Rozwiązanie z wykorzystaniem hybrydowego przekaźnika prądu stałego wysokiego napięcia typu prostownikowego

I. Tło projektu i analiza wymagań​
Wraz z pogłębianiem się przejścia energetycznego, technologia przesyłania prądu stałego oparta na konwerterach napięciowych (VSC) stała się kluczowym rozwiązaniem do integracji dużej skali energii odnawialnej oraz wzrostu zdolności przesyłania prądu na długich dystansach, dzięki takim zaletom jak niezależna kontrola mocy czynnej i biernej oraz niskie zawartości harmonicznych. Budowa elastycznych sieci DC jest nieuniknioną tendencją. W tym kontekście, wysokonapięciowe wyłączniki prądu stałego, jako kluczowe urządzenia ochronne zapewniające szybkie izolowanie uszkodzeń i bezpieczeństwo oraz stabilność sieci, są kluczowe. Bez wydajnych wyłączników prądu stałego, elastyczność operacyjna i niezawodność dostawy energii w elastycznych sieciach DC byłaby poważnie ograniczona.

Aktualne dominujące technologie wysokonapięciowych wyłączników prądu stałego mają istotne ograniczenia:

• ​Wyłączniki mechaniczne: Chociaż oferują niskie straty w stanie przepustowym i wysoką wytrzymałość na napięcie, ich czas przerwania wynosi dziesiątki milisekund, co nie spełnia surowych wymagań szybkiego izolowania uszkodzeń w elastycznych sieciach DC.
• ​Wyłączniki pełnopółprzewodnikowe: Oparte na urządzeniach półprzewodnikowych, oferują ekstremalnie szybkie przerwanie, ale mają nadmierne straty w stanie przepustowym, wysokie koszty eksploatacji i słabe efekty ekonomiczne.
• ​Tradycyjne hybrydowe wyłączniki: Mimo łączenia niskich strat mechanicznych przełączników i szybkiego przerwania półprzewodnikowych przełączników, ich topologia wymaga szeregowego połączenia IGBT w obu kierunkach, co prowadzi do niskiego wykorzystania urządzeń, złożoności systemu i wysokich kosztów.

Aby rozwiązać te technologiczne butelkowe gardła, potrzebne jest nowe rozwiązanie wyłącznika prądu stałego, które łączy zdolność szybkiego przerwania, niskie straty eksploatacyjne, wysoką efektywność ekonomiczną i niezawodność.

​II. Rozwiązanie: Hybrydowy wysokonapięciowy wyłącznik prądu stałego typu prostowniczy​
To rozwiązanie proponuje innowacyjną topologię hybrydowego wysokonapięciowego wyłącznika prądu stałego typu prostowniczego, fundamentalnie rozwiązyującą ograniczenia istniejących technologii.

​​(I) Kluczowa technologia: Innowacyjna topologia obwodu​
Topologia tego wyłącznika składa się z gałęzi przeprowadzającej prąd i gałęzi przerwania prądu połączonych równolegle.

1. ​Gałąź przeprowadzająca prąd:
• ​Skład: Składa się z wysokoprędkiego przełącznika mechanicznego (S1) i grupy walcowej przeprowadzającej prąd (Q1) połączonych szeregowo.
• ​Właściwości: S1 ma ekstremalnie niską rezystancję kontaktową (tylko kilkadziesiąt mikroohmów), a Q1 składa się z małej liczby IGBT o niskim spadku napięcia przewodzenia. W normalnym trybie pracy, prąd nominalny przepływa przez tę gałąź, zapewniając ekstremalnie niskie straty w stanie przepustowym.
2. ​Gałąź przerwania prądu:
• ​Skład: Wykorzystuje strukturę prostownika mostkowego, składającą się z grupy walcowej komutacji (D1-D4, utworzonej z wielu szeregowo połączonych diod), grupy jednokierunkowej przerwania (Q2, utworzonej z wielu szeregowo połączonych IGBT) i nieliniowego opornika (MOV1, absorber).
• ​Kluczowa zaleta: Struktura prostownika mostkowego sprytnie realizuje komutację prądu, umożliwiając grupie przerwania IGBT (Q2) przerwanie dwukierunkowych prądów uszkodzeniowych DC. W porównaniu do tradycyjnych topologii hybrydowych, liczba IGBT jest zmniejszona o około połowę. Biorąc pod uwagę, że komercyjne IGBT w formie modułów press-pack kosztują około 10 razy więcej niż diody o tej samej mocy, a zmniejszenie liczby IGBT również zmniejsza liczbę towarzyszących płyt sterujących, ta topologia osiąga znaczące obniżenie kosztów i poprawę ogólnej niezawodności.

