Rectifikatora tipsa hibrīda augstsprieguma ķermeņa šķērsošanas risinājums

I. Projekta fons un prasību analīze​
Ar enerģijas pārveidošanas iedziļināšanos, bāzes strāvas pārveidotāju (VSC) balstītās elastīgās DC pārvades tehnoloģijas kļūst par galveno risinājumu lielapjoma atjaunojamās enerģijas integrācijai un ilgstošākas attāluma elektroenerģijas pārvades spējas uzlabošanai, tādēļ, ka tās piedāvā priekšrocības, piemēram, neatkarīgu aktīvo un reaktivā spēka kontrolēšanu un zemu harmonisko saturu. Elastīgo DC tīklu izveide ir neizbēgama tendence. Šajā kontekstā augstsprieguma DC līknes slodzes, kā ātri defektu atdalīšanas un tīkla drošības un stabilitātes galvenie aizsardzības ierīces, ir ļoti svarīgas. Bez augstspējīgām DC līknes slodzēm elastīgo DC tīklu darbības elastība un elektroenerģijas piegādes uzticamība tiktu nopietni ierobežotas.

Pašreizējās galvenās augstsprieguma DC līknes slodzes tehnoloģijas ir nozīmīgi ierobežotas:

• ​Mehāniskās līknes slodzes: Lai arī tās piedāvā zemas stratījuma zudējumus un augstu izturību, tos traucējuma laiks ir desmitiem milisekundēm, kas neatbilst elastīgo DC tīklu stingriem prasībām par milisekundes līmeņa ātru defektu atdalīšanu.
• ​Pilnībā caurumpārslodzes: Balstoties uz pusvadītāju ierīcēm, tās nodrošina ļoti ātru traucējumu, taču cieš no pārāk lieliem stratījuma zudējumiem, augsti izmaksām un nabadzīgu ekonomisko efektivitāti.
• ​Tradicionālas hibrīda līknes slodzes: Savienojot mehānisko slodžu zemos stratījuma zudējumus un caurumpārslodzes ātro traucējumu, to topoloģija prasa IGBT savienojumu abos virzienos, kas rada zemu ierīču izmantošanu, sistēmas sarežģītību un augstus izmaksas.

Lai risinātu šos tehniskos grūtības, ir steidzami nepieciešams jauns DC līknes slodzes risinājums, kas apvieno ātru traucējuma spēju, zemus darbības zudējumus, augstu ekonomisko efektivitāti un augstu uzticamību.

​II. Risinājums: Rektifikatora veida hibrīda augstsprieguma DC līknes slodze​
Šis risinājums piedāvā inovatīvu rektifikatora veida hibrīda augstsprieguma DC līknes slodzes topoloģiju, fundamentāli risinājot esošo tehnoloģiju ierobežojumus.

​​(I) Galvenā tehnoloģija: Inovatīva shēma​
Šīs līknes slodzes topoloģija sastāv no savienotas strāvas gāles un strāvas traucējošas gāles, kas savienotas paralēli.

1. ​Strāvas gāle:
• ​Sastāvs: Sastāv no augstākas ātruma mehāniskas slodzes (S1) un strāvas gāles vārdā (Q1), kas savienotas savienojumā.
• ​Izsekošanas raksturlielumi: S1 ir ļoti zema kontaktresistība ( tikai dažas mikrouomas), un Q1 sastāv no mazā skaita IGBT ar zemu vadības sprieguma kritumu. Normālā darbībā nominālā strāva plūst pa šo gāli, nodrošinot ļoti zemus stratījuma zudējumus.
2. ​Strāvas traucējoša gāle:
• ​Sastāvs: Izmanto mosta rektifikatora struktūru, kas sastāv no mosta komutācijas vārdu grupas (D1-D4, ko veido vairāki savienojumā esotie diodi), vienvirziena traucējoša vārdu grupas (Q2, ko veido vairāki savienojumā esotie IGBT) un nelineāras rezistora (MOV1, aizsargiekurs).
• ​Galvenā priekšrocība: Mosta rektifikatora struktūra drosmināti sasniedz strāvas komutāciju, ļaujot vienvirziena IGBT traucējošajai vārdu grupai (Q2) traucēt divvirziena DC defektstrāvu. Salīdzinājumā ar tradicionālajām hibrīda topoloģijām IGBT skaits samazināts aptuveni pusē. Ņemot vērā, ka komerciālie press-pack IGBT maksā aptuveni 10 reizes vairāk nekā diodi ar tādu pašu rādītāju, un IGBT skaita samazināšana arī samazina saistīto drīveru dārzu skaitu, šī topoloģija sasniedz būtisku izmaksu samazinājumu un kopējas uzticamības uzlabojumu.

