Solusi Pemutus Sirkuit DC Tegangan Tinggi Hibrid Tipe Rectifier

I. Latar Belakang Proyek dan Analisis Kebutuhan​
Dengan semakin mendalamnya kemajuan transisi energi, teknologi transmisi DC fleksibel berbasis konverter sumber tegangan (VSC) telah menjadi solusi kunci untuk integrasi energi terbarukan skala besar dan peningkatan kapabilitas transmisi jarak jauh, berkat keunggulannya seperti kontrol independen daya aktif dan reaktif serta kandungan harmonisa yang rendah. Pembangunan jaringan DC fleksibel adalah tren yang tidak terelakkan. Dalam konteks ini, pemutus sirkuit DC tekanan tinggi, sebagai perangkat proteksi inti untuk isolasi cepat kerusakan dan menjamin keamanan dan stabilitas jaringan, sangat penting. Tanpa pemutus sirkuit DC performa tinggi, fleksibilitas operasional dan keandalan pasokan listrik jaringan DC fleksibel akan sangat terbatas.

Teknologi pemutus sirkuit DC tekanan tinggi mainstream saat ini memiliki keterbatasan signifikan:

• ​Pemutus Sirkuit Mekanis: Meskipun mereka menawarkan kerugian on-state yang rendah dan tahanan tegangan tinggi, waktu pemutusan mereka mencapai puluhan milidetik, gagal memenuhi persyaratan ketat isolasi kerusakan pada level milidetik dalam jaringan DC fleksibel.
• ​Pemutus Sirkuit All-Solid-State: Berdasarkan perangkat semikonduktor, mereka memberikan pemutusan yang sangat cepat tetapi menderita kerugian on-state yang berlebihan, biaya operasional tinggi, dan efisiensi ekonomi yang buruk.
• ​Pemutus Sirkuit Hibrid Tradisional: Meskipun menggabungkan kerugian rendah dari saklar mekanis dan pemutusan cepat dari saklar semikonduktor, topologinya memerlukan IGBT seri di kedua arah, menghasilkan utilitas perangkat yang rendah, kompleksitas sistem, dan biaya tinggi.

Untuk mengatasi hambatan teknis ini, diperlukan solusi pemutus sirkuit DC baru yang menggabungkan kemampuan pemutusan cepat, kerugian operasional rendah, efisiensi ekonomi tinggi, dan keandalan tinggi.

​II. Solusi: Pemutus Sirkuit DC Tekanan Tinggi Hibrid Tipe Rectifier​
Solusi ini mengusulkan topologi pemutus sirkuit DC tekanan tinggi hibrid tipe rectifier inovatif, secara fundamental mengatasi keterbatasan teknologi yang ada.

​​(I) Teknologi Inti: Topologi Sirkuit Inovatif​
Topologi pemutus sirkuit ini terdiri dari cabang penghantar arus dan cabang pemutusan arus yang terhubung paralel.

1. ​Cabang Penghantar Arus:
• ​Komposisi: Terdiri dari saklar mekanis berkecepatan tinggi (S1) dan kelompok katup penghantar arus (Q1) yang terhubung seri.
• ​Ciri-ciri: S1 memiliki resistansi kontak yang sangat rendah (hanya beberapa mikro-ohm), dan Q1 terdiri dari sejumlah kecil IGBT dengan jatuh tegangan konduksi rendah. Selama operasi normal, arus nominal mengalir melalui cabang ini, memastikan kerugian on-state yang sangat rendah.
2. ​Cabang Pemutusan Arus:
• ​Komposisi: Menggunakan struktur rectifier jembatan, terdiri dari kelompok katup kommutasi jembatan (D1-D4, dibentuk oleh beberapa dioda seri), kelompok katup pemutusan unidirectional (Q2, dibentuk oleh beberapa IGBT seri), dan resistor non-linear (MOV1, pelindung).
• ​Keunggulan Inti: Struktur rectifier jembatan secara cerdik mencapai kommutasi arus, memungkinkan kelompok katup pemutusan IGBT unidirectional (Q2) memutus arus DC kerusakan bidirectional. Dibandingkan dengan topologi hibrid tradisional, jumlah IGBT berkurang sekitar setengahnya. Mengingat bahwa IGBT press-pack komersial berharga sekitar 10 kali lebih mahal daripada dioda dengan rating yang sama, dan pengurangan IGBT juga mengurangi jumlah papan driver pendamping, topologi ini mencapai pengurangan biaya yang signifikan dan peningkatan keandalan keseluruhan.

​​(II) Prinsip Kerja Pemutusan Efisien​
Mengambil contoh arus yang mengalir dari Port 1 ke Port 2, proses pemutusan terdiri dari empat tahap:

1. ​Tahap 1 (t0–t1, Terjadinya Kerusakan)​: Kerusakan pendek terjadi pada jalur, menyebabkan arus naik tajam. Pada saat itu, S1 dan Q1 sedang menghantar, Q2 mati, dan arus kerusakan mengalir sepenuhnya melalui cabang penghantar arus.
2. ​Tahap 2 (t1–t2, Transfer Arus)​: Sistem kontrol mengeluarkan perintah pembukaan, menghidupkan Q2 dan mematikan Q1. Konduksi Q2 menghasilkan tegangan kommutasi pada lengan jembatan, memaksa arus untuk beralih dari cabang penghantar arus ke cabang pemutusan arus (jalur: D1 → Q2 → D4).
3. ​Tahap 3 (t2–t3, Pemutusan Saklar Mekanis)​: Setelah arus di cabang penghantar arus sepenuhnya beralih, saklar mekanis berkecepatan tinggi S1 memutus tanpa busur api di bawah kondisi nol arus dan nol tegangan, membangun kekuatan isolasi.
4. ​Tahap 4 (t3–t4, Pembersihan Arus Kerusakan)​: Setelah S1 sepenuhnya diputus, Q2 dimatikan. Pemutusan Q2 menghasilkan tegangan sementara yang sangat tinggi di seluruh pemutus sirkuit, memicu MOV1 untuk menghantar dan mengalihkan arus kerusakan ke MOV1 untuk diserap hingga energi habis, arus turun menjadi nol, dan isolasi kerusakan selesai.

