Rektifisertype hybrid høyspennings-DC-sirkuitsparkerløsning

I. Prosjektbakgrunn og behovsanalyse​
Med den dypende fremdriften i energiovergangen, har strømkildekonverter (VSC)-basert fleksibel DC-overførings teknologi blitt en nøkkel-løsning for storskala integrasjon av fornybar energi og forbedring av overføringskapasiteten over lange avstander, på grunn av fordeler som uavhengig kontroll av aktiv og reaktiv effekt samt lav harmonisk innhold. Oppbyggingen av fleksible DC-nett er en ubevegelig trend. I denne sammenhengen, er høyspennings DC-sirkuitsbrytere, som kjernebeskyttelsesenheter for rask feilisolering og sikring av nettets sikkerhet og stabilitet, viktigst. Uten høytydige DC-sirkuitsbrytere, ville operasjonens fleksibilitet og strømforsyningens pålitelighet i fleksible DC-nett bli alvorlig begrenset.

Nåværende hovedstrømmer av høyspennings DC-sirkuitsbryterteknologier har betydelige begrensninger:

• ​Mekaniske sirkuitsbrytere: Selv om de tilbyr lave ledningsforlust og høy spenningstoleranse, er deres avbrytingstid titusener av millisekunder, noe som ikke oppfyller kravene til millisekundsnivå rask feilisolering i fleksible DC-nett.
• ​All-solid-state sirkuitsbrytere: Basert på halvlederdeler, gir de ekstremt rask avbryting, men lider av unødvendig høye ledningsforlust, høye driftskostnader, og dårlig økonomisk effektivitet.
• ​Tradisjonelle hybrid sirkuitsbrytere: Mens de kombinerer lave forlust fra mekaniske skruer og rask avbryting fra solid-state skruer, krever deres topologi seriekoblet IGBT-er i både fremover og bakover retning, noe som fører til lav enhetstilgjengelighet, systemkompleksitet, og høye kostnader.

For å løse disse tekniske flaskenhalsene, er det et pressende behov for en ny DC-sirkuitsbryterløsning som kombinerer rask avbrytingskapasitet, lave driftsforlust, høy økonomisk effektivitet, og høy pålitelighet.

​II. Løsning: Rektifier-type hybrid høyspennings DC-sirkuitsbryter​
Denne løsningen foreslår en innovativ rektifier-type hybrid høyspennings DC-sirkuitsbrytertopologi, som grunnleggende løser begrensningene ved eksisterende teknologier.

​​(I) Kjernteknologi: Innovativ sirkuitstopologi​
Topologien til denne sirkitsbryteren består av en strømbærer gren og en strømavbryter gren koblet parallelt.

1. ​Strømbærer gren:
• ​Sammensetning: Består av en høyhastighets mekanisk skru (S1) og en strømbærer ventilgruppe (Q1) koblet i serie.
• ​Egenskaper: S1 har ekstremt lav kontaktmotstand (bare titusener av mikro-ohm), og Q1 består av få IGBT-er med lav ledningsvoltfall. Under normal drift, går den nominerte strømmen gjennom denne grene, og sikrer ekstremt lave ledningsforlust.
2. ​Strømavbryter gren:
• ​Sammensetning: Bruker en bro-rektifier struktur, bestående av en bro-kommutasjons ventilgruppe (D1-D4, formet av flere rekkesammenkoblet dioder), en enveis avbryter ventilgruppe (Q2, formet av flere rekkesammenkoblet IGBT-er), og en ikke-lineær motstand (MOV1, lynblitz).
• ​Kjernefordel: Bro-rektifierstrukturen klarer kløvert å realisere strømkommutering, noe som lar den enveis IGBT-avbryter ventilgruppen (Q2) avbryte toveis DC-feilstrøm. Sammenlignet med tradisjonelle hybride topologier, reduseres antallet av IGBT-er med omtrent halvparten. Ettersom kommersielle press-pack IGBT-er koster omtrent 10 ganger mer enn dioder med samme rating, og reduksjonen i IGBT-er også reduserer antallet av følgende drivere, oppnår denne topologien betydelig kostnadsreduksjon og total pålitelighetsforbedring.

​​(II) Effektiv avbrytingsarbeidsprinsipp​
Som et eksempel på strøm som flyter fra Port 1 til Port 2, består avbrytingsprosessen av fire faser:

1. ​Fase 1 (t0–t1, Feiloppståelse)​: En kortslutningsfeil forekommer på linjen, som fører til at strømmen øker brått. På dette tidspunktet er S1 og Q1 igang, Q2 er av, og feilstrømmen flyter fullstendig gjennom strømbærer-grenen.
2. ​Fase 2 (t1–t2, Strømoverføring)​: Kontrollsystemet gir en åpningskommando, som slår på Q2 og slår av Q1. Ledningen av Q2 genererer en kommutasjonsspenning på broarmen, som tvinger strømmen til å overføre seg fra strømbærer-grenen til strømavbryter-grenen (bane: D1 → Q2 → D4).
3. ​Fase 3 (t2–t3, Mekanisk skruavbryting)​: Etter at strømmen i strømbærer-grenen er fullstendig overført, avbryter den høyhastighets mekaniske skruen S1 under null-strøm og null-spenning uten bue, etablerer isolasjonsstyrke.
4. ​Fase 4 (t3–t4, Feilstrømklaring)​: Etter at S1 er fullstendig avbrutt, slår man av Q2. Avbrytingen av Q2 genererer en midlertidig overvoltage over sirkitsbryteren, utløser MOV1 til å lede og overføre feilstrømmen til MOV1 for dissipasjon inntil energien er uttatt, strømmen faller til null, og feilisolering er fullført.