​​(II) Efektīvs traucējuma darbības princips​
Piemēram, strāva, kas plūst no 1. punkta uz 2. punktu, traucējuma process sastāv no četriem posmiem:

1. ​1. posms (t0–t1, Defekts notiek)​: Virknē notiek īsā ceļa defekts, kas izraisa strāvas strauju pieaugumu. Šajā laikā S1 un Q1 ir vedēji, Q2 ir izslēgts, un defektstrāva pilnībā plūst pa strāvas gāli.
2. ​2. posms (t1–t2, Strāvas pārcelšana)​: Kontroles sistēma izdod atvēršanas komandu, ieslēdzot Q2 un izslēdzot Q1. Q2 kondukcija ģenerē komutācijas spriegumu mosta galeņā, piespiestot strāvu pārcelties no strāvas gāles uz strāvas traucējošo gāli (ceļš: D1 → Q2 → D4).
3. ​3. posms (t2–t3, Mehāniskās slodzes traucējums)​: Pēc tam, kad strāva strāvas gālē ir pilnībā pārcelta, augstākas ātruma mehāniskā slodze S1 traucē nulles strāvas un nulles sprieguma apstākļos bez arkādas, izveidojot izolācijas stiprumu.
4. ​4. posms (t3–t4, Defektstrāvas novēršana)​: Pēc tam, kad S1 ir pilnībā traucēts, Q2 tiek izslēgts. Q2 izslēgšana ģenerē pagaidu pārspriegumu pār līknes slodzi, aktivizējot MOV1, kas novirza defektstrāvu caur MOV1, līdz tā enerģija ir iztērēta, strāva samazinās līdz nullei, un defekts ir izolēts.

Atgriezto strāvas traucējuma princips ir tāds pats, kurā strāva tiek vērstā mosta diodu (D2, D3) vadībā caur Q2.

​​(III) Inteligenta kontrolēšanas stratēģija​

1. ​Priekštraucējuma kontrolēšanas stratēģija:
• ​Mērķis: Pārvarēt grūtības ar augstākas ātruma mehāniskās slodzes atvēršanas laika lielu proporciju (aptuveni 2 ms), saīsināt kopējo traucējuma laiku un samazināt defektstrāvas virsotnes vērtību.
• ​Loģika: Reāllaika uzraudzībā busa sprieguma, līnijas sprieguma un līnijas strāvas (kopā 6 kritēriji, kā redzams Tabulā 1), tiklīdz jebkurš neatbilstīgs kritērijs tiek aktivizēts, priekštraucējuma operācija tiek iepriekš sākta (strāvas pārcelšana uz strāvas traucējošo gāli un S1 atvēršana). Ja tālāk tiek saņemta formāla atvēršanas komanda, traucējums tiek pabeigts; ja tas ir falsais signāls, strāva tiek atkal pārcelta uz strāvas gāli, lai atsāktu normālo darbību.
• ​Efekts: Simulācijas rāda, ka šī stratēģija var samazināt defektstrāvu no 25 kA līdz 17 kA, kopējais traucējuma laiks stabilizēts mazāk nekā 3 ms.

