Hybride hoogspanningsgelijkstroomcircuitbrekeroplossing van rechterraar-type

I. Project Background and Requirement Analysis​
Met de voortgaande energietransitie is de flexibele DC-overdrachtstechnologie gebaseerd op spanningsbronconverters (VSC) een sleuteloplossing geworden voor de integratie van grootschalige hernieuwbare energie en het verbeteren van de capaciteit voor langeafstandsenergieoverdracht, dankzij voordelen zoals onafhankelijke controle over actief en reactief vermogen en lage harmonische inhoud. De bouw van flexibele DC-netwerken is een onvermijdelijke trend. In dit kader zijn hoogspannings DC-schakelaars, als kernbeschermingsapparatuur voor snelle foutisolatie en veiligheid en stabiliteit van het netwerk, cruciaal belangrijk. Zonder hoogwaardige DC-schakelaars zouden de operationele flexibiliteit en betrouwbaarheid van de stroomvoorziening in flexibele DC-netwerken ernstig beperkt zijn.

Huidige mainstream technologieën voor hoogspannings DC-schakelaars hebben aanzienlijke beperkingen:

• ​Mechanische Schakelaars: Hoewel ze weinig verlies hebben bij doorlatendheid en hoge spanning kunnen weerstaan, bedraagt hun onderbrekingstijd tientallen milliseconden, wat niet voldoet aan de strenge eis van milliseconde-quick fault-isolatie in flexibele DC-netwerken.
• ​All-Solid-State Schakelaars: Gebaseerd op halfgeleiderapparatuur bieden ze extreem snelle onderbreking, maar lijden ze aan te hoge verliezen bij doorlatendheid, hoge exploitatiekosten en slechte economische efficiëntie.
• ​Traditionele Hybride Schakelaars: Ondanks dat ze de lage verliezen van mechanische schakelaars en de snelle onderbreking van halfgeleiders combineren, vereist hun topologie serieverbonden IGBT's in zowel de voorwaartse als de achterwaartse richting, wat leidt tot lage apparaatutilisatie, systeemcomplexiteit en hoge kosten.

Om deze technische knelpunten te tackelen, is er een dringende behoefte aan een nieuwe DC-schakelaaroplossing die snelle onderbreking, lage exploitatieverliezen, hoge economische efficiëntie en hoge betrouwbaarheid combineert.

​II. Oplossing: Rectifier-Type Hybride Hoogspannings DC-Schakelaar​
Deze oplossing stelt een innovatieve rectifier-type hybride hoogspannings DC-schakelaartopologie voor, die fundamenteel de beperkingen van bestaande technologieën aanpakt.

​​(I) Kern Technologie: Innovatieve Schakelingstopologie​
De topologie van deze schakelaar bestaat uit een stroomdraagende tak en een stroomonderbrekende tak, parallel verbonden.

1. ​Stroomdraagende Tak:
• ​Samenstelling: Bestaat uit een snelle mechanische schakelaar (S1) en een stroomdraagende kleppengroep (Q1) in serie verbonden.
• ​Eigenschappen: S1 heeft een extreem lage contactweerstand (slechts tientallen micro-ohms), en Q1 bestaat uit een kleine hoeveelheid IGBT's met lage geleidingspanningsval. Tijdens normale operatie stroomt de nominale stroom door deze tak, waardoor de verliezen bij doorlatendheid extreem laag blijven.
2. ​Stroomonderbrekende Tak:
• ​Samenstelling: Gebruikt een brugrectifiertopologie, bestaande uit een brugcommutatiekleppengroep (D1-D4, gevormd door meerdere serieverbonden dioden), een unidirectionale onderbrekingskleppengroep (Q2, gevormd door meerdere serieverbonden IGBT's), en een niet-lineaire weerstand (MOV1, bliksemafleider).
• ​Kernvoordeel: De brugrectifiertopologie bereikt slimme stroomcommutatie, waardoor de unidirectionale IGBT-onderbrekingskleppengroep (Q2) bidirectionale DC-foutstromen kan onderbreken. In vergelijking met traditionele hybride topologieën is het aantal IGBT's ongeveer gehalveerd. Aangezien commerciële press-pack IGBT's ongeveer 10 keer duurder zijn dan dioden van dezelfde specificaties, en de reductie in IGBT's ook het aantal bijbehorende stuurplaten vermindert, wordt hiermee aanzienlijk bespaard op kosten en wordt de algemene betrouwbaarheid verbeterd.

