Rešenje za hibridni visokonaponski DC prekidač tip rektifikator

I. Позадина на проектот и анализа на потребите​
Со дубоката напреднала енергетска транзиција, технологијата за флексибилна DC пренос со користење на конвертери на волтажни извори (VSC) станала е ключна решенија за интеграција на големи облеси од обновливата енергија и подобрување на капацитетот за долгопатски пренос на електрична енергија, благодарение нивните предности како независно контролирање на активна и реактивна моќ и ниска содржина на хармоници. Изградбата на мрежи за флексибилен DC пренос е неизбежен тренд. Во овој контекст, високонапонските DC прекинувачи, како клучни заштитни уреди за брзо изолирање на грешки и осигурување на безбедноста и стабилноста на мрежата, се критични. Без високоперформантни DC прекинувачи, оперативната флексибилност и надежноста на опснабдување со флексибилни DC мрежи би биле сериозно ограничени.

Тековните главни технологии за високонапонски DC прекинувачи имаат значителни ограничувања:

• ​Механички прекинувачи: Иако нудат ниски загуби во состојба на поврзување и високу издржливост на напон, нивното време на прекин е на децении милисекунди, што не задоволува строгата потреба за брзо изолирање на грешки на милисекунди во мрежите за флексибилен DC пренос.
• ​Целосно тврдотелни прекинувачи: Базирани на полупроводнички уреди, нудат екстремно брз прекин, но патет со премногу загуби во состојба на поврзување, високи оперативни трошоци и лоша економска ефикасност.
• ​Традиционални хибридни прекинувачи: Иако комбинираат ниските загуби на механички прекинувачи и брз прекин на тврдотелни прекинувачи, нивната топологија бара паралелно поврзување на IGBT-ови во оба правца, што доведува до ниска утилизација на уредите, комплексност на системот и високи трошоци.

За да се реши овој технички бутлneck, постои спешна потреба за нова решенија за DC прекинувач која ќе комбинира брз прекин, ниски оперативни загуби, висока економска ефикасност и висока надежност.

​II. Решенија: Хибриден високонапонски DC прекинувач со ректификатор​
Ова решение предлага иновативна топологија на хибриден високонапонски DC прекинувач со ректификатор, која фундаментално ги решава ограничувањата на постојечките технологии.

​​(I) Клучна технологија: Иновативна топологија на кола​
Топологијата на овој прекинувач се состои од паралелно поврзана грана за проток на струја и грана за прекин на струја.

1. ​Грана за проток на струја:
• ​Состав: Се состои од брз механички прекинувач (S1) и група за проток на струја (Q1) поврзани во серија.
• ​Кarakтеристики: S1 има екстремно ниска контактна отпорност (само десетици микроОм), а Q1 се состои од мал број на IGBT-ови со ниска отпорност на проводимост. Во нормална работа, номиналната струја протича низ оваа грана, што осигурува екстремно ниски загуби во состојба на поврзување.
2. ​Грана за прекин на струја:
• ​Состав: Користи структура на мостов ректификатор, кој се состои од група за комутација на мостови (D1-D4, формирана од поврзување на повеќе диоди во серија), једносмерна група за прекин (Q2, формирана од поврзување на повеќе IGBT-ови во серија) и нелинеарен отпор (MOV1, заштитен).
• ​Ключна предност: Структурата на мостов ректификатор интелигентно постигнува комутација на струја, што овозможува једносмерната група за прекин (Q2) да прекине двосмерни DC грешки. Врз основа на традиционалните хибридни топологии, бројот на IGBT-ови е намален приближно за половина. Затоа што комерцијалните IGBT-ови во пресован формат ценат околу 10 пати повеќе од диодите со иста класификација, и намалувањето на бројот на IGBT-ови исто така намалува бројот на придружни плати за управување, оваа топологија постигнува значително намалување на трошоците и подобрување на целосната надежност.

​​(II) Ефикасен принцип на работа на прекин​
Земајќи го примерот на струја која протича од порт 1 до порт 2, процесот на прекин се состои од четири фази:

1. ​Фаза 1 (t0–t1, Настанување на грешка)​: На линијата се случува краткосрочна грешка, што доведува до брз пораст на струјата. Во овој момент, S1 и Q1 се поврзани, Q2 е исклучен, и грешната струја потпуно протича низ граната за проток на струја.
2. ​Фаза 2 (t1–t2, Префрлање на струја)​: Системот за управување дава команду за отварање, поврзувајќи Q2 и исклучувајќи Q1. Проводимоста на Q2 генерира комутационен напон на мостовата, што го принудува протокот на струја да префрли од граната за проток на струја во граната за прекин (пат: D1 → Q2 → D4).
3. ​Фаза 3 (t2–t3, Прекин на механички прекинувач)​: Потполно префрлање на струјата во граната за проток на струја, брзото механичко прекинувач S1 прекинува под услови на нулта струја и нулт напон без искре, што ја установува изолационата јачина.
4. ​Фаза 4 (t3–t4, Чистање на грешната струја)​: Потполно прекинување на S1, Q2 е исклучен. Исклучувањето на Q2 генерира временски превишено напон низ прекинувачот, што го активира MOV1 да проведе и да го пренесе грешната струја во MOV1 за разложување додека енергијата не е исчерпана, струјата падне на нула, и изолацијата на грешката е завршена.

