整流型ハイブリッド高圧直流回路遮断器ソリューション

I. プロジェクトの背景と要件分析​
エネルギー転換が深まるにつれて、電圧ソースコンバータ（VSC）ベースの柔軟な直流送電技術は、有効・無効電力の独立制御や低高調波といった利点により、大規模再生可能エネルギーの統合と長距離送電能力の向上のための主要な解決策となっています。この文脈で、柔軟な直流グリッドの建設は必然的なトレンドです。その中で、高電圧直流遮断器は、迅速な故障隔離とグリッドの安全性・安定性を確保するための核心的な保護装置であり、極めて重要です。高性能な直流遮断器がない場合、柔軟な直流グリッドの運用の柔軟性と供給の信頼性は大幅に制約されます。

現在主流の高電圧直流遮断器技術には、以下の大きな制限があります：

• ​機械式遮断器: 低オン抵抗と高い耐電圧を持つ一方で、遮断時間が数十ミリ秒であり、柔軟な直流グリッドにおけるミリ秒単位での迅速な故障隔離の厳格な要求を満たすことができません。
• ​全固体遮断器: 半導体デバイスに基づいており、非常に高速な遮断が可能ですが、オン時の損失が大きく、運転コストが高く、経済効率が悪いという問題があります。
• ​従来型ハイブリッド遮断器: 機械スイッチの低損失と固体スイッチの高速遮断を組み合わせていますが、そのトポロジーでは正逆両方向にIGBTを直列接続する必要があり、デバイスの利用率が低く、システムが複雑でコストが高いという問題があります。

これらの技術的ボトルネックに対処するためには、高速遮断能力、低運転損失、高い経済効率、および高信頼性を兼ね備えた新しい直流遮断器のソリューションが必要です。

​II. ソリューション：整流型ハイブリッド高電圧直流遮断器​
このソリューションでは、既存の技術の制限を根本的に解決する革新的な整流型ハイブリッド高電圧直流遮断器のトポロジーを提案します。

​​(I) 核心技術：革新的な回路トポロジー​
この遮断器のトポロジーは、並列接続された通電ブランチと遮断ブランチから構成されています。

1. ​通電ブランチ:
• ​構成: 高速機械スイッチ（S1）と通電バルブグループ（Q1）を直列に接続しています。
• ​特徴: S1は非常に低い接触抵抗（数μΩ程度）を持ち、Q1は少数のIGBTで構成され、低導通電圧降下を持っています。通常動作時には定格電流がこのブランチを通りますので、極めて低いオン損失が保証されます。
2. ​遮断ブランチ:
• ​構成: ブリッジ整流構造を使用し、複数の直列接続されたダイオード（D1-D4）で形成されるブリッジ換流バルブグループ、複数の直列接続されたIGBT（Q2）で形成される単方向遮断バルブグループ、および非線形抵抗（MOV1、アーレスター）で構成されています。
• ​核心的な利点: ブリッジ整流構造は、巧みに電流の換流を実現し、単方向IGBT遮断バルブグループ（Q2）が双方向直流故障電流を遮断することができます。従来のハイブリッドトポロジーと比較して、IGBTの数は約半分に削減されます。商業用プレスパックIGBTは同じ評価のダイオードよりも約10倍のコストがかかりますが、IGBTの数が減少することでドライバボードの数も減少し、このトポロジーは大幅なコスト削減と全体的な信頼性の向上を達成します。

​​(II) 効率的な遮断動作原理​
ポート1からポート2への電流流れを例にとって、遮断過程は以下の4つのステージで構成されます：

1. ​ステージ1 (t0–t1, 故障発生)​: 線路上で短絡故障が発生し、電流が急激に上昇します。この時、S1とQ1は導通しており、Q2はオフで、故障電流は完全に通電ブランチを通ります。
2. ​ステージ2 (t1–t2, 電流移行)​: 制御システムが開放命令を出し、Q2をオンにしてQ1をオフにします。Q2の導通によりブリッジアームに換流電圧が生成され、電流が通電ブランチから遮断ブランチへ（パス：D1 → Q2 → D4）に移行します。
3. ​ステージ3 (t2–t3, 機械スイッチの遮断)​: 通電ブランチの電流が完全に移行した後、高速機械スイッチS1はゼロ電流・ゼロ電圧条件下でアークなしで遮断し、絶縁強度を確立します。
4. ​ステージ4 (t3–t4, 故障電流のクリアランス)​: S1が完全に遮断された後、Q2をオフにします。Q2のオフにより遮断器間に一時的な過電圧が生成され、MOV1が導通し、故障電流がMOV1へと流れ込み、エネルギーが消え、電流がゼロになり、故障隔離が完了します。