Avbrytingsprinsippet for revers strøm er det samme, veiledet av diodebroen (D2, D3) til å flyte gjennom Q2.

​​(III) Intelligent kontrolleringsstrategi​

1. ​Forhåndsavbrytingskontrolleringsstrategi:
• ​Hensikt: For å overvinne flaskenhalsen av høy andel av høyhastighets mekanisk skruåpningstid (ca. 2 ms), forkorte total avbrytingstid, og undertrykke toppen av feilstrømmen.
• ​Logikk: Ved sanntidsovervåking av busyspenning, linjespenning, og linjestrom (totalt 6 kriterier, som vist i Tabell 1), når noen avvikende kriterium utløses, initieres forhåndsavbrytingsoperasjon på forhånd (overfører strøm til strømavbryter-grenen og åpner S1). Hvis en formell åpningskommando mottas senere, fullføres avbrytingen; hvis det er en falsk alarm, overføres strømmen tilbake til strømbærer-grenen for å gjenoppta normal drift.
• ​Effekt: Simuleringer viser at denne strategien kan undertrykke feilstrømmen fra 25 kA til 17 kA, med total avbrytingstid stabilisert innen 3 ms.

​Tabell 1: Forhåndsavbrytingsaktiveringskriterier​

1. ​Myk lukkingkontrolleringsstrategi:
• ​Hensikt: For å håndtere potensielle overvoltage og systemsvingninger ved lukking, uten behov for ekstra motstander og skruer, sparer kostnader og plass.
• ​Logikk: Strømavbryter-grenen behandles som sammensatt av flere mediumspenningsenheter koblet i serie. Under lukking, aktiveres disse mediumspenningsenhetene sekvensielt og kontrollerbart for å gradvis etablere en bane. Etter hvert trinn utføres feildeteksjon. Hvis ingen feil detekteres, fortsetter prosessen til alle enheter er aktive. Til slutt lukkes strømbærer-grenen, og strømavbryter-grenen slukkes. Hvis en feil detekteres under prosessen, avbrytes lukking umiddelbart.
• ​Tilpassethet: Egnet for normal lukking og automatisk genlukking etter feilklearing. Simuleringer bekrefter ingen overvoltage eller svingninger.

​III. Prototyputvikling og eksperimentell verifisering​

​​(I) Nøkkelparametre og struktur av prototypen​
En 500 kV DC-sirkitsbryter ingeniørprototyp ble utviklet med følgende nøkkelparametre:

• ​Konstruksjonell design:
• ​Strømbærer gren: Som den bærer strøm over lengre perioder, er Q1 utstyrt med et vannkjølingsystem og plassert nederst i ventiltårnet; S1 består av flere vakuumskruer i serie, drevet av en elektromagnetisk repulsjonsmekanisme, og plassert øverst i ventiltårnet.
• ​Strømavbryter gren: Består av 10 rekkesammenkoblete 50 kV mediumspenningsenheter, installert i 2 ventiltårn (5 lag hver). Q2 bruker en dobbeltparallell IGBT-design for å møte avbrytningskapasiteten. Denne grenen bærer ingen strøm under normal drift, så ingen kjøling er nødvendig, noe som resulterer i et mer smidig design.

​​(II) Eksperimentelle verifiseringsresultater​
Prototypen gikk gjennom streng testing ved hjelp av en ekvivalent eksperimentell sirkuit (LC oscilleringssirkuit):

• ​Kommutasjonstid: Tiden for strømoverføring fra strømbærer-grenen til strømavbryter-grenen var < 300 μs.
• ​Total avbrytingstid: Fra å motta åpningskommandoen til at strømmen begynner å synke, tok det ca. 2.9 ms, som oppfyller designmålet på <3 ms.
• ​Midlertidig overvoltage: En øyeblikkelig overvoltage på ca. 800 kV ble generert under avbryting, som er konsekvent med MOV-beskyttelsesnivå, kontrollert og trygg.
• ​Konklusjon: Eksperimenterne bekreftet vellykket den rektifier-type hybrid høyspennings DC-sirkitsbrytertopologiens gjennomførbart, effektivitet, og fremragende ytelse.

​IV. Kjernekonklusjoner:

1. Den rektifier-type hybride topologien foreslått i denne løsningen bruker en innovativ design med en diodebro for å realisere toveis strømkontroll, reduserer IGBT-bruk med omtrent 50% sammenlignet med tradisjonelle løsninger, og tilbyr betydelige fordeler i økonomisk effektivitet og pålitelighet.
2. De intelligente forhåndsavbrytings- og myk lukkingkontrolleringsstrategiene effektivt håndterer problemer med mekanisk skruhandlingsforsinkelse og lukkingpåvirkning, forbedrer det totale dynamiske ytelsen av systemet.
3. Den vellykkede utviklingen og testingen av 500 kV/25 kA ingeniørprototypen demonstrerer fullstendig den ingeniørfaglige gjennomførbart og ytelseskompabiliteten av denne tekniske tilnærmingen.