Принципот на прекин за обратна струја е истиот, насочен од диодски мост (D2, D3) да протече низ Q2.

​​(III) Интелектуална стратегија за управување​

1. ​Стратегија за управување пред прекин:
• ​Цел: Да се надмине бутлneck-от на високата пропорција на времето за отварање на брзото механичко прекинувач ( околу 2 милисекунди), да се скрати целосното време на прекин и да се суприми врвниот грешен проток на струја.
• ​Логика: Со реално време мониторинг на напонот на бус, напонот на линијата и струјата на линијата (вкупно 6 критериуми, како што е прикажано во Табела 1), еднаш кога е иницииран било кој аномален критериум, се инициира пред прекинување (префрлање на струјата во граната за прекин и отварање на S1). Ако последователно се прими формална команда за отварање, прекинувањето е завршено; ако е лажна аларма, струјата се враќа во граната за проток на струја за да се продолжи нормалната работа.
• ​Ефект: Симулации покажуваат дека оваа стратегија може да суприми грешниот проток на струја од 25 kA до 17 kA, со целосното време на прекин стабилизирано во рамки на 3 милисекунди.

​Табела 1: Критериуми за активација на пред прекинување​

1. ​Стратегија за мягко затворање:
• ​Цел: Да се справи со потенцијалните проблеми на превишено напон и системска осцилација во моментот на затворање, без дополнителни отпори и прекинувачи, што ја штеди трошоците и просторот.
• ​Логика: Граната за прекин се третира како состојана од повеќе средненапонски единици поврзани во серија. При затворање, овие средненапонски единици се последователно и контролирано поврзуваат за да се градуално изгради пат. Последователно, после секој чекор, се извршува детекција на грешки. Ако не се детектира грешка, процесот продолжува додека сите единици не се поврзани. Након тоа, граната за проток на струја се затвора, а граната за прекин се исклучува. Ако се детектира грешка во текот на процесот, затворањето е немедната прекинато.
• ​Применливост: Пододелна за нормално затворање и автоматско повторно затворање по изчистување на грешката. Симулации го верификуваат недодавањето на превишено напон или осцилација.

​III. Развој на прототип и експериментална верификација​

​​(I) Клучни параметри и структура на прототипот​
Развиен е инженерски прототип на 500 kV DC прекинувач со следните клучни параметри:

• ​Дизајн на структура:
• ​Грана за проток на струја: Бидејќи носи струја за долго време, Q1 е опремен со воден систем за хладење и е поставен на дното на тора на вредности; S1 се состои од повеќе вакуумски прекинувачи поврзани во серија, приведени со електромагнетски репульзивен механизам, и е поставен на врвот на тора на вредности.
• ​Грана за прекин на струја: Се состои од 10 поврзани во серија 50 kV средненапонски единици, инсталирани во 2 тора на вредности (по 5 слоева). Q2 користи дизајн со двоно паралелно поврзување на IGBT-ови за да задоволи капацитетот за прекин. Оваа грана не носи струја во нормална работа, па не е потребно хладење, што резултира со поедноставен дизајн.

​​(II) Резултати од експериментална верификација​
Прототипот беше подложен на строг тест со еквивалентна експериментална кола (LC осцилаторска кола):

• ​Време на комутација: Времето за префрлање на струјата од граната за проток на струја во граната за прекин беше < 300 μs.
• ​Целосно време на прекин: Од примирање на командата за отварање до започнување на пад на струјата, излегло околу 2.9 ms, што го задоволува дизајнскиот цел <3 ms.
• ​Превремен превишено напон: Генериран е превремен превишено напон од околу 800 kV во текот на прекинувањето, согласно со нивото на заштита на MOV, контролиран и безбеден.
• ​Заклучок: Експериментите успешно верификуваа можност, ефикасност и одлични перформанси на топологијата на хибриден високонапонски DC прекинувач со ректификатор.

​IV. Ключни заклучоци:

1. Хибриден топологијата со ректификатор предложена во ова решение користи иновативен дизајн со диодски мост за да го постигне двосмерниот контрол на струја, намалувајќи го користењето на IGBT-ови за приближно 50% во однос на традиционалните решенија, што нуди значителни предности во економската ефикасност и надежност.
2. Интелектуалните стратегии за управување пред прекинување и мягко затворање ефикасно ги решаваат проблемите со забавен одговор на механички прекинувачи и удар при затворање, подобрувајќи го целосниот динамички перформанс на системот.
3. Успешната разработка и тестирање на инженерскиот прототип на 500 kV/25 kA полно ги демонстрираат инженерската можност и комплетност на перформансите на овој технички пристап.