​Tabula 1: Priekštraucējuma aktivizācijas kritēriji​

1. ​Mīksta slēgšanas kontrolēšanas stratēģija:
• ​Mērķis: Risināt potenciālos pārspriegumu un sistēmas svārstījumu problēmas brīdī, kad tiek slēgts, bez papildu rezistoru un slodžu nepieciešamības, tādējādi ietaupot izmaksas un telpu.
• ​Loģika: Strāvas traucējoša gāle tiek uzskatīta par savienoto vairāku vidējsprieguma vienību. Slēgšanas laikā šīs vidējsprieguma vienības tiek sekvenči un kontrolēti ieslēgtas, lai ļoti izveidotu ceļu. Pēc katras procedūras tiek veikta defekta detektēšana. Ja nav noteikts defekts, procesa turpināšana līdz visām vienībām ir ieslēgtas. Beidzot, strāvas gāle tiek slēgta, un strāvas traucējoša gāle tiek izslēgta. Ja procesā tiek noteikts defekts, slēgšana tiek tūlīt apstādināta.
• ​Pielāgošanās: Piemērota normālai slēgšanai un automātiskai atslēgšanai pēc defekta novēršanas. Simulācijas apstiprina, ka nav pārspriegumu vai svārstījumu.

​III. Prototipa izstrāde un eksperimentālā verifikācija​

​​(I) Prototipa galvenie parametri un struktūra​
Tika izstrādāts 500 kV DC līknes slodzes inženierzinātniskais prototips ar šādiem galvenajiem parametriem:

• ​Konstrukcijas dizains:
• ​Strāvas gāle: Tā kā tā noslogota strāvu ilgstošā periodā, Q1 ir aprīkots ar ūdens dzesēšanas sistēmu un novietots vārdu torna apakšā; S1 sastāv no vairākiem vakuumslodžu savienojuma, ko pārvalda elektromagnētiska atstarpe, un tas ir novietots vārdu torna augšā.
• ​Strāvas traucējoša gāle: Sastāv no 10 savienojumā esošām 50 kV vidējsprieguma vienībām, kas instalētas 2 vārdu tornos (katrs ar 5 slāņiem). Q2 izmanto divu paralēlu IGBT dizainu, lai atbilstu traucējuma spējai. Šī gāle nerada strāvu normālā darbībā, tāpēc nav nepieciešama dzesēšana, tādējādi radot salīdzinoši vienkāršāku dizainu.

​​(II) Eksperimentālās verifikācijas rezultāti​
Prototips tika apkopoti testēts, izmantojot ekvivalentu eksperimentālo virkni (LC oscilācijas virkne):

• ​Komutācijas laiks: Laiks, lai strāva pārceltos no strāvas gāles uz strāvas traucējošo gāli, bija < 300 μs.
• ​Kopējais traucējuma laiks: No atvēršanas komandas saņemšanas līdz strāvas sākuma kritumam tas aizņēma aptuveni 2.9 ms, saskanot ar projektēšanas mērķi <3 ms.
• ​Pagaidu pārspriegums: Traucējuma laikā tika ģenerēts aptuveni 800 kV pagaidu pārspriegums, kas atbilst MOV aizsardzības līmenim, kontrolēts un drošs.
• ​Secinājums: Eksperimenti veiksmīgi apstiprināja rektifikatora veida hibrīda augstsprieguma DC līknes slodzes topoloģijas realizējamību, efektivitāti un labo veiktspēju.

​IV. Galvenie secinājumi:

1. Šajā risinājumā piedāvātā rektifikatora veida hibrīda topoloģija izmanto inovatīvu dizainu ar diodu mostu, lai sasniegtu divvirziena strāvas kontrolēšanu, samazinot IGBT izmantošanu aptuveni par 50% salīdzinājumā ar tradicionālajiem risinājumiem, piedāvājot nozīmīgas priekšrocības ekonomiskā efektivitātē un uzticamībā.
2. Intelīgents priekštraucējuma un mīksta slēgšanas kontrolēšanas stratēģijas efektīvi risina mehāniskās slodzes darbības aizkavēšanās un slēgšanas iedarbības problēmas, uzlabojot sistēmas kopējo dinamisko veiktspēju.
3. 500 kV/25 kA inženierzinātniskā prototipa veiksmīga izstrāde un testēšana pilnībā demonstrē šī tehniskā risinājuma inženierzinātnisko realizējamību un veiktspējas atbilstību.