Решение для гибридного высоковольтного выпрямительного DC-выключателя

I. Проектный фон и анализ требований​
С углублением энергетического перехода, технология гибкой передачи постоянного тока на основе преобразователей напряжения (VSC) стала ключевым решением для интеграции крупномасштабных возобновляемых источников энергии и повышения возможностей дальней передачи электроэнергии благодаря таким преимуществам, как независимое управление активной и реактивной мощностью и низкое содержание гармоник. Строительство гибких сетей постоянного тока является неизбежным трендом. В этом контексте высоковольтные выключатели постоянного тока, как основные устройства защиты для быстрого изоляции аварий и обеспечения безопасности и стабильности сети, имеют критическое значение. Без высокопроизводительных выключателей постоянного тока операционная гибкость и надежность электроснабжения гибких сетей постоянного тока будут серьезно ограничены.

Текущие основные технологии высоковольтных выключателей постоянного тока имеют значительные ограничения:

• ​Механические выключатели: Хотя они предлагают низкие потери в режиме проводимости и высокую переносимую напряженность, время прерывания составляет десятки миллисекунд, что не соответствует строгому требованию быстрого изоляции аварий на уровне миллисекунд в гибких сетях постоянного тока.
• ​Выключатели полностью на полупроводниковых приборах: Основанные на полупроводниковых устройствах, они обеспечивают чрезвычайно быстрое прерывание, но страдают от избыточных потерь в режиме проводимости, высоких эксплуатационных затрат и низкой экономической эффективности.
• ​Традиционные гибридные выключатели: Объединяя низкие потери механических переключателей и быстрое прерывание полупроводниковых переключателей, их топология требует последовательного соединения IGBT в обоих направлениях, что приводит к низкой эффективности использования устройств, сложности системы и высокой стоимости.

Для решения этих технических узких мест существует срочная необходимость в новом решении для выключателя постоянного тока, которое сочетало бы способность быстрого прерывания, низкие эксплуатационные потери, высокую экономическую эффективность и высокую надежность.

​II. Решение: Гибридный высоковольтный выключатель постоянного тока типа выпрямителя​
Это решение предлагает инновационную топологию гибридного высоковольтного выключателя постоянного тока типа выпрямителя, фундаментально решая ограничения существующих технологий.

​​(I) Основная технология: Инновационная топология цепи​
Топология этого выключателя состоит из параллельно соединенных ветвей для проводимости тока и для прерывания тока.

1. ​Ветвь для проводимости тока:
• ​Состав: Включает высокоскоростной механический переключатель (S1) и группу клапанов для проводимости тока (Q1), соединенные последовательно.
• ​Особенности: S1 имеет крайне низкое контактное сопротивление (всего несколько микромегом), а Q1 состоит из небольшого количества IGBT с низким падением напряжения при проводимости. В нормальном режиме работы номинальный ток проходит через эту ветвь, обеспечивая крайне низкие потери в режиме проводимости.
2. ​Ветвь для прерывания тока:
• ​Состав: Использует структуру мостового выпрямителя, состоящую из группы коммутирующих клапанов (D1-D4, образованной несколькими последовательно соединенными диодами), односторонней группы клапанов для прерывания (Q2, образованной несколькими последовательно соединенными IGBT) и нелинейного резистора (MOV1, ограничитель перенапряжений).
• ​Основное преимущество: Структура мостового выпрямителя умело обеспечивает коммутацию тока, позволяя односторонней группе клапанов для прерывания (Q2) прерывать двунаправленные аварийные токи постоянного тока. По сравнению с традиционными гибридными топологиями количество IGBT снижается примерно вдвое. Учитывая, что коммерческие IGBT в пресс-пакете стоят примерно в 10 раз дороже диодов того же класса, и уменьшение количества IGBT также снижает количество сопутствующих плат управления, эта топология достигает значительного снижения затрат и общего улучшения надежности.

​​(II) Принцип эффективного прерывания​
На примере тока, текущего от порта 1 к порту 2, процесс прерывания состоит из четырех этапов:

1. ​Этап 1 (t0–t1, возникновение аварии)​: На линии происходит короткое замыкание, вызывая резкий рост тока. В этот момент S1 и Q1 проводят, Q2 выключен, и аварийный ток полностью проходит через ветвь для проводимости тока.
2. ​Этап 2 (t1–t2, передача тока)​: Система управления выдает команду на открытие, включая Q2 и выключая Q1. Проводимость Q2 создает коммутирующее напряжение на плече моста, заставляя ток передаться из ветви для проводимости тока в ветвь для прерывания тока (путь: D1 → Q2 → D4).
3. ​Этап 3 (t2–t3, прерывание механического переключателя)​: После полного передачи тока из ветви для проводимости тока, высокоскоростной механический переключатель S1 прерывает под условиями нулевого тока и нулевого напряжения без дуги, устанавливая изоляционную прочность.
4. ​Этап 4 (t3–t4, очистка аварийного тока)​: После полного прерывания S1, Q2 выключается. Выключение Q2 создает переходное перенапряжение на выключателе, вызывая проводимость MOV1 и отвод аварийного тока в MOV1 для рассеивания до тех пор, пока энергия не будет исчерпана, ток не упадет до нуля, и изоляция аварии завершится.

Принцип прерывания для обратного тока аналогичен, направляемый диодным мостом (D2, D3) через Q2.

​​(III) Интеллектуальная стратегия управления​

1. ​Стратегия предварительного прерывания:
• ​Цель: Преодолеть бутылочное горлышко высокой доли времени открытия высокоскоростного механического переключателя (около 2 мс), сократить общее время прерывания и подавить пиковое аварийное значение тока.
• ​Логика: Через реальное время мониторинга напряжения шины, линейного напряжения и линейного тока (всего 6 критериев, как показано в таблице 1), как только любой аномальный критерий срабатывает, начинается предварительное прерывание (передача тока в ветвь для прерывания тока и открытие S1). Если затем получена формальная команда на открытие, прерывание завершается; если это ложная тревога, ток передается обратно в ветвь для проводимости тока для возобновления нормальной работы.
• ​Эффект: Моделирование показывает, что эта стратегия может подавить аварийный ток с 25 кА до 17 кА, с общим временем прерывания стабилизированным в пределах 3 мс.

​Таблица 1: Критерии активации предварительного прерывания​

1. ​Стратегия мягкого закрытия:
• ​Цель: Решить потенциальные проблемы с перенапряжением и колебаниями системы в момент закрытия, без необходимости дополнительных резисторов и переключателей, экономя затраты и пространство.
• ​Логика: Ветвь для прерывания тока рассматривается как состоящая из нескольких средневольтных единиц, соединенных последовательно. При закрытии эти средневольтные единицы последовательно и контролируемо включаются, постепенно устанавливая путь. После каждого шага выполняется проверка на наличие аварии. Если авария не обнаружена, процесс продолжается до тех пор, пока все единицы не будут включены. Затем ветвь для проводимости тока закрывается, а ветвь для прерывания тока выключается. Если во время процесса обнаружена авария, закрытие немедленно прекращается.
• ​Применимость: Подходит для нормального закрытия и автоматического повторного закрытия после очистки аварии. Моделирование подтверждает отсутствие перенапряжения и колебаний.

​III. Разработка прототипа и экспериментальная верификация​

​​(I) Основные параметры и структура прототипа​
Был разработан инженерный прототип выключателя постоянного тока на 500 кВ с следующими основными параметрами:

• ​Конструктивное проектирование:
• ​Ветвь для проводимости тока: Поскольку она проводит ток длительное время, Q1 оснащен системой водяного охлаждения и размещен в нижней части клапанной башни; S1 состоит из нескольких последовательно соединенных вакуумных переключателей, приводимых механизмом электромагнитного отталкивания, и размещен в верхней части клапанной башни.
• ​Ветвь для прерывания тока: Состоит из 10 последовательно соединенных средневольтных единиц по 50 кВ, установленных в 2 клапанных башнях (по 5 слоев каждая). Q2 использует двойной параллельный дизайн IGBT для удовлетворения требования к прерыванию. Эта ветвь не проводит ток в нормальном режиме, поэтому не требуется охлаждение, что приводит к более компактному дизайну.

​​(II) Результаты экспериментальной верификации​
Прототип прошел строгие испытания с использованием эквивалентной экспериментальной цепи (LC-колебательная цепь):

• ​Время коммутации: Время передачи тока из ветви для проводимости тока в ветвь для прерывания тока составило < 300 мкс.
• ​Общее время прерывания: От получения команды на открытие до начала падения тока потребовалось около 2,9 мс, что соответствует проектной цели <3 мс.
• ​Переходное перенапряжение: Во время прерывания было сгенерировано мгновенное перенапряжение около 800 кВ, что соответствует уровню защиты MOV, контролируемое и безопасное.
• ​Заключение: Эксперименты успешно подтвердили жизнеспособность, эффективность и отличные характеристики топологии гибридного высоковольтного выключателя постоянного тока типа выпрямителя.

​IV. Основные выводы:

1. Предложенная в этом решении топология гибридного выпрямителя использует инновационный дизайн с диодным мостом для достижения двунаправленного управления током, снижая использование IGBT примерно на 50% по сравнению с традиционными решениями, что обеспечивает значительные преимущества в экономической эффективности и надежности.
2. Интеллектуальные стратегии предварительного прерывания и мягкого закрытия эффективно решают проблемы задержки действия механического переключателя и воздействия при закрытии, улучшая общую динамическую производительность системы.
3. Успешная разработка и тестирование инженерного прототипа на 500 кВ/25 кА полностью демонстрируют инженерную жизнеспособность и соответствие характеристикам данного технического подхода.