Penyelesaian Pemutus Litar DC Tegangan Tinggi Hidrid Jenis Penjurutulen

I. Latar Belakang Projek dan Analisis Kebutuhan​
Dengan semakin mendalamnya peningkatan transisi tenaga, teknologi penghantaran DC fleksibel berdasarkan pemindah voltan sumber (VSC) telah menjadi penyelesaian utama untuk integrasi tenaga boleh diperbaharui berskala besar dan meningkatkan keupayaan penghantaran tenaga jarak jauh, berkat kelebihannya seperti kawalan bebas aktif dan reaktif serta kandungan harmonik yang rendah. Pembinaan grid DC fleksibel adalah satu trend yang tidak dapat dielakkan. Dalam konteks ini, pemutus litar DC tegangan tinggi, sebagai peranti perlindungan teras untuk pemisahan kesalahan yang cepat dan memastikan keselamatan dan kestabilan grid, sangat penting. Tanpa pemutus litar DC yang berkualiti tinggi, kefleksiban operasi dan kebolehpercayaan bekalan tenaga grid DC fleksibel akan terbatas dengan ketara.

Teknologi pemutus litar DC tegangan tinggi mainstream semasa mempunyai had signifikan:

• ​Pemutus Litar Mekanikal: Walaupun menawarkan kerugian on-state yang rendah dan voltan tahanan yang tinggi, masa penghentian mereka adalah puluhan milisekon, gagal memenuhi keperluan pemisahan kesalahan pada tahap milisekon dalam grid DC fleksibel.
• ​Pemutus Litar Semikonduktor Penuh: Berdasarkan peranti semikonduktor, ia menyediakan penghentian yang sangat cepat tetapi menderita kerugian on-state yang berlebihan, kos operasi yang tinggi, dan efisiensi ekonomi yang lemah.
• ​Pemutus Litar Hibrid Tradisional: Walaupun menggabungkan kerugian rendah dari switch mekanikal dan penghentian cepat dari switch semikonduktor, topologi mereka memerlukan IGBT tersiri dalam kedua arah, menyebabkan penggunaan peranti yang rendah, kompleksiti sistem, dan kos yang tinggi.

Untuk mengatasi botol leher teknikal ini, diperlukan penyelesaian pemutus litar DC baru yang menggabungkan keupayaan penghentian yang cepat, kerugian operasi yang rendah, efisiensi ekonomi yang tinggi, dan kebolehpercayaan yang tinggi.

​II. Penyelesaian: Pemutus Litar DC Tegangan Tinggi Hibrid Jenis Rectifier​
Penyelesaian ini mencadangkan topologi pemutus litar DC hibrid jenis rectifier yang inovatif, secara asas mengatasi had teknologi sedia ada.

​​(I) Teknologi Teras: Topologi Litar Inovatif​
Topologi pemutus litar ini terdiri daripada cabang penghantar arus dan cabang pemutusan arus yang disambung selari.

1. ​Cabang Penghantar Arus:
• ​Komposisi: Terdiri daripada switch mekanikal laju (S1) dan kelompok katup penghantar arus (Q1) yang tersiri.
• ​Ciri-ciri: S1 mempunyai rintangan kontak yang sangat rendah (hanya puluhan mikro-ohm), dan Q1 terdiri daripada sejumlah kecil IGBT dengan jatuh voltan konduksi yang rendah. Semasa operasi normal, arus nominal mengalir melalui cabang ini, memastikan kerugian on-state yang sangat rendah.
2. ​Cabang Pemutusan Arus:
• ​Komposisi: Menggunakan struktur rectifier jambatan, terdiri daripada kelompok katup komutasi jambatan (D1-D4, dibentuk oleh banyak diod tersiri), kelompok katup pemutusan unidirectional (Q2, dibentuk oleh banyak IGBT tersiri), dan resistor bukan linear (MOV1, pelindung).
• ​Kelebihan Teras: Struktur rectifier jambatan secara cemerlang mencapai komutasi arus, membolehkan kelompok katup pemutusan IGBT unidirectional (Q2) memutus arus kesalahan DC bidireksional. Berbanding topologi hibrid tradisional, jumlah IGBT dikurangkan kira-kira separuh. Mengingat bahawa IGBT press-pack komersial berharga kira-kira 10 kali lebih mahal daripada diod yang sama rating, dan pengurangan IGBT juga mengurangkan jumlah papan penggerak yang menyertai, topologi ini mencapai pengurangan kos yang signifikan dan peningkatan kebolehpercayaan keseluruhan.

​​(II) Prinsip Kerja Pemutusan Efisien​
Mengambil contoh arus mengalir dari Port 1 ke Port 2, proses pemutusan terdiri daripada empat tahap:

1. ​Tahap 1 (t0–t1, Kesalahan Berlaku)​: Kesalahan hubungan pendek berlaku pada laluan, menyebabkan arus meningkat dengan tiba-tiba. Pada masa itu, S1 dan Q1 sedang mengalir, Q2 dimatikan, dan arus kesalahan mengalir sepenuhnya melalui cabang penghantar arus.
2. ​Tahap 2 (t1–t2, Pemindahan Arus)​: Sistem kawalan memberikan arahan pembukaan, menghidupkan Q2 dan mematikan Q1. Konduksi Q2 menghasilkan voltan komutasi pada lengan jambatan, memaksa arus dipindahkan dari cabang penghantar arus ke cabang pemutusan arus (jalur: D1 → Q2 → D4).
3. ​Tahap 3 (t2–t3, Pemutusan Switch Mekanikal)​: Setelah arus dalam cabang penghantar arus sepenuhnya dipindahkan, switch mekanikal laju S1 memutuskan dalam keadaan arus dan voltan sifar tanpa percikan, membentuk kekuatan isolasi.
4. ​Tahap 4 (t3–t4, Pembersihan Arus Kesalahan)​: Setelah S1 sepenuhnya diputuskan, Q2 dimatikan. Matikan Q2 menghasilkan voltan sementara yang berlebihan di seberang pemutus litar, memicu MOV1 untuk mengalir dan memindahkan arus kesalahan ke MOV1 untuk diserap sehingga tenaga habis, arus turun ke sifar, dan pemisahan kesalahan selesai.

