Rešenje za hibridni visokonaponski DC prekidnač tipa rektifikator

I. Pozadina projekta i analiza potreba​
Sa dubljim napredovanjem prelaza na energiju, tehnologija fleksibilne DC prenose na osnovu pretvarača struje sa izvora napona (VSC) postala je ključna rešenja za integraciju velikih obima obnovljivih izvora energije i poboljšanje mogućnosti prenosa struje na daleke udaljenosti, zahvaljujući prednostima kao što su nezavisno upravljanje aktivnom i reaktivnom snazju i niska harmonijska sadržina. Izgradnja fleksibilnih DC mreža je neizbežna tendencija. U ovom kontekstu, visokonaponski DC prekidaci, kao ključni zaštiti uređaji za brzo isključivanje grešaka i osiguranje sigurnosti i stabilnosti mreže, su od kritične važnosti. Bez visokoperformansnih DC prekidaca, operativna fleksibilnost i pouzdanost opskrbe fleksibilnih DC mreža bi bili ozbiljno ograničeni.

Trenutne mainstream visokonaponske DC prekidni tehnologije imaju značajne ograničenja:

• ​Mehanički prekidaci: Iako nude niske gubitke u stanju provođenja i visoku otpornost na napon, njihov vreme isključivanja je desetine milisekundi, što ne ispunjava stroge zahteve za brzo isključivanje grešaka na nivou milisekundi u fleksibilnim DC mrežama.
• ​Potpuno čvrste stanje prekidaci: Na osnovu poluprovodnika, oni pružaju izuzetno brzo isključivanje, ali trpe od prevelikih gubitaka u stanju provođenja, visokih troškova rada i loše ekonomskog efekta.
• ​Tradicionalni hibridni prekidaci: Iako kombiniraju niske gubitke mehaničkih prekidača i brzo isključivanje čvrstih stanja prekidača, njihova topologija zahteva serijalno povezane IGBT-ove u oba smera, što dovodi do niske iskorištenosti uređaja, složenosti sistema i visokih troškova.

Da bi se ovi tehnički grlanci rešili, potrebna je nova rešenja za DC prekidace koji kombinuju brzu sposobnost prekidanja, niske troškove rada, visoku ekonomsku efikasnost i visoku pouzdanost.

​II. Rešenje: Hibridni visokonaponski DC prekidac tipa pretvarača​
Ovo rešenje predlaže inovativnu topologiju hibridnog visokonaponskog DC prekidaca tipa pretvarača, koja temeljno rešava ograničenja postojećih tehnologija.

​​(I) Ključna tehnologija: Inovativna topologija šeme​
Topologija ovog prekidaca sastoji se od grananice nosilca struje i grananice prekidanja struje povezane paralelno.

1. ​Granica nosilca struje:
• ​Sastav: Sastoji se od visokobrzinskog mehaničkog prekidača (S1) i skupine ventila nosilca struje (Q1) povezanih serijalno.
• ​Karakteristike: S1 ima izuzetno niski kontakt otpor (samo desetine mikroohma), a Q1 sastoji se od malog broja IGBT-a sa niskim padom napona pri provođenju. Tijekom normalnog rada, nominalna struja protiče kroz ovu granicu, osiguravajući izuzetno niske gubitke u stanju provođenja.
2. ​Granica prekidanja struje:
• ​Sastav: Koristi mostastu strukturu pretvarača, sastavljenu od skupine komutacionih ventila (D1-D4, formiranih od više serijalno povezanih dioda), unidirekcionog prekidnog skupa ventila (Q2, formiran od više serijanih IGBT-a) i nelinearnog otpornika (MOV1, zaštitni uređaj).
• ​Ključna prednost: Mostasta struktura pretvarača pametno postiže komutaciju struje, omogućavajući unidirekcionom skupu IGBT prekidnih ventila (Q2) da prekine dvosmjerne DC greške. U poređenju sa tradicionalnim hibridnim topologijama, broj IGBT-a se smanjuje približno za polovinu. Uzimajući u obzir da komercijalni press-pack IGBT-ovi koštaju oko 10 puta više od dioda istog ratinga, a smanjenje broja IGBT-a takođe smanjuje broj pratećih ploča vođenja, ova topologija postiže značajan smanjenje troškova i poboljšanje ukupne pouzdanosti.

