Soluzione per interruttore a corrente continua ad alta tensione ibrido a raddrizzatore

I. Contesto del progetto e analisi dei requisiti​
Con l'avanzamento della transizione energetica, la tecnologia di trasmissione continua flessibile basata su convertitori a sorgente di tensione (VSC) è diventata una soluzione chiave per l'integrazione di energie rinnovabili su larga scala e per il miglioramento delle capacità di trasmissione a lunga distanza, grazie ai suoi vantaggi come il controllo indipendente della potenza attiva e reattiva e il basso contenuto armonico. La costruzione di reti DC flessibili è una tendenza inevitabile. In questo contesto, gli interruttori a corrente continua ad alta tensione, come dispositivi di protezione centrali per l'isolamento rapido dei guasti e la garanzia della sicurezza e stabilità della rete, sono estremamente importanti. Senza interruttori a corrente continua ad alto rendimento, la flessibilità operativa e l'affidabilità dell'energia elettrica nelle reti DC flessibili sarebbero gravemente limitate.

Le tecnologie attuali degli interruttori a corrente continua ad alta tensione hanno limitazioni significative:

• ​Interruttori meccanici: Anche se offrono bassi consumi in stato conduttivo e alta resistenza al sovraccarico, il loro tempo di interruzione è nell'ordine di decine di millisecondi, non riuscendo a soddisfare il rigido requisito di isolamento dei guasti a livello di millisecondi nelle reti DC flessibili.
• ​Interruttori completamente a stato solido: Basati su dispositivi semiconduttori, forniscono un'interruzione estremamente rapida, ma soffrono di elevati consumi in stato conduttivo, costi operativi elevati ed efficienza economica scarsa.
• ​Interruttori ibridi tradizionali: Sebbene combinino i bassi consumi degli interruttori meccanici e l'interruzione rapida degli interruttori a stato solido, la loro topologia richiede IGBT in serie in entrambe le direzioni, risultando in una bassa utilizzazione dei dispositivi, complessità del sistema e costi elevati.

Per risolvere questi collo di bottiglia tecnologici, c'è un urgente bisogno di una nuova soluzione di interruttore a corrente continua che combini capacità di interruzione rapida, bassi consumi operativi, alta efficienza economica e alta affidabilità.

​II. Soluzione: Interruttore a corrente continua ibrido ad alta tensione di tipo rettificatore​
Questa soluzione propone una topologia innovativa di interruttore a corrente continua ibrido ad alta tensione di tipo rettificatore, affrontando fondamentalmente i limiti delle tecnologie esistenti.

​​(I) Tecnologia centrale: Topologia circuitale innovativa​
La topologia di questo interruttore consiste in un ramo portante e un ramo di interruzione collegati in parallelo.

1. ​Ramo portante:
• ​Composizione: Comprende un interruttore meccanico ad alta velocità (S1) e un gruppo valvolare portante (Q1) connessi in serie.
• ​Caratteristiche: S1 ha una resistenza di contatto estremamente bassa (solo pochi micro-ohm), e Q1 è composto da un piccolo numero di IGBT con un basso calo di tensione in conduzione. Durante il normale funzionamento, la corrente nominale scorre attraverso questo ramo, garantendo consumi estremamente bassi in stato conduttivo.
2. ​Ramo di interruzione:
• ​Composizione: Utilizza una struttura a ponte rettificatore, composta da un gruppo valvolare di commutazione a ponte (D1-D4, formato da diodi in serie), un gruppo valvolare di interruzione unidirezionale (Q2, formato da IGBT in serie) e un resistor non lineare (MOV1, parafulmine).
• ​Vantaggio principale: La struttura a ponte rettificatore realizza astutamente la commutazione della corrente, consentendo al gruppo valvolare di interruzione unidirezionale (Q2) di interrompere correnti di guasto a corrente continua bidirezionale. Rispetto alle topologie ibride tradizionali, il numero di IGBT è ridotto di circa la metà. Poiché gli IGBT commerciali press-pack costano circa 10 volte più dei diodi dello stesso rating, e la riduzione degli IGBT diminuisce anche il numero di schede driver, questa topologia raggiunge una significativa riduzione dei costi e un miglioramento dell'affidabilità complessiva.

​​(II) Principio di funzionamento efficiente di interruzione​
Prendendo come esempio la corrente che scorre dal Porta 1 al Porta 2, il processo di interruzione si compone di quattro stadi:

1. ​Stadio 1 (t0–t1, occorrenza del guasto)​: Si verifica un cortocircuito sulla linea, causando un rapido aumento della corrente. In questo momento, S1 e Q1 sono in conduzione, Q2 è spento, e la corrente di guasto scorre completamente attraverso il ramo portante.
2. ​Stadio 2 (t1–t2, trasferimento della corrente)​: Il sistema di controllo emette un comando di apertura, accendendo Q2 e spegnendo Q1. La conduzione di Q2 genera una tensione di commutazione sul braccio del ponte, costringendo la corrente a trasferirsi dal ramo portante al ramo di interruzione (percorso: D1 → Q2 → D4).
3. ​Stadio 3 (t2–t3, interruzione dell'interruttore meccanico)​: Dopo che la corrente nel ramo portante è completamente trasferita, l'interruttore meccanico ad alta velocità S1 interrompe in condizioni di corrente e tensione zero senza arco, stabilendo la resistenza isolante.
4. ​Stadio 4 (t3–t4, dissipazione della corrente di guasto)​: Dopo che S1 è completamente interrotto, Q2 viene spento. Lo spegnimento di Q2 genera una sovratensione transitoria attraverso l'interruttore, attivando MOV1 per far defluire la corrente di guasto in MOV1 fino a quando l'energia è esaurita, la corrente scende a zero e l'isolamento del guasto è completato.