逆向きの電流の遮断原理も同様で、ダイオードブリッジ（D2, D3）によってQ2を通って流れます。

​​(III) 知能制御戦略​

1. ​前遮断制御戦略:
• ​目的: 高速機械スイッチの開放時間（約2 ms）の割合が高いというボトルネックを克服し、総遮断時間を短縮し、ピーク故障電流を抑制します。
• ​論理: バス電圧、ライン電圧、ライン電流（合計6基準、表1参照）をリアルタイムで監視し、異常基準がトリガーされたら、事前に前遮断操作（電流を遮断ブランチに移動し、S1を開く）を開始します。正式な開放命令がその後に受信された場合は遮断が完了し、誤報であれば電流は通電ブランチに戻り通常動作に戻ります。
• ​効果: シミュレーションでは、この戦略により故障電流が25 kAから17 kAに抑制され、総遮断時間は3 ms以内に安定することが示されています。

​表1: 前遮断アクティベーション基準​

1. ​ソフトクローズ制御戦略:
• ​目的: 閉鎖時に発生する可能性のある過電圧とシステム振動の問題に対処し、追加の抵抗器とスイッチの必要性を排除し、コストとスペースを節約します。
• ​論理: 遮断ブランチは複数の中電圧ユニットを直列に接続したものとして扱います。閉鎖時にはこれらの各ユニットを順次制御して徐々に経路を確立します。各ステップ後に故障検出を行い、故障が検出されない限りプロセスを継続し、すべてのユニットがオンになるまで続けます。最後に通電ブランチを閉じ、遮断ブランチをオフにします。途中で故障が検出された場合は閉鎖を即座に中止します。
• ​適用範囲: 正常閉鎖と故障クリアランス後の自動再閉鎖に適しています。シミュレーションでは過電圧や振動が発生しないことが確認されています。

​III. プロトタイプの開発と実験的検証​

​​(I) プロトタイプの主要パラメータと構造​
以下のような主要パラメータを持つ500 kV直流遮断器のエンジニアリングプロトタイプを開発しました：

• ​構造設計:
• ​通電ブランチ: 長期間電流を流すため、Q1には水冷システムが装備され、バルブタワーの底部に配置されています；S1は複数の真空スイッチを直列に接続し、電磁反発機構によって駆動され、バルブタワーの上部に配置されています。
• ​遮断ブランチ: 10個の直列接続された50 kV中電圧ユニットで構成され、2つのバルブタワー（各5層）に設置されています。Q2は二重並列IGBT設計を採用し、遮断容量を満たしています。このブランチは通常動作時には電流を流さないので冷却は不要であり、より簡潔な設計になっています。

​​(II) 実験的検証結果​
プロトタイプは等価実験回路（LC振動回路）を使用して厳格なテストを受けました：

• ​換流時間: 通電ブランチから遮断ブランチへの電流移行時間は< 300 μsでした。
• ​総遮断時間: 開放命令を受け取ってから電流が低下し始めるまでの時間は約2.9 msで、設計目標の<3 msを満たしています。
• ​瞬間過電圧: 遮断中に約800 kVの瞬間過電圧が生成されましたが、これはMOV保護レベルと一致し、制御され安全でした。
• ​結論: 実験は整流型ハイブリッド高電圧直流遮断器トポロジーの実現可能性、有効性、優れた性能を成功裏に検証しました。

​IV. 核心的な結論:

1. 本ソリューションで提案された整流型ハイブリッドトポロジーは、ダイオードブリッジを使用して双方向電流制御を実現し、従来のソリューションと比較してIGBTの使用量を約50%削減し、経済効率と信頼性において顕著な利点を持っています。
2. 知能前遮断とソフトクローズ制御戦略は、機械スイッチの動作遅延と閉鎖時のインパクトの問題を効果的に解決し、システム全体の動的性能を向上させます。
3. 500 kV/25 kAエンジニアリングプロトタイプの開発とテストの成功は、この技術アプローチのエンジニアリング的な実現可能性と性能適合性を完全に示しています。