​​(II) Efektywny mechanizm przerwania​
Na przykładzie prądu płynącego od portu 1 do portu 2, proces przerwania składa się z czterech etapów:

1. ​Etap 1 (t0–t1, wystąpienie uszkodzenia)​: Występuje uszkodzenie krótcozamknięciowe, powodując gwałtowny wzrost prądu. W tym momencie S1 i Q1 są przewodzące, Q2 jest wyłączone, a prąd uszkodzeniowy płynie całkowicie przez gałąź przeprowadzającą prąd.
2. ​Etap 2 (t1–t2, transfer prądu)​: System sterujący wydaje polecenie otwarcia, włączając Q2 i wyłączając Q1. Przewodzenie Q2 generuje napięcie komutacji na ramieniu mostka, zmuszając prąd do przeniesienia z gałęzi przeprowadzającej prąd do gałęzi przerwania (ścieżka: D1 → Q2 → D4).
3. ​Etap 3 (t2–t3, przerwanie przełącznika mechanicznego)​: Po całkowitym przeniesieniu prądu z gałęzi przeprowadzającej prąd, wysokoprędki przełącznik mechaniczny S1 przerwany jest w warunkach zerowego prądu i napięcia bez iskrzenia, ustanawiając siłę izolacji.
4. ​Etap 4 (t3–t4, wyczyszczenie prądu uszkodzeniowego)​: Po pełnym przerwaniu S1, Q2 jest wyłączone. Wyłączenie Q2 generuje chwilowe nadnapięcie na wyłączniku, uruchamiając MOV1, które odprowadza prąd uszkodzeniowy do MOV1 do wypalenia, aż energia zostanie zużyta, prąd spadnie do zera, a izolacja uszkodzenia zostanie zakończona.

Mechanizm przerwania dla prądu odwrotnego jest taki sam, kierowany przez mostek diodowy (D2, D3) do przepływu przez Q2.

​​(III) Inteligentna strategia sterowania​

1. ​Strategia sterowania przed przerwaniem:
• ​Cel: Aby pokonać ograniczenia związane z dużym udziałem czasu otwarcia wysokoprędkiego przełącznika mechanicznego (około 2 ms), skrócić całkowity czas przerwania i stłumić szczytowy prąd uszkodzeniowy.
• ​Logika: Poprzez monitorowanie w czasie rzeczywistym napięcia magistrali, napięcia linii i prądu linii (łącznie 6 kryteriów, jak pokazano w tabeli 1), gdy tylko jakiekolwiek anormalne kryterium jest wyzwolone, inicjuje się wcześniejsza operacja przed przerwaniem (przenoszenie prądu do gałęzi przerwania i otwarcie S1). Jeśli otrzyma się formalne polecenie otwarcia, przerwanie zostaje zakończone; jeśli jest to fałszywy alarm, prąd jest przenoszony z powrotem do gałęzi przeprowadzającej prąd, aby wznowić normalną pracę.
• ​Skutek: Symulacje pokazują, że ta strategia może stłumić prąd uszkodzeniowy z 25 kA do 17 kA, z całkowitym czasem przerwania stabilizowanym poniżej 3 ms.