Prinsip pemutusan untuk arus terbalik adalah sama, dibimbing oleh jambatan diod (D2, D3) untuk mengalir melalui Q2.

​​(III) Strategi Kawalan Cerdas​

1. ​Strategi Kawalan Pra-Pemutusan:
• ​Matlamat: Untuk mengatasi botol leher masa pembukaan switch mekanikal laju yang tinggi (sekitar 2 ms), mengurangkan masa pemutusan total, dan menekan arus kesalahan puncak.
• ​Logik: Melalui pemantauan masa nyata voltan bus, voltan laluan, dan arus laluan (total 6 kriteria, seperti ditunjukkan dalam Jadual 1), sekiranya mana-mana kriteria abnormal dipicu, operasi pra-pemutusan dimulakan lebih awal (memindahkan arus ke cabang pemutusan dan membuka S1). Jika arahan pembukaan rasmi diterima kemudian, pemutusan diselesaikan; jika ia adalah palsu, arus dipindahkan kembali ke cabang penghantar arus untuk melanjutkan operasi normal.
• ​Kesan: Simulasi menunjukkan strategi ini dapat menekan arus kesalahan dari 25 kA kepada 17 kA, dengan masa pemutusan total stabil dalam 3 ms.

​Jadual 1: Kriteria Aktivasi Pra-Pemutusan​

1. ​Strategi Kawalan Tutup Lembut:
• ​Matlamat: Untuk mengatasi isu overvoltan dan osilasi sistem pada saat tutup, tanpa keperluan tambahan resistor dan switch, menghemat kos dan ruang.
• ​Logik: Cabang pemutusan arus dianggap terdiri daripada beberapa unit tegangan sederhana yang tersiri. Semasa tutup, unit-unit tegangan sederhana ini dihidupkan secara berturut-turut dan terkawal untuk secara beransur-ansur membentuk laluan. Selepas setiap langkah, deteksi kesalahan dilakukan. Jika tiada kesalahan dikesan, proses berlanjut sehingga semua unit dihidupkan. Akhirnya, cabang penghantar arus ditutup, dan cabang pemutusan arus dimatikan. Jika kesalahan dikesan semasa proses, tutupan segera dibatalkan.
• ​Kelayakan: Sesuai untuk tutup normal dan tutup semula automatik selepas pembersihan kesalahan. Simulasi mengesahkan tiada overvoltan atau osilasi.

​III. Pembangunan Prototaip dan Pengesahan Eksperimen​

​​(I) Parameter dan Struktur Utama Prototaip​
Prototaip enjin pemutus litar DC 500 kV telah dibangunkan dengan parameter utama berikut:

• ​Reka Bentuk Struktur:
• ​Cabang Penghantar Arus: Sebagai ia menghantar arus untuk tempoh yang lama, Q1 dilengkapi dengan sistem pendingin air dan ditempatkan di bawah menara katup; S1 terdiri daripada beberapa switch vakum tersiri, digerakkan oleh mekanisme tolakan elektromagnet, dan ditempatkan di atas menara katup.
• ​Cabang Pemutusan Arus: Terdiri daripada 10 unit tegangan sederhana 50 kV tersiri, dipasang dalam 2 menara katup (5 lapisan setiap satunya). Q2 menggunakan reka bentuk IGBT dual-paralel untuk memenuhi kapasiti pemutusan. Cabang ini tidak menghantar arus semasa operasi normal, jadi tidak memerlukan pendinginan, menghasilkan reka bentuk yang lebih ringkas.

​​(II) Hasil Pengesahan Eksperimen​
Prototaip menjalani ujian yang ketat menggunakan litar eksperimen ekuivalen (litar LC berayun):

• ​Masa Komutasi: Masa untuk pemindahan arus dari cabang penghantar arus ke cabang pemutusan arus adalah < 300 μs.
• ​Masa Pemutusan Total: Dari menerima arahan pembukaan hingga arus mulai menurun, ia mengambil masa kira-kira 2.9 ms, memenuhi sasaran reka bentuk <3 ms.
• ​Overvoltan Sementara: Voltan sementara kira-kira 800 kV dihasilkan semasa pemutusan, konsisten dengan tahap perlindungan MOV, dikawal dan selamat.
• ​Kesimpulan: Eksperimen berjaya mengesahkan kelayakan, keberkesanan, dan prestasi cemerlang topologi pemutus litar DC hibrid jenis rectifier.

​IV. Kesimpulan Utama:

1. Topologi hibrid jenis rectifier yang dicadangkan dalam penyelesaian ini menggunakan reka bentuk inovatif dengan jambatan diod untuk mencapai kawalan arus bidireksional, mengurangkan penggunaan IGBT kira-kira 50% berbanding penyelesaian tradisional, menawarkan kelebihan signifikan dalam efisiensi ekonomi dan kebolehpercayaan.
2. Strategi kawalan cerdas pra-pemutusan dan tutup lembut secara efektif mengatasi isu penundaan tindakan switch mekanikal dan impak tutup, meningkatkan prestasi dinamik keseluruhan sistem.
3. Pembangunan dan pengujian prototaip enjin 500 kV/25 kA dengan berjaya sepenuhnya menunjukkan kelayakan enjin dan kepatutan prestasi pendekatan teknikal ini.