Dikdörtgen Tipi Hibrit Yüksek Gerilimli DC Devre Kesici Çözümü

I. Proje Arka Planı ve İhtiyaç Analizi​
Enerji dönüşümünün derinlemesine ilerlemesiyle, gerilim kaynağı dönüştürücüsü (VSC) tabanlı esnek DC iletim teknolojisi, aktif ve reaktif güç üzerinde bağımsız kontrol sağlama ve düşük harmonik içeriği gibi avantajları nedeniyle, büyük ölçekli yenilenebilir enerjinin entegrasyonu ve uzun mesafe güç iletim yeteneklerinin artırılmasında kilit bir çözüm haline gelmiştir. Esnek DC ağlarının inşası kaçınılmaz bir trenddir. Bu bağlamda, hızlı arızayı izole etme ve ağ güvenliği ve istikrarını sağlama konusunda merkezi koruma cihazı olan yüksek gerilimli DC devre kesicileri çok önemlidir. Yüksek performanslı DC devre kesiciler olmadan, esnek DC ağlarının operasyonel esnekliği ve güç sağlamlığı ciddi şekilde kısıtlanır.

Şu anki ana akım yüksek gerilimli DC devre kesici teknolojilerinde önemli sınırlamalar bulunmaktadır:

• ​Mekanik Devre Kesiciler: Düşük devrede kayıp ve yüksek dayanıklılık sunsa da, kesme süresi onlarca milisaniye olup, esnek DC ağlarında milisaniye düzeyinde hızlı arızayı izole etme gerekliliğini karşılayamamaktadır.
• ​Tüm-Solid Devre Kesiciler: Yarı iletken cihazlara dayanan bu devre kesiciler, son derece hızlı kesmeyi sağlasa da, aşırı devrede kaybı, yüksek işletme maliyetleri ve zayıf ekonomik verimlilikle karşı karşıyadır.
• ​Geleneksel Hibrit Devre Kesiciler: Mekanik anahtarların düşük kaybı ve katı hallerin hızlı kesme özelliklerini birleştirirken, topolojisi her iki yönde de seri bağlantılı IGBT'ler gerektirir, bu da cihaz kullanımı düşük, sistem karmaşık ve maliyet yüksektir.

Bu teknik engelleri çözmek için, hızlı kesme yeteneği, düşük işletme kaybı, yüksek ekonomik verimlilik ve yüksek güvenilirlik kombinasyonunu sağlayan yeni bir DC devre kesici çözümüne acil ihtiyaç vardır.

​II. Çözüm: Dönüştürücü Tipi Hibrit Yüksek Gerilimli DC Devre Kesicisi​
Bu çözüm, mevcut teknolojilerin sınırlamalarını temel olarak ele alarak, yenilikçi bir dönüştürücü tipi hibrit yüksek gerilimli DC devre kesicisi topolojisini önermektedir.

​​(I) Temel Teknoloji: Yenilikçi Devre Topolojisi​
Bu devre kesicinin topolojisi, paralel bağlı bir akım taşıma dalı ve bir akım kesme dalından oluşur.

1. ​Akım Taşıma Dalı:
• ​Yapısı: Seri bağlı bir yüksek hız mekanik anahtar (S1) ve akım taşıma van grubu (Q1)'ndan oluşur.
• ​Özellikleri: S1'in kontakt direnci son derece düşüktür (sadece onlarca mikro-ohm), Q1 ise düşük iletkenlik voltaj düşümü olan az sayıda IGBT'den oluşur. Normal işletme sırasında, belirlenmiş akım bu daldan geçer, bu da son derece düşük devrede kaybı sağlar.
2. ​Akım Kesme Dalı:
• ​Yapısı: Köprü dikdörtgen yapıyı kullanır, birden fazla seri bağlantılı diyodlardan oluşan bir köprü komütasyon van grubu (D1-D4), birden fazla seri bağlantılı IGBT'den oluşan tek yönlü kesme van grubu (Q2) ve doğrusal olmayan bir direnç (MOV1, yıldırım tutucu) içerir.
• ​Kilit Avantajı: Köprü dikdörtgen yapısı, akım komütasyonunu zeki bir şekilde gerçekleştirerek, tek yönlü IGBT kesme van grubu (Q2) çift yönlü DC arızası akımını kesmeyi sağlar. Geleneksel hibrit topolojilere kıyasla, IGBT sayısı yaklaşık yarıya indirilir. Ticari press-pack IGBT'lerin aynı dereceli diyodlardan yaklaşık 10 kat daha pahalı olması ve IGBT sayısının azalması eşlik eden sürücü kartlarının sayısını da azalttığı düşünüldüğünde, bu topoloji önemli maliyet tasarrufu ve genel güvenilirlik artışı sağlar.