​​(II) Efikasan princip rada prekidanja​
Kao primjer, uzimajući struju koja teče od Porta 1 do Porta 2, proces prekidanja sastoji se od četiri faze:

1. ​Faza 1 (t0–t1, Pojavljivanje greške)​: Događa se kratkospojna greška na liniji, što dovodi do brzog porasta struje. U tom trenutku, S1 i Q1 su pod provođenjem, Q2 je isključen, a greška struja protiče potpuno kroz granicu nosilca struje.
2. ​Faza 2 (t1–t2, Transfer struje)​: Kontrolni sistem emituje naredbu otvaranja, upaljujući Q2 i isključujući Q1. Provođenje Q2 generiše komutacioni napon na mostu, prisiljavajući struju da se prebaci sa granice nosilca struje na granicu prekidanja struje (put: D1 → Q2 → D4).
3. ​Faza 3 (t2–t3, Isključivanje mehaničkog prekidača)​: Nakon što je struja u granici nosilca struje potpuno prebačena, visokobrzinski mehanički prekidač S1 prekida pod uslovima nulte struje i nultog napona bez lukovanja, stvarajući dielektričnu čvrstoću.
4. ​Faza 4 (t3–t4, Očiscavanje greške struje)​: Nakon što je S1 potpuno prekinut, Q2 se isključuje. Isključivanje Q2 generiše privremeni prekomerni napon preko prekidaca, pokreće MOV1 da provodi i preusmjerava grešku struje u MOV1 za rasipanje dok se energija ne iscrpi, struja pada na nulu, i dovršeno je izolovanje greške.

Princip prekidanja za obrnutu struju je isti, upravljan od diode mosta (D2, D3) da teče kroz Q2.

​​(III) Inteligentna strategija kontrole​

1. ​Strategija kontrole pre prekidanja:
• ​Cilj: Da bi se prevazišao grlanac visokog udela vremena otvaranja visokobrzinskog mehaničkog prekidača (oko 2 ms), skratilo ukupno vreme prekidanja i smanjilo vrhunski grešku struje.
• ​Logika: Kroz stvarno vreme nadzora napona busa, napona linije i struje linije (ukupno 6 kriterijuma, kao što je prikazano u Tabeli 1), jednom kada se bilo koji abnormalni kriterijum aktivira, prekidna operacija se započinje unaprijed (prebacivanje struje na granicu prekidanja struje i otvaranje S1). Ako se kasnije primi formalna naredba za otvaranje, prekid se završava; ako je lažna alarm, struja se vraća na granicu nosilca struje da se nastavi normalna radnja.
• ​Efekat: Simulacije pokazuju da ova strategija može smanjiti grešku struje od 25 kA na 17 kA, sa ukupnim vremenom prekidanja stabiliziranim unutar 3 ms.

​Tabela 1: Kriterijumi aktivacije pre prekidanja​

1. ​Strategija kontrole lagane zatvaranja:
• ​Cilj: Da bi se rešili potencijalni prekomerni napon i problem oscilacija sistema u trenutku zatvaranja, bez potrebe za dodatnim otpornicima i prekidačima, štedeći troškove i prostor.
• ​Logika: Granica prekidanja struje se tretira kao sastavljena od više srednjeg napona jedinica povezanih serijalno. Tijekom zatvaranja, ove srednje-naponske jedinice se redom i kontrolisano upaljuju kako bi se postepeno postavio put. Nakon svakog koraka, vrši se detekcija grešaka. Ako se ne detektuje greška, proces se nastavlja sve dok se sve jedinice ne upale. Na kraju, zatvara se granica nosilca struje, a granica prekidanja struje se isključuje. Ako se tokom procesa detektuje greška, zatvaranje se odmah prekida.
• ​Primjenjivost: Prikladno je za normalno zatvaranje i automatsko ponovno zatvaranje nakon očiscavanja greške. Simulacije verificiraju da nema prekomernog napona ili oscilacija.

​III. Razvoj prototipa i eksperimentalna verifikacija​

​​(I) Ključni parametri i struktura prototipa​
Razvijen je inženjerski prototip 500 kV DC prekidaca sa sledećim ključnim parametrima:

• ​Dizajn strukture:
• ​Granica nosilca struje: Budući da nosi struju duže perioda, Q1 je opremljen sistemom hlađenja vodom i smješten na dnu tornjeva ventila; S1 sastoji se od više vakuumskih prekidača povezanih serijalno, pogonjih elektromagnetskim odbijanjem, i smješten na vrhu tornjeva ventila.
• ​Granica prekidanja struje: Sastoji se od 10 serijalno povezanih 50 kV srednjeg napona jedinica, instaliranih u 2 tornjeva ventila (po 5 slojeva). Q2 koristi dizajn dvostrukog paralelnog IGBT-a kako bi ispunio kapacitet prekidanja. Ova granica ne nosi struju tokom normalnog rada