Soluzzjoni ta' Kurrent Dirett Għoli tal-Mixta ta' Tip Rettifikatur

I. Kontekst tal-Proġett u Analisi tal-Beżgħa​
Fl-aħħar ta’ l-energy transition, it-teknoloġija tal-flexible DC transmission baza VSC (voltage source converter) saret soluzzjoni ħalijiet importanti għad-dħol massiv tal-enerġija rinnovabbli u għall-inċess tal-kapaċità tal-trasferiment tal-enerġija fuq distanza twila, għax-xierqa tal-vantaggi kif indipendenza tal-kontroll tal-potenza aktiva u reattiva u livell baż minn harmonics. Il-bini ta’ grigi DC fleksibbli huwa trend inevitabbli. F’dan il-kuntekstu, l-interruptors DC ad alta tensjoni, bħala dispozitivi protezzjonali kruċjali għall-isolazzjoni rapid tal-falt u għall-sigurtà u stabilità tal-grig, huma essenzjalji. Senza interruptors DC performanti, l-operabilità u l-affidabilità tal-fornitur tal-enerġija ta’ grigi DC fleksibbli tkun mħexxija serjusament.

It-teknoloġiji mainstream tal-interruptors DC ad alta tensjoni attwalment disponibbli għandhom limiti signifikanti:

• ​Interruptors Meccanici: Anki joffru perditi bassi f’sostanza u t-tensjoni suportata hija għoli, il-ħin ta’ interruzzjoni huwa fil-miljanjimi tas-sekonda, li ma jisoddisfa mhux il-requisitu stringenti ta’ isolazzjoni tal-falt f’dan il-ħin fl-grigi DC fleksibbli.
• ​Interruptors All-Solid-State: Bbażati fuq dispozitivi semikonduċturi, joffru interruzzjoni estremament veloċi, iżda jaffrontaw perditi sostanziali elevati, kosti operattivi għoli, u effiċjenza ekonomika żgħira.
• ​Interruptors Ibrani Tradizzjonali: Anki jikkomplu jew l-perditi bassi tal-interruptors meccaniki u l-interruzione veloċi tal-interruptors solid-state, it-topologia tagħhom richiedi IGBTs serjali bi dawk fi l-kulħadd, li jiġġibu l-użu bass tal-dispozitiv, komplikazzjoni tas-sistema, u kosti għoli.

Biex jiġi affrontati dawn il-limiti tekniki, hemm bżonn pressanti ta’ soluzzjoni ġdida ta’ interruptor DC li jikkombina l-capacità ta’ interruzzjoni veloċi, perditi operattivi bassi, effiċjenza ekonomika għoli, u affidabilità għoli.

​II. Soluzzjoni: Interruptor DC Ad Alta Tensjoni Ibrani Tip Rektifikatur​
Din is-soluzzjonia proposta topologia ġdida ta’ interruptor DC ibranu tip rektifikatur, li ssoluva fundamentali l-limiti tat-teknoloġiji esistenti.

​​(I) Teknoloġija Kruċjali: Topologia Ċirkujt Innovativa​
It-topologia ta’ din l-interruptor ikkonsisti minn branċi ta’ kurrent u branċi ta’ interruzzjoni miċħudha paralel.

1. ​Branċi ta’ Kurrent:
• ​Komposizzjoni: Ikkostruit mill-interruptor meccaniku veloċi (S1) u gruppi ta’ valvola ta’ kurrent (Q1) miċħudha serjali.
• ​Karatteristiċi: S1 għandu resistenza ta’ kontatt bassissima (biss miljuni ta’ micro-ohms), u Q1 ikkostrutt minn numru żgħir ta’ IGBTs b’voltjaġġ ta’ conduzzjoni bass. Fiż-ħin normali, il-kurrent nominali jimmogħġi permezz ta’ din il-branċa, assicurandu perditi sustanzieli bassi.
2. ​Branċi ta’ Interruzzjoni:
• ​Komposizzjoni: Jistenni struttura ta’ rektifikatur pont, inkluż gruppi ta’ valvola ta’ kommutazzjoni (D1-D4, format minn diodi serjali multipli), gruppi ta’ valvola ta’ interruzzjoni unidirezjonali (Q2, format minn IGBTs serjali multipli), u resistor nonlineari (MOV1, arrester).
• ​Vantaggju Kruċjali: It-tip ta’ rektifikatur pont ikkomplu l-kommutazzjoni tal-kurrent, allowand il-gruppi ta’ valvola ta’ interruzzjoni unidirezjonali (Q2) li jinterrompu kurrenti DC bidirezjonali. Minflok it-topologie ibranu tradizzjonali, in-numru ta’ IGBTs jinfgħadu biss biss nisf. Meta l-IGBTs press-pack kommersjali jkunu circa 10 darba aktar karji minn diodi ta’ stess rating, u n-nisf tal-IGBTs jinfgħadu wkoll n-numru ta’ korti ta’ driver, din it-topologia toħroġ b’riżultat ta’ riżilta kbira fis-silġ u mejja l-affidabilità ollinja.