​​(II) Etkili Kesme Çalışma Prensibi​
Port 1'den Port 2'ye akan akımı örnek olarak alarak, kesme süreci dört aşamadan oluşur:

1. ​Aşama 1 (t0–t1, Arıza Oluşumu)​: Hat üzerinde kısa devre arızası oluşur, bu da akımın keskin bir şekilde yükselmesine neden olur. Bu sırada, S1 ve Q1 devrede, Q2 kapalı olup, arıza akımı tamamen akım taşıma dalından geçer.
2. ​Aşama 2 (t1–t2, Akım Transferi)​: Kontrol sistemi açma emri verir, Q2'yi açar ve Q1'i kapatır. Q2'nin devre girişi, köprü koluna komütasyon gerilimi oluşturur, bu da akımın akım taşıma dalından akım kesme dalına (yol: D1 → Q2 → D4) transferini zorunlu kılar.
3. ​Aşama 3 (t2–t3, Mekanik Anahtar Kesme)​: Akım taşıma dalındaki akım tamamen transfer edildikten sonra, yüksek hızlı mekanik anahtar S1, sıfır akım ve sıfır gerilim koşullarında ark oluşturmadan kesilir, yalıtım gücünü sağlar.
4. ​Aşama 4 (t3–t4, Arıza Akımı Temizleme)​: S1 tamamen kesildikten sonra, Q2 kapatılır. Q2'nin kapanması, devre kesicinin her iki ucunda geçici aşırı gerilim oluşturur, MOV1'in devre girmesini tetikler ve arıza akımını MOV1'e yönlendirerek dağıtır, böylece enerji tükenene kadar, akım sıfıra düşer ve arıza izolasyonu tamamlanır.

Ters akım için kesme prensibi aynıdır, diode köprü (D2, D3) tarafından yönlendirilerek Q2 üzerinden akar.

​​(III) Zeki Kontrol Stratejisi​

1. ​Ön-Kesme Kontrol Stratejisi:
• ​Amacı: Yüksek hızlı mekanik anahtarın açılma süresinin (yaklaşık 2 ms) yüksek oranını aşmak, toplam kesme süresini kısaltmak ve zirve arıza akımını bastırmak.
• ​Mantık: Ana hat gerilimi, hat gerilimi ve hat akımı (toplam 6 kriter, Tablo 1'de gösterildiği gibi) gerçek zamanlı izlenir, herhangi bir anormal kriter tetiklendiğinde, ön-kesme işlemi erken başlatılır (akımın akım kesme dalına transferi ve S1'in açılması). Daha sonra resmi bir açma emri alındığında, kesme tamamlanır; yanlış alarm durumunda, akım tekrar akım taşıma dalına transfer edilir ve normal işletme devam eder.
• ​Etkisi: Simülasyonlar, bu stratejinin arıza akımını 25 kA'dan 17 kA'ya indirebildiğini ve toplam kesme süresinin 3 ms içinde sabitlendiğini göstermiştir.