Prinsip pemutusan untuk arus balik sama, dipandu oleh jembatan dioda (D2, D3) untuk mengalir melalui Q2.

​​(III) Strategi Kontrol Cerdas​

1. ​Strategi Kontrol Pra-Pemutusan:
• ​Tujuan: Untuk mengatasi hambatan proporsi waktu pembukaan saklar mekanis berkecepatan tinggi (sekitar 2 ms), mempersingkat waktu pemutusan total, dan menekan puncak arus kerusakan.
• ​Logika: Dengan pemantauan real-time tegangan bus, tegangan jalur, dan arus jalur (total 6 kriteria, seperti ditunjukkan dalam Tabel 1), begitu kriteria abnormal terpicu, operasi pra-pemutusan dimulai lebih awal (mengalihkan arus ke cabang pemutusan arus dan membuka S1). Jika perintah pembukaan formal diterima, pemutusan diselesaikan; jika itu adalah alarm palsu, arus dialihkan kembali ke cabang penghantar arus untuk melanjutkan operasi normal.
• ​Dampak: Simulasi menunjukkan bahwa strategi ini dapat menekan arus kerusakan dari 25 kA menjadi 17 kA, dengan waktu pemutusan total stabil dalam 3 ms.

​Tabel 1: Kriteria Aktivasi Pra-Pemutusan​

1. ​Strategi Kontrol Penutupan Lembut:
• ​Tujuan: Untuk mengatasi potensi overvoltage dan osilasi sistem pada saat penutupan, tanpa perlu tambahan resistor dan saklar, menghemat biaya dan ruang.
• ​Logika: Cabang pemutusan arus dianggap terdiri dari beberapa unit tegangan menengah yang terhubung seri. Selama penutupan, unit-unit tegangan menengah ini dihidupkan secara berurutan dan terkontrol untuk secara bertahap membangun jalur. Setelah setiap langkah, deteksi kerusakan dilakukan. Jika tidak ada kerusakan yang terdeteksi, proses berlanjut hingga semua unit dihidupkan. Akhirnya, cabang penghantar arus ditutup, dan cabang pemutusan arus dimatikan. Jika kerusakan terdeteksi selama proses, penutupan segera dihentikan.
• ​Applicability: Cocok untuk penutupan normal dan penutupan otomatis setelah pembersihan kerusakan. Simulasi memverifikasi tidak adanya overvoltage atau osilasi.

​III. Pengembangan Prototipe dan Verifikasi Eksperimental​

​​(I) Parameter Kunci dan Struktur Prototipe​
Prototipe pemutus sirkuit DC 500 kV dikembangkan dengan parameter kunci berikut:

• ​Desain Struktural:
• ​Cabang Penghantar Arus: Sebagai penghantar arus untuk periode yang lama, Q1 dilengkapi dengan sistem pendingin air dan ditempatkan di bagian bawah menara katup; S1 terdiri dari beberapa saklar vakum seri, didorong oleh mekanisme repulsif elektromagnetik, dan ditempatkan di bagian atas menara katup.
• ​Cabang Pemutusan Arus: Terdiri dari 10 unit tegangan menengah 50 kV yang terseri, terpasang di 2 menara katup (5 lapisan masing-masing). Q2 menggunakan desain IGBT ganda paralel untuk memenuhi kapasitas pemutusan. Cabang ini tidak menghantar arus selama operasi normal, sehingga tidak memerlukan pendinginan, menghasilkan desain yang lebih ramping.

​​(II) Hasil Verifikasi Eksperimental​
Prototipe menjalani pengujian yang ketat menggunakan rangkaian eksperimental ekuivalen (rangkaian LC berosilasi):

• ​Waktu Kommutasi: Waktu transfer arus dari cabang penghantar arus ke cabang pemutusan arus < 300 μs.
• ​Waktu Pemutusan Total: Dari menerima perintah pembukaan hingga arus mulai turun, membutuhkan sekitar 2.9 ms, memenuhi target desain <3 ms.
• ​Overvoltage Sementara: Overvoltage instan sekitar 800 kV terjadi selama pemutusan, sesuai dengan tingkat perlindungan MOV, terkontrol dan aman.
• ​Kesimpulan: Eksperimen berhasil memverifikasi kelayakan, efektivitas, dan kinerja unggul topologi pemutus sirkuit DC tekanan tinggi hibrid tipe rectifier.

​IV. Kesimpulan Inti:

1. Topologi hibrid tipe rectifier yang diusulkan dalam solusi ini menggunakan desain inovatif dengan jembatan dioda untuk mencapai kontrol arus bidirectional, mengurangi penggunaan IGBT sekitar 50% dibandingkan dengan solusi tradisional, menawarkan keunggulan signifikan dalam efisiensi ekonomi dan keandalan.
2. Strategi kontrol pra-pemutusan dan penutupan lembut yang cerdas secara efektif mengatasi masalah penundaan aksi saklar mekanis dan dampak penutupan, meningkatkan kinerja dinamis keseluruhan sistem.
3. Pengembangan dan pengujian prototipe teknik 500 kV/25 kA yang sukses sepenuhnya menunjukkan kelayakan teknik dan kepatuhan kinerja pendekatan teknis ini.