Il principio di interruzione per la corrente inversa è lo stesso, guidato dal ponte diodi (D2, D3) a fluire attraverso Q2.

​​(III) Strategia di controllo intelligente​

1. ​Strategia di controllo pre-interruzione:
• ​Scopo: Superare il collo di bottiglia del tempo di apertura dell'interruttore meccanico ad alta velocità (circa 2 ms), ridurre il tempo totale di interruzione e attenuare la corrente di guasto massima.
• ​Logica: Attraverso il monitoraggio in tempo reale della tensione della barra, della tensione della linea e della corrente della linea (un totale di 6 criteri, come mostrato nella Tabella 1), una volta che qualsiasi criterio anomalo sia attivato, viene avviata in anticipo l'operazione pre-interruzione (trasferimento della corrente al ramo di interruzione e apertura di S1). Se successivamente viene ricevuto un comando di apertura formale, l'interruzione è completata; se si tratta di un falso allarme, la corrente viene trasferita nuovamente al ramo portante per riprendere il funzionamento normale.
• ​Effetto: Le simulazioni dimostrano che questa strategia può attenuare la corrente di guasto da 25 kA a 17 kA, con il tempo totale di interruzione stabilizzato entro 3 ms.

​Tabella 1: Criteri di attivazione pre-interruzione​

1. ​Strategia di controllo di chiusura morbida:
• ​Scopo: Affrontare i potenziali problemi di sovratensione e oscillazioni del sistema al momento della chiusura, senza la necessità di resistori e interruttori aggiuntivi, risparmiando costi e spazio.
• ​Logica: Il ramo di interruzione è trattato come composto da più unità a media tensione connesse in serie. Durante la chiusura, queste unità a media tensione vengono accese sequenzialmente e in modo controllato per stabilire gradualmente un percorso. Dopo ogni passo, viene eseguita la rilevazione del guasto. Se non viene rilevato alcun guasto, il processo continua fino a quando tutte le unità sono accese. Infine, viene chiuso il ramo portante e spento il ramo di interruzione. Se durante il processo viene rilevato un guasto, la chiusura viene immediatamente annullata.
• ​Applicabilità: Adatta per la chiusura normale e la ricompattazione automatica dopo la dissipazione del guasto. Le simulazioni verificano l'assenza di sovratensione o oscillazioni.

​III. Sviluppo del prototipo e verifica sperimentale​

​​(I) Parametri chiave e struttura del prototipo​
È stato sviluppato un prototipo ingegneristico di interruttore a corrente continua a 500 kV con i seguenti parametri chiave:

• ​Progettazione strutturale:
• ​Ramo portante: Poiché porta corrente per periodi prolungati, Q1 è dotato di un sistema di raffreddamento ad acqua e posizionato nella parte inferiore della torre valvolare; S1 è composto da più interruttori a vuoto in serie, azionati da un meccanismo di repulsione elettromagnetica, e posizionato nella parte superiore della torre valvolare.
• ​Ramo di interruzione: Composto da 10 unità a media tensione in serie da 50 kV, installate in 2 torri valvolari (5 strati ciascuna). Q2 adotta un design IGBT doppio in parallelo per soddisfare la capacità di interruzione. Questo ramo non porta corrente durante il funzionamento normale, quindi non richiede raffreddamento, risultando in un design più snello.

​​(II) Risultati della verifica sperimentale​
Il prototipo è stato sottoposto a rigorosi test utilizzando un circuito sperimentale equivalente (circuito LC oscillante):

• ​Tempo di commutazione: Il tempo di trasferimento della corrente dal ramo portante al ramo di interruzione era < 300 μs.
• ​Tempo totale di interruzione: Dal ricevimento del comando di apertura all'inizio della caduta della corrente, è stato di circa 2,9 ms, soddisfacendo l'obiettivo di progettazione di <3 ms.
• ​Sovratensione transitoria: È stata generata una sovratensione istantanea di circa 800 kV durante l'interruzione, coerente con il livello di protezione MOV, controllata e sicura.
• ​Conclusione: Gli esperimenti hanno confermato con successo la fattibilità, l'efficacia e l'eccellente prestazione della topologia di interruttore a corrente continua ibrido ad alta tensione di tipo rettificatore.

​IV. Conclusioni principali:

1. La topologia ibrida di tipo rettificatore proposta in questa soluzione utilizza un design innovativo con un ponte diodi per ottenere il controllo della corrente bidirezionale, riducendo l'utilizzo di IGBT di circa il 50% rispetto alle soluzioni tradizionali, offrendo notevoli vantaggi in termini di efficienza economica e affidabilità.
2. Le strategie di controllo intelligenti pre-interruzione e di chiusura morbida risolvono efficacemente i problemi di ritardo nell'azione degli interruttori meccanici e dell'impatto della chiusura, migliorando le prestazioni dinamiche complessive del sistema.
3. Lo sviluppo e i test di successo del prototipo ingegneristico a 500 kV/25 kA dimostrano pienamente la fattibilità ingegneristica e la conformità alle prestazioni di questo approccio tecnico.