​​(II) Efficiënte Onderbrekingswerkingsprincipe​
Met als voorbeeld de stroom die van Poort 1 naar Poort 2 stroomt, bestaat het onderbrekingsproces uit vier fasen:

1. ​Fase 1 (t0–t1, Foutoptreden)​: Er treedt een kortsluitingsfout op in de lijn, waardoor de stroom sterk stijgt. Op dat moment zijn S1 en Q1 geactiveerd, Q2 is uitgeschakeld, en de foutstroom stroomt volledig door de stroomdraagende tak.
2. ​Fase 2 (t1–t2, Stroomoverdracht)​: Het besturingssysteem geeft een openingscommando, waardoor Q2 ingeschakeld en Q1 uitgeschakeld wordt. De geleiding van Q2 genereert een commutatiespanning op de brugarm, waardoor de stroom overgebracht wordt van de stroomdraagende tak naar de stroomonderbrekende tak (pad: D1 → Q2 → D4).
3. ​Fase 3 (t2–t3, Mechanische Schakelaar Onderbreekt)​: Na de volledige overdracht van de stroom in de stroomdraagende tak, onderbreekt de snelle mechanische schakelaar S1 onder nul-stroom- en nul-spanningsomstandigheden zonder boog, waardoor de isolatiesterkte wordt opgebouwd.
4. ​Fase 4 (t3–t4, Foutstroom Uitschakelen)​: Nadat S1 volledig is onderbroken, wordt Q2 uitgeschakeld. Het uitschakelen van Q2 genereert een tijdelijk overspanning over de schakelaar, waardoor MOV1 geactiveerd wordt en de foutstroom via MOV1 afgevoerd wordt totdat de energie is uitgeput, de stroom tot nul daalt en de foutisolatie is voltooid.

Het onderbrekingsprincipe voor omgekeerde stroom is hetzelfde, geleid door de diodebrug (D2, D3) om via Q2 te stromen.

​​(III) Slimme Besturingsstrategie​

1. ​Voor-Onderbrekingsbesturingsstrategie:
• ​Doel: Om de flessenhals van de hoge openingstijd (ongeveer 2 ms) van de snelle mechanische schakelaar te overwinnen, de totale onderbrekingstijd te verkorten en de piekfoutstroom te onderdrukken.
• ​Logica: Door real-time monitoring van busspanning, lijnspanning en lijnstroom (in totaal 6 criteria, zoals weergegeven in Tabel 1), wordt de voor-onderbrekingsactie gestart zodra een van de criteria wordt getriggerd (stroomoverdracht naar de stroomonderbrekende tak en het openen van S1). Als vervolgens een formele openingscommando wordt ontvangen, wordt de onderbreking voltooid; indien het een vals alarm is, wordt de stroom teruggebracht naar de stroomdraagende tak om de normale werking te hervatten.
• ​Effect: Simulaties laten zien dat deze strategie de foutstroom kan onderdrukken van 25 kA naar 17 kA, met de totale onderbrekingstijd gestabiliseerd binnen 3 ms.