​​(II) Prinċipju ta’ Lavoru Efikeċi ta’ Interruzzjoni​
Bħala eżempju ta’ kurrent immiss minn Port 1 għal Port 2, il-proċess ta’ interruzzjoni ikkonsisti minn erbgħa stages:

1. ​Stage 1 (t0–t1, Falt)​: Jmiss falt ta’ short-circuit fuq il-linja, li jkun jista’ jkun jirreġistra l-kurrent bil-mod drastiku. Fl-ħin, S1 u Q1 huma konduċenti, Q2 mhux konduċenti, u l-kurrent ta’ falt jimmogħġi permezz tal-branċa ta’ kurrent.
2. ​Stage 2 (t1–t2, Transfer tal-Kurrent)​: Is-sistema ta’ kontrol jippassaj ordir ta’ apertura, jikkoċċi Q2 u jiffi Q1. Il-konduzione ta’ Q2 jgħenji voltjaġġ ta’ kommutazzjoni fuq l-braccio tal-ponte, forzand il-kurrent li jtransferi mill-branċa ta’ kurrent għal branċa ta’ interruzzjoni (percorso: D1 → Q2 → D4).
3. ​Stage 3 (t2–t3, Interruzzjoni tal-Interruptor Meccaniku)​: Wara l-kurrent fil-branċa ta’ kurrent jinkomplu jtransferi, l-interruptor meccaniku veloċi S1 jinterrompu fid-darba zero-kurrent u zero-voltjaġġ mingħajr arc, stabilizzand forti insulanti.
4. ​Stage 4 (t3–t4, Eliminazzjoni tal-Kurrent ta’ Falt)​: Wara S1 jkun jinterrompu kollu, Q2 jiffi. Il-jiffi ta’ Q2 jgħenji voltjaġġ transjent overvoltage permezz tal-interruptor, jattiva MOV1 biex jkonduċi u jdiverġi l-kurrent ta’ falt permezz tal-MOV1 sabiex jidħal il-enerġija ngħasal, il-kurrent jniġġis sabiex jkun zero, u l-falt jiġi isolat.

Il-prinċipju ta’ interruzzjoni għal kurrent invers huwa l-istess, dirett minn pont diode (D2, D3) permezz Q2.

​​(III) Strategija ta’ Kontroll Intelligenti​

1. ​Strategija ta’ Pre-Interruzzjoni:
• ​Skop: Biex jisoddisfa l-limiti tal-tempo ta’ apertura tal-interruptor meccaniku veloċi (cirka 2 ms), jikkarċa l-temps totali ta’ interruzzjoni, u jisopprimix l-kurrent ta’ falt peak.
• ​Logika: Bil-monitoraġġ real-time tal-voltjaġġ tal-bus, voltjaġġ tal-linja, u kurrent tal-linja (total 6 criteri, kif mur fil-Tavola 1), wara l-ebda criteriu anormali jikkonferma, l-operazzjoni pre-interruzzjoni timmetti qabel tal-ħin (transfer ta’ kurrent għal branċa ta’ interruzzjoni u apertura ta’ S1). Jekk ordir ta’ apertura formal jirċevi wara, l-interruzzjoni tkun kumpluta; jekk huwa falsa allarma, il-kurrent jirkupra għal branċa ta’ kurrent biex jirritorna l-operazzjoni normale.
• ​Efftett: Simulazzjonijiet jmuraw li din is-strategija tisopprimix il-kurrent ta’ falt minn 25 kA għal 17 kA, u l-temps totali ta’ interruzzjoni stabilizzat fil-3 ms.

