű egységből áll, 2 ventilációs tornyban (mindkettő 5 réteg) telepítve. Q2 dupla párhuzamos IGBT-t használ, hogy megfeleljen a törlőképességnek. Ez az ág normál működés közben nem visz áramot, így nem szükséges hűtés, ami egy egyszerűbb dizájnhoz vezet.

​​(II) Kísérleti ellenőrzési eredmények​
A prototípus szigorú tesztelést est-e ekvivalens kísérleti áramkörrel (LC-oszcilláló áramkör):

• ​Commutációs idő: Az áram áttelepülési ideje az áramviszonylagos ágról az áramtörlő ágra < 300 μs.
• ​Teljes hibaelhárítási idő: A nyitási parancs fogadásától az áram kezdődő csökkenéséig körülbelül 2.9 ms, ami a <3 ms tervezési célkitűzést teljesíti.
• ​Átmeneti túlfeszültség: A hibaelhárítás során kb. 800 kV átmeneti túlfeszültség jött létre, ami a MOV védelmi szinttel összhangban áll, ellenőrzött és biztonságos.
• ​Következtetés: A kísérletek sikeresen ellenőrizték a rectifier-type hibrid magasfeszültségű DC-körzetvágó topológia megvalósíthatóságát, hatékonyságát és kiváló teljesítményét.

​IV. Főleges következtetések:

1. A rectifier-type hibrid topológia, amelyet ebben a megoldásban javasolnak, innovatív diódahíd segítségével képes kétfolyamatú áramvezérlésre, amely kb. 50%-kal csökkenti az IGBT-ek használatát a hagyományos megoldásokhoz képest, jelentős előnyökkel gazdasági hatékonyság és megbízhatóság tekintetében.
2. Az intelligens előzetes hibaelhárítási és lagymegnyitási stratégia hatékonyan kezeli a mechanikus kapcsoló működési késését és a zárás hatását, javítva a rendszer teljes dinamikai teljesítményét.
3. A sikeres 500 kV/25 kA mérnöki prototípus fejlesztése és tesztelése teljesen megmutatja e technikai megközelítés mérnöki megvalósíthatóságát és teljesítménybeli megfelelőségét.