​Tablo 1: Ön-Kesme Etkinleştirme Kriterleri​

1. ​Yumuşak Kapama Kontrol Stratejisi:
• ​Amacı: Kapama anında potansiyel aşırı gerilim ve sistem salınımları sorunlarını çözmek, ek dirençler ve anahtarlar olmadan maliyet ve alanı tasarruf etmek.
• ​Mantık: Akım kesme dalı, seride bağlantılı birden fazla orta gerilim ünitesinden oluşmuş olarak değerlendirilir. Kapama sırasında, bu orta gerilim üniteleri sırayla ve kontrollü bir şekilde devreye alınarak adım adım bir yol oluşturulur. Her adımdan sonra arıza tespiti yapılır. Eğer arıza tespit edilmezse, süreç tüm ünitelerin devreye alınmasına kadar devam eder. Son olarak, akım taşıma dalı kapatılır ve akım kesme dalı kapatılır. Süreci boyunca arıza tespit edilirse, kapama hemen iptal edilir.
• ​Uygulanabilirlik: Normal kapama ve arıza temizlemeden sonra otomatik yeniden kapama için uygundur. Simülasyonlar, aşırı gerilim veya salınımların olmadığını doğrular.

​III. Prototip Geliştirme ve Deneysel Doğrulama​

​​(I) Prototipin Ana Parametreleri ve Yapısı​
Aşağıdaki ana parametrelerle 500 kV DC devre kesicisi mühendislik prototipi geliştirilmiştir:

• ​Yapısal Tasarım:
• ​Akım Taşıma Dalı: Uzun süre akım taşıdığı için, Q1 su soğutmalı sistemle donatılmıştır ve van kulesinin altına yerleştirilmiştir; S1, elektromanyetik itme mekanizması ile sürüklenen birden fazla vakum anahtardan oluşur ve van kulesinin üst kısmına yerleştirilmiştir.
• ​Akım Kesme Dalı: 10 seri bağlantılı 50 kV orta gerilim ünitesinden oluşur, 2 van kulesinde (her biri 5 kat) monte edilmiştir. Q2, kesme kapasitesini karşılamak için çift paralel IGBT tasarımını kullanır. Bu dal normal işletme sırasında akım taşımaz, bu nedenle soğutma gerekmemekte ve daha basitleştirilmiş bir tasarım elde edilmektedir.

​​(II) Deneysel Doğrulama Sonuçları​
Prototip, eşdeğer deneysel devre (LC salınımlı devre) kullanılarak sıkı testlere tabi tutulmuştur:

• ​Komütasyon Süresi: Akımın akım taşıma dalından akım kesme dalına transferi < 300 μs sürmüştür.
• ​Toplam Kesme Süresi: Açma emri alındığından akımın düşmeye başladığına kadar geçen süre yaklaşık 2.9 ms olmuştur, <3 ms tasarım hedefine uygun olarak.
• ​Geçici Aşırı Gerilim: Kesme sırasında yaklaşık 800 kV ani aşırı gerilim oluşmuştur, MOV koruma seviyesiyle uyumlu ve kontrol altında güvenli olmuştur.
• ​Sonuç: Deneyler, dönüştürücü tipi hibrit yüksek gerilimli DC devre kesicisi topolojisinin uygulanabilirliğini, etkinliğini ve mükemmel performansını başarıyla doğrulamıştır.

​IV. Ana Sonuçlar:

1. Bu çözümda önerilen dönüştürücü tipi hibrit topoloji, diode köprüsü kullanarak çift yönlü akım kontrolünü sağlayarak, geleneksel çözümlere kıyasla IGBT kullanımını yaklaşık %50 azaltmış, ekonomik verimlilik ve güvenilirlik açısından önemli avantajlar sağlamıştır.
2. Zeki ön-kesme ve yumuşak kapama kontrol stratejileri, mekanik anahtar hareket gecikmesi ve kapama etkisi sorunlarını etkili bir şekilde çözer, sistemin genel dinamik performansını artırır.
3. 500 kV/25 kA mühendislik prototipinin başarılı geliştirilmesi ve test edilmesi, bu teknik yaklaşımın mühendislik uygulanabilirliğini ve performans uyumluluğunu tam olarak göstermiştir.