Rektifikatorski tip hibridnega visokonapetostnega preklopnika za enosmerni tok

I. Pogosto in analiza zahtevov​
S poglobitvijo prehoda na energijo, tehnologija prilagodljivega enosmerne napetosti (VSC) postaja ključna rešitev za integracijo velikih obsežnih obnovljivih virov energije in izboljšanje zmogljivosti oddaljenega prenosa električne energije, zaradi prednosti, kot so neodvisno nadzor aktivne in reaktivne moči ter nizka harmonična vsebina. Gradnja prilagodljivih enosmernih omrežij je neizbežna trenda. V tem kontekstu so visokonapetostni enosmerni preklopniki, kot osrednji zaščitni napravi za hitro izolacijo napak in zagotavljanje varnosti in stabilnosti omrežja, kritično pomembni. Brez visoko zmogljivih enosmernih preklopnikov bi operativna prilagodljivost in zanesljivost prilagodljivih enosmernih omrežij bila resno omejena.

Trenutne glavne tehnologije visokonapetostnih enosmernih preklopnikov imajo značilne omejitve:

• ​Mehanski preklopniki: Čeprav ponujajo nizke izgube pri delovanju in visoko izdržljivost, njihov čas preklopa znaša desetine milisekund, kar ne ustreza strogi zahtevi za milisekundske hitre odgovore pri prilagodljivih enosmernih omrežjih.
• ​Celostatični preklopniki: Na podlagi polprevodniških naprav ponujajo zelo hitre preklope, vendar trpijo zaradi prevelikih izgub pri delovanju, visokih stroškov delovanja in slabe ekonomskosti.
• ​Tradicionalni hibridni preklopniki: Čeprav kombinirajo nizke izgube mehanskih vključevalcev in hitre preklope statičnih vključevalcev, njihova topologija zahteva serijno povezane IGBT-je v obema smerama, kar vodi do nizke uporabnosti naprav, kompleksnosti sistema in visokih stroškov.

Za reševanje teh tehnoloških utrljavin je nujno potrebna nova rešitev enosmernega preklopnika, ki združuje hitre preklope, nizke izgube pri delovanju, visoko ekonomsko učinkovitost in visoko zanesljivost.

​II. Rešitev: Pravokotni hibridni visokonapetostni enosmerni preklopnik​
Ta rešitev predlaga inovativno topologijo pravokotnega hibridnega visokonapetostnega enosmernega preklopnika, ki temeljito reši omejitve obstoječih tehnologij.

​​(I) Ključna tehnologija: Inovativna topologija kruga​
Topologija tega preklopnika sestoji iz vzporedno povezanega nosilnega toka in preklopne veje.

1. ​Nosilna veja:
• ​Sestava: Sestoji iz hitrega mehanskega vključevalca (S1) in nosilne skupine ventilov (Q1), povezanih zaporedno.
• ​Značilnosti: S1 ima zelo nizko kontaktne odpornosti (samo desetine mikroohmov), Q1 pa sestoji iz malo števila IGBT-jev z nizkim padanjem napetosti pri toku. V normalnem delovanju teče imenovani tok skozi to vejo, kar zagotavlja zelo nizke izgube pri delovanju.
2. ​Preklopna veja:
• ​Sestava: Uporablja mostasto pravokotno strukturo, sestavljeno iz skupine komutacijskih ventilov (D1-D4, sestavljenih iz več zaporedno povezanih diod), unidirekcijske preklopne skupine ventilov (Q2, sestavljenih iz več zaporedno povezanih IGBT-jev) in nelinearnega odpornika (MOV1, zaščitni element).
• ​Osnovna prednost: Mostasta pravokotna struktura umetno doseže komutacijo toka, kar omogoča unidirekcijski IGBT preklopni skupini (Q2) preklopiti dvosmerne enosmerno napake. V primerjavi z tradicionalnimi hibridnimi topologijami se število IGBT-jev zmanjša približno za polovico. Ker komercialni press-pack IGBT-ji stanejo približno 10-krat več kot diode iste ocene, in zmanjšanje IGBT-jev tudi zmanjša število prilagojenih pogonskih plošč, ta topologija dosega značilno zmanjšanje stroškov in celovito izboljšanje zanesljivosti.

​​(II) Učinkovit princip preklopa​
Kot primer vzamemo tok, ki teče od vhoda 1 do vhoda 2, preklopni proces sestoji iz štirih faza:

1. ​Faza 1 (t0–t1, Pojav napake)​: Na črti nastane kratkopospoj, kar povzroči nenadno povečanje toka. V tem trenutku S1 in Q1 vodi, Q2 pa je izklopljen, in napaka teče popolnoma skozi nosilno vejo.
2. ​Faza 2 (t1–t2, Prenos toka)​: Kontrolni sistem pošlje ukaz za odpiranje, vklopi Q2 in izklopi Q1. Vedenje Q2 generira komutacijsko napetost na mostu, ki prisili tok, da se preneseta iz nosilne veje v preklopno vejo (pot: D1 → Q2 → D4).
3. ​Faza 3 (t2–t3, Mehanski preklop)​: Ko je tok v nosilni veji popolnoma prenesen, hitri mehanski preklop S1 preklopi brez loka pod pogoji ničelne napetosti in toka, kar vzpostavi izolacijsko trdost.
4. ​Faza 4 (t3–t4, Odstranitev napake)​: Ko je S1 popolnoma preklopljen, Q2 se izklopi. Izklop Q2 generira prehodno prekomerno napetost preko preklopnika, ki aktivira MOV1, da se napaka prevede v MOV1 za disipacijo, dokler se energija ne izčrpa, tok pada na nič in je izolacija napake končana.