​Tavola 1: Kriterji ta’ Attivazzjoni ta’ Pre-Interruzzjoni​

1. ​Strategija ta’ Soft Closing:
• ​Skop: Biex jindirizza l-problemi potenzjali ta’ overvoltage u oscillazzjoni tas-sistema fl-ħin ta’ closing, mingħajr l-beżgħa ta’ resisors u interruptors addizzjonali, is-silġ u l-spazju.
• ​Logika: Il-branċa ta’ interruzzjoni tittratta bħala komposta minn unitajiet ta’ medium-voltjaġġ multipli miċħudha serjali. Fl-ħin ta’ closing, dawn l-unitajiet ta’ medium-voltjaġġ jikkoċċu sequenzjalment u kontrollat biex jikstruttaw percorso gradwalment. Wara kull pass, jiġi verifikat l-falt. Jekk l-ebda falt jiġi rilevat, il-proċess jiġi miktub wara l-kull unitajiet jiġu kkoċċa. Infine, il-branċa ta’ kurrent tiġi magħluqa, u l-branċa ta’ interruzzjoni tiġi iffita. Jekk falt jiġi rilevat fl-ħin, il-closing jiġi abortat immediate.
• ​Applicabbiltà: Addattat għal closing normali u reclosing awtomatiku wara l-clearance tal-falt. Simulazzjonijiet jverifiku l-ebda overvoltage u oscillazzjoni.

​III. Svilupp tal-Prototip u Verifika Eksperimentali​

​​(I) Parametri u Struttura Importanti tal-Prototip​
Inngħata prototip ingegneristiku ta’ 500 kV ta’ interruptor DC, bl-parametri segwenti:

• ​Design Strutturali:
• ​Branċa ta’ Kurrent: Billi jporta kurrent għal periodi twil, Q1 huwa mħanut b’sistemi ta’ raffreddament tal-ilma u post fit-talj tal-valve tower; S1 ikkostrutt minn interruptors ta’ vuju multipli serjali, drivati mill-mekkanismu ta’ repulsjoni elektromagnetika, u post fit-tas-silġ tal-valve tower.
• ​Branċa ta’ Interruzzjoni: Komposta minn 10 unitajiet ta’ medium-voltjaġġ ta’ 50 kV miċħudha serjali, installati fit-torri ta’ valve (5 strati kwiċk). Q2 jadoptja design ta’ dual-parallel IGBT biex jisoddisfa l-capacità ta’ interruzzjoni. Din il-branċa ma trasa ebda kurrent fid-ħin normali, skont mhux bżonn raffreddament, resultand fil-design aħjar streamlined.

​​(II) Risultati ta’ Verifika Eksperimentali​
Il-prototip subi test riguros permezz ta’ circuit eksperimentali equivalent (circuit LC oscillating):

• ​Temp ta’ Commutazzjoni: Il-temps ta’ transfer tal-kurrent mill-branċa ta’ kurrent għal branċa ta’ interruzzjoni kien < 300 μs.
• ​Temp Totali ta’ Interruzzjoni: Minn meta l-ordir ta’ apertura jirċevi sal-kurrent bidda jniġġis, il-temps kien circa 2.9 ms, jisoddisfa l-target ta’ disegnu ta’ <3 ms.
• ​Overvoltage Transjenti: Overvoltage momentanea ta’ circa 800 kV ġiet ġenerata fl-ħin ta’ interruzzjoni, konsistenti mal-livell ta’ protezzjoni ta’ MOV, kontrolata u sigura.
• ​Konkluzzjoni: L-eksperimenti verifikaraw b’suċċess il-fehles ta’, l-effiċjenza, u l-prestazzjoni eccellenza ta’ topologia ta’ interruptor DC ibranu tip rektifikatur.

​IV. Konklussjonijiet Kruċjali:

1. It-topologia ibranu tip rektifikatur propposta fl-isoluzzjoni hawn ukoll jikkostruwa disegnu innovativ b’mezzu pont diode biex jagħmel kontrol bidirezjonali tal-kurrent, jinfgħadu l-IGBTs biss biss nisf minn soluzzjonijiet tradizzjonali, offrendu vantaggi signifikanti fis-silġ u l-affidabilità.
2. Is-strategiji ta’ pre-interruzzjoni u soft closing intelligenti jindirizzaw l-ebda problemi ta’ ritard tal-azione tal-interruptor meccaniku u l-impatti ta’ closing, jirringaċċjaw l-prestazzjoni dinamika ollinja tas-sistema.
3. Il-svilupp u l-verifika suċċessfuli tal-prototip ingegneristiku ta’ 500 kV/25 kA jipprovu kategorikament il-fehles ta’ approċċ tekniku u prestazzjoni conformi.