​Tabel 1: Voor-Onderbrekingsactivering Criteria​

1. ​Zachte Sluitingsbesturingsstrategie:
• ​Doel: Om mogelijke overspanningen en systeemoscillaties op het moment van sluiten te tackelen, zonder extra weerstanden en schakelaars nodig te hebben, waardoor kosten en ruimte bespaard worden.
• ​Logica: De stroomonderbrekende tak wordt behandeld als samengesteld uit meerdere mediumspanningsunits in serie verbonden. Tijdens het sluiten worden deze mediumspanningsunits sequentieel en gecontroleerd geactiveerd om geleidelijk een pad op te bouwen. Na elke stap wordt foutdetectie uitgevoerd. Indien geen fout wordt gedetecteerd, gaat het proces door totdat alle units zijn geactiveerd. Ten slotte wordt de stroomdraagende tak gesloten, en de stroomonderbrekende tak uitgeschakeld. Indien een fout tijdens het proces wordt gedetecteerd, wordt het sluiten onmiddellijk afgebroken.
• ​Toepasbaarheid: Geschikt voor normale sluiting en automatische herinschakeling na foutisolatie. Simulaties bevestigen geen overspanning of oscillatie.

​III. Prototype Ontwikkeling en Experimentele Verificatie​

​​(I) Belangrijke Parameters en Structuur van het Prototype​
Een 500 kV DC-schakelaar engineering prototype werd ontwikkeld met de volgende belangrijke parameters:

• ​Structuurontwerp:
• ​Stroomdraagende Tak: Omdat deze stroom voor langere perioden draagt, is Q1 uitgerust met een waterkoelsysteem en geplaatst aan de onderkant van de kleptoren; S1 bestaat uit meerdere vacuümschakelaars in serie, aangedreven door een elektromagnetisch afstotingsmechanisme, en geplaatst aan de bovenkant van de kleptoren.
• ​Stroomonderbrekende Tak: Samengesteld uit 10 serieverbonden 50 kV mediumspanningsunits, geïnstalleerd in 2 kleptorens (5 lagen elk). Q2 gebruikt een dubbele parallelle IGBT-opzet om de onderbrekingscapaciteit te voldoen. Deze tak draagt geen stroom tijdens normale operatie, dus koeling is niet nodig, wat resulteert in een meer gestroomlijnde ontwerp.

​​(II) Experimentele Verificatie Resultaten​
Het prototype onderging grondige tests met behulp van een equivalente experimentele schakeling (LC-oscillerende schakeling):

• ​Commutatietijd: De tijd voor stroomoverdracht van de stroomdraagende tak naar de stroomonderbrekende tak was < 300 μs.
• ​Totale Onderbrekingstijd: Vanaf het ontvangen van het openingscommando tot de stroom begint te dalen, duurde het ongeveer 2,9 ms, wat voldoet aan het ontwerpdoel van <3 ms.
• ​Tijdelijke Overspanning: Tijdens de onderbreking werd een tijdelijke overspanning van ongeveer 800 kV gegenereerd, consistent met het MOV-beschermingsniveau, gecontroleerd en veilig.
• ​Conclusie: De experimenten hebben succesvol de haalbaarheid, effectiviteit en uitstekende prestaties van de rectifier-type hybride hoogspannings DC-schakelaartopologie geverifieerd.

​IV. Kernconclusies:

1. De rectifier-type hybride topologie die in deze oplossing wordt voorgesteld, gebruikt een innovatief ontwerp met een diodebrug om bidirectionale stroomcontrole te bereiken, waardoor het gebruik van IGBT's met ongeveer 50% wordt verminderd ten opzichte van traditionele oplossingen, wat aanzienlijke voordelen biedt in termen van economische efficiëntie en betrouwbaarheid.
2. De slimme voor-onderbrekings- en zachte sluitingsbesturingsstrategieën tackelen effectief de problemen van vertraging in de actie van de mechanische schakelaar en de impact van sluiten, waardoor de algemene dynamische prestaties van het systeem worden verbeterd.
3. De succesvolle ontwikkeling en testen van het 500 kV/25 kA engineering prototype tonen volledig de ingenieurskundige haalbaarheid en prestatiecompliance van deze technische benadering aan.