​Tabela 1: Kryteria aktywacji przed przerwaniem​

1. ​Strategia miękkiego zamknięcia:
• ​Cel: Aby rozwiązać potencjalne problemy z nadnapięciami i oscylacjami systemu w momencie zamknięcia, bez potrzeby dodatkowych rezystorów i przełączników, oszczędzając koszty i miejsce.
• ​Logika: Gałąź przerwania prądu traktowana jest jako składająca się z wielu jednostek średniego napięcia połączonych szeregowo. Podczas zamknięcia, te jednostki średniego napięcia są sekwencyjnie i kontrolowalnie włączane, stopniowo tworząc ścieżkę. Po każdym kroku, wykonuje się detekcję uszkodzeń. Jeśli nie wykryto uszkodzenia, proces kontynuuje się, aż wszystkie jednostki są włączone. Na końcu, gałąź przeprowadzająca prąd jest zamknięta, a gałąź przerwania prądu jest wyłączona. Jeśli w trakcie procesu wykryto uszkodzenie, zamknięcie jest natychmiast anulowane.
• ​Zastosowanie: Odpowiednie do normalnego zamknięcia i automatycznego ponownego zamknięcia po wyczyszczeniu uszkodzenia. Symulacje potwierdzają brak nadnapięć i oscylacji.

​III. Rozwój prototypu i weryfikacja eksperymentalna​

​​(I) Kluczowe parametry i struktura prototypu​
Został opracowany inżynieryjny prototyp wyłącznika prądu stałego 500 kV z następującymi kluczowymi parametrami:

• ​Projekt strukturalny:
• ​Gałąź przeprowadzająca prąd: Ponieważ przeprowadza prąd przez długi czas, Q1 wyposażone jest w system chłodzenia wodą i umieszczone jest u podstawy wieży walcowej; S1 składa się z wielu szeregowo połączonych przełączników próżniowych, napędzanych przez mechanism elektromagnetyczny, i umieszczonych na szczycie wieży walcowej.
• ​Gałąź przerwania prądu: Składa się z 10 szeregowo połączonych jednostek średniego napięcia 50 kV, zainstalowanych w dwóch wieżach walcowych (po 5 warstw każda). Q2 używa konstrukcji podwójnie równoległych IGBT, aby spełnić wymagania przerwania. Ta gałąź nie przeprowadza prądu w normalnym trybie pracy, więc nie wymaga chłodzenia, co prowadzi do bardziej uproszczonego projektu.

​​(II) Wyniki weryfikacji eksperymentalnej​
Prototyp przeszedł rygorystyczne testy przy użyciu równoważnego obwodu doświadczalnego (obwód LC):

• ​Czas komutacji: Czas przeniesienia prądu z gałęzi przeprowadzającej prąd do gałęzi przerwania prądu był < 300 μs.
• ​Całkowity czas przerwania: Od otrzymania polecenia otwarcia do rozpoczęcia spadku prądu, upłynęło około 2,9 ms, co spełnia cel projektowy <3 ms.
• ​Chwilowe nadnapięcie: Podczas przerwania wygenerowano chwilowe nadnapięcie około 800 kV, zgodne z poziomem ochrony MOV, kontrolowane i bezpieczne.
• ​Podsumowanie: Eksperymenty pomyślnie zweryfikowały wykonalność, skuteczność i doskonałe właściwości topologii hybrydowego wysokonapięciowego wyłącznika prądu stałego typu prostowniczego.

​IV. Główne wnioski:

1. Propozycja topologii hybrydowej typu prostowniczej w tym rozwiązaniu wykorzystuje innowacyjny projekt z mostkiem diodowym, umożliwiającym kontrolę prądu dwukierunkowego, zmniejszając liczbę IGBT o około 50% w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań, oferując znaczące korzyści w zakresie efektywności ekonomicznej i niezawodności.
2. Inteligentne strategie sterowania przed przerwaniem i miękkiego zamknięcia skutecznie rozwiązują problemy opóźnienia działania przełącznika mechanicznego i wpływu zamknięcia, poprawiając ogólną dynamiczną wydajność systemu.
3. Pomyślne opracowanie i testowanie inżynieryjnego prototypu 500 kV/25 kA w pełni potwierdza inżynieryjną wykonalność i zgodność właściwości tego podejścia technologicznego.