Ուղղահայացի տեսակի հիբրիդ բարձր լարման դիրեկտ հոսանքի շղթայի կոտրիչի լուծում

I. Պրոեկտի հայտնի և պահանջական վերլուծություն​
Էներգիայի միջազգային փոխանցման խորը ներկայացման դեպքում, սեղման կաղապարի (VSC) հիմնական կատարելագործությունների հետ կապված ձեռնարկ ԴՍ-ի տեխնոլոգիան դարձել է մեծ մասշտաբով այլակային էներգիայի ինտեգրման և հեռավոր էլեկտրաէներգիայի փոխանցման հնարավորությունների բարձրացման հիմնական լուծումը, իր առավելությունների շնորհիվ, ինչպիսիք են ակտիվ և ռեակտիվ հզորության անկախ կառավարումը և ցածր հարմոնիկ պարունակությունը։ Ձեռնարկ ԴՍ ցանցերի կառուցումը անհրաժեշտ նպատակահարմար է։ Այս համատեքստում, բարձր լարման ԴՍ շղթայի կտորները, որպես արագ կողմնակից անջատման և ցանցի անվտանգության և կայունության պահանջական սարքեր, կրտսեր կարևորություն ունեն։ Բարձր կարգի ԴՍ շղթայի կտորների առկայության բացակայությամբ ձեռնարկ ԴՍ ցանցերի գործառույթի կայունությունը և էլեկտրաէներգիայի առաքման անվտանգությունը անհետացնող սահմանափակումներ կառաջանան։

Ներկայումս գլխավոր բարձր լարման ԴՍ շղթայի կտորների տեխնոլոգիաները ունեն նշանակալի սահմանափակումներ՝

• ​Մեխանիկական Շղթայի Կտորներ: Չնայած նրանք առաջացնում են ցածր կայանալի կորուստներ և ունեն բարձր կայունական լարման տարածք, նրանց կողմնակից անջատման ժամանակը է տասնյակ միլիվայրային, որը չի բավարարում ձեռնարկ ԴՍ ցանցերում միլիվայրային կողմնակից անջատման խիստ պահանջներին։
• ​Լիովին Հսկայական Շղթայի Կտորներ: Նրանք սեմիկոնդուկտորային սարքերի հիմքում են, որոնք առաջացնում են աußer արագ կողմնակից անջատում, սակայն նրանք ստանում են բարձր կայանալի կորուստներ, բարձր գործարկողական ծախսեր և ցածր տնտեսական էֆեկտիվություն։
• ​鹘统混合断路器: 尽管结合了机械开关的低损耗和固态开关的快速切断，但其拓扑结构需要在正反两个方向上串联IGBT，导致设备利用率低、系统复杂且成本高。

为了解决这些技术瓶颈，迫切需要一种新的直流断路器解决方案，该方案结合了快速切断能力、低运行损耗、高经济效率和高可靠性。

​II. 解决方案：整流型混合高压直流断路器​
该解决方案提出了一种创新的整流型混合高压直流断路器拓扑结构，从根本上解决了现有技术的局限性。

​​(I) 核心技术：创新电路拓扑​
该断路器的拓扑结构由并联连接的载流支路和断流支路组成。

1. ​载流支路:
• ​组成: 由高速机械开关 (S1) 和载流阀组 (Q1) 串联组成。
• ​特点: S1 的接触电阻极低（仅几十微欧），Q1 由少量导通电压降低的 IGBT 组成。正常运行时，额定电流通过此支路流动，确保极低的导通损耗。
2. ​断流支路:
• ​组成: 采用桥式整流结构，由多个串联二极管组成的桥换流阀组 (D1-D4)、单向切断阀组 (Q2，由多个串联 IGBT 组成) 和非线性电阻 (MOV1，避雷器) 组成。
• ​核心优势: 桥式整流结构巧妙地实现了电流换相，使单向 IGBT 切断阀组 (Q2) 能够切断双向直流故障电流。与传统混合拓扑相比，IGBT 数量减少约一半。由于商用压接 IGBT 的成本约为同等级二极管的 10 倍，并且 IGBT 数量的减少也减少了配套驱动板的数量，因此该拓扑结构实现了显著的成本降低和整体可靠性的提高。

​​(II) 高效切断工作原理​
以从端口 1 流向端口 2 的电流为例，切断过程分为四个阶段：

1. ​阶段 1 (t0–t1, 故障发生)​: 线路上发生短路故障，电流急剧上升。此时，S1 和 Q1 导通，Q2 关断，故障电流完全通过载流支路流动。
2. ​阶段 2 (t1–t2, 电流转移)​: 控制系统发出开断命令，导通 Q2 并关断 Q1。Q2 的导通在桥臂上产生换相电压，迫使电流从载流支路转移到断流支路 (路径：D1 → Q2 → D4)。
3. ​阶段 3 (t2–t3, 机械开关切断)​: 在载流支路中的电流完全转移后，高速机械开关 S1 在零电流和零电压条件下无电弧切断，建立绝缘强度。
4. ​阶段 4 (t3–t4, 故障电流清除)​: S1 完全切断后，关断 Q2。Q2 的关断在断路器两端产生瞬态过电压，触发 MOV1 导通并将故障电流分流到 MOV1 中进行耗散，直到能量耗尽，电流降至零，完成故障隔离。

反向电流的切断原理相同，由二极管桥 (D2, D3) 引导电流通过 Q2。

​​(III) 智能控制策略​

1. ​预切断控制策略:
• ​目的: 克服高速机械开关开断时间（约 2 ms）占比较高的瓶颈，缩短总切断时间，抑制故障电流峰值。
• ​逻辑: 通过实时监测母线电压、线路电压和线路电流（共 6 个判据，如表 1 所示），一旦触发任何异常判据，提前启动预切断操作（将电流转移到断流支路并打开 S1）。如果随后收到正式开断命令，则完成切断；如果是误报，则将电流重新转移到载流支路恢复正常运行。
• ​效果: 仿真结果显示，该策略可将故障电流从 25 kA 抑制到 17 kA，总切断时间稳定在 3 ms 以内。

​表 1：预切断激活判据​

1. ​软闭合控制策略:
• ​目的: 解决闭合瞬间可能产生的过电压和系统振荡问题，无需额外的电阻和开关，节省成本和空间。
• ​逻辑: 将断流支路视为由多个中压单元串联组成。闭合时，依次可控地导通这些中压单元，逐步建立通路。每一步后进行故障检测，如果没有检测到故障，则继续直至所有单元导通。最后闭合载流支路，断开断流支路。如果过程中检测到故障，则立即中止闭合。
• ​适用性: 适用于正常闭合和故障清除后的自动重合闸。仿真验证无过电压或振荡。

​III. 原型开发与实验验证​

​​(I) 原型的关键参数与结构​
开发了一个 500 kV 直流断路器工程原型，其关键参数如下：

• ​结构设计:
• ​载流支路: 由于长时间承载电流，Q1 配备了水冷系统并放置在阀塔底部；S1 由多个真空开关串联组成，由电磁斥力机构驱动，放置在阀塔顶部。
• ​断流支路: 由 10 个串联的 50 kV 中压单元组成，安装在 2 个阀塔中（每个阀塔 5 层）。Q2 采用双并联 IGBT 设计以满足切断容量。该支路在正常运行时不承载电流，因此不需要冷却，设计更为简洁。

​​(II) 实验验证结果​
原型经过严格的等效实验电路（LC 振荡电路）测试：

• ​换相时间: 电流从载流支路转移到断流支路的时间 < 300 μs。
• ​总切断时间: 从收到开断命令到电流开始下降，用时约 2.9 ms，符合设计目标 <3 ms。
• ​瞬态过电压: 切断过程中产生了约 800 kV 的瞬态过电压，与 MOV 保护水平一致，得到了有效控制和安全。
• ​结论: 实验成功验证了整流型混合高压直流断路器拓扑的可行性、有效性及卓越性能。

​IV. 核心结论:

1. 本解决方案提出的整流型混合拓扑采用创新设计，利用二极管桥实现双向电流控制，与传统解决方案相比，IGBT 使用量减少约 50%，在经济性和可靠性方面具有显著优势。
2. 智能预切断和软闭合控制策略有效解决了机械开关动作延迟和闭合冲击问题，提高了系统的整体动态性能。
3. 500 kV/25 kA 工程原型的成功开发与测试充分证明了该技术方案的工程可行性和性能达标。