Princip preklopa za obratni tok je enak, voden z mostom diod (D2, D3) skozi Q2.

​​(III) Inteligentna strategija nadzora​

1. ​Strategija predpreklopa:
• ​Namen: Za premagovanje utrljavin zaradi visokega deleža časa za odpiranje hitrega mehanskega preklopnika (približno 2 ms), krajenje skupnega časa preklopa in zadrževanje vrha napake.
• ​Logika: Z realnim časom nadzorom napetosti busa, črtne napetosti in črtne toka (skupaj 6 meril, kot je prikazano v Tabeli 1), ko je bilo katero koli nepravilno merilo aktivirano, se začne predpreklopni postopek (prenos toka v preklopno vejo in odpiranje S1). Če je nato prejeto formalen ukaz za odpiranje, je preklop končan; če je lažni alarm, se tok prevede nazaj v nosilno vejo za nadaljevanje normalnega delovanja.
• ​Učinek: Simulacije kažejo, da ta strategija lahko zadrži napako iz 25 kA na 17 kA, z skupnim časom preklopa stabiliziranim znotraj 3 ms.

​Tabela 1: Merila za aktiviranje predpreklopa​

1. ​Strategija blagega zapiranja:
• ​Namen: Za reševanje morebitnih prekomernih napetosti in sistemskih oscilacij ob trenutku zapiranja, brez potrebe po dodatnih odpornikih in vključevalcih, kar hrani stroške in prostor.
• ​Logika: Preklopna veja se obravnava kot sestavljena iz več srednje napetostnih enot, povezanih zaporedno. Med zapiranjem so ti srednje napetostni enoti zaprli zaporedno in nadzorno, da se postopoma vzpostavi pot. Po vsakem koraku se izvede preverjanje napak. Če ni odkrite napake, se postopek nadaljuje, dokler niso zaprte vse enote. Končno se zapre nosilna veja in izklopi preklopna veja. Če je med postopkom odkrita napaka, zapiranje takoj ustavi.
• ​Primernost: Primerna za normalno zapiranje in samodejno ponovno zapiranje po odstranitvi napak. Simulacije preverjajo, da ne pride do prekomernih napetosti ali oscilacij.

​III. Razvoj prototipa in eksperimentalna preverjanja​

​​(I) Ključni parametri in struktura prototipa​
Razvijen je bil inženirski prototip 500 kV enosmernega preklopnika z naslednjimi ključnimi parametri:

• ​Strukturna oblikovanja:
• ​Nosilna veja: Ker nosi tok za dolgi čas, Q1 opremljen z vodno hlajenjem in postavljen na dnu ventilskega stolpa; S1 sestavljen iz več zaporedno povezanih vakuumskih vključevalcev, pogonjenih z elektromagnetskim repulzivnim mehanizmom, in postavljen na vrhu ventilskega stolpa.
• ​Preklopna veja: Sestavljena iz 10 zaporedno povezanih 50 kV srednje napetostnih enot, nameščenih v 2 ventilska stolpa (po 5 slojev). Q2 uporablja dualno vzporedno IGBT dizajn za izpolnjevanje preklopne zmogljivosti. Ta veja ne nosi toka med normalnim delovanjem, zato ni potrebno hlajenje, kar vodi do bolj strmi oblike.

​​(II) Rezultati eksperimentalne preverjanja​
Prototip je prešel strogo testiranje z enakovrednim eksperimentalnim krugom (LC oscilator):

• ​Čas komutacije: Čas prenosa toka iz nosilne veje v preklopno vejo je bil < 300 μs.
• ​Skupni čas preklopa: Od prejemanja ukaza za odpiranje do začetka pada toka je trajalo približno 2,9 ms, kar ustreza ciljnemu razmerju <3 ms.
• ​Prehodna prekomerna napetost: Ob preklopu je bila generirana trenutna prekomerna napetost okoli 800 kV, usklajena z MOV zaščitnim nivojem, pod nadzorom in varna.
• ​Zaključek: Eksperimenti so uspešno preverili izvedljivost, učinkovitost in odlične lastnosti topologije pravokotnega hibridnega visokonapetostnega enosmernega preklopnika.

​IV. Osnovni zaključki:

1. Pravokotna hibridna topologija, predlagana v tej rešitvi, uporablja inovativno oblikovanje z mostom diod za dvosmerno kontrola toka, kar zmanjša uporabo IGBT-jev približno za 50% v primerjavi s tradicionalnimi rešitvami, kar ponuja značilne prednosti v gospodarski učinkovitosti in zanesljivosti.
2. Inteligentne strategije predpreklopa in blagega zapiranja učinkovito rešujejo težave zamude mehanskega preklopa in vpliva zapiranja, kar izboljša celovit dinamični učinek sistema.
3. Uspešni razvoj in testiranje inženirskega prototipa 500 kV/25 kA v celoti dokazuje inženirske izvedljivosti in skladnosti z zahtevami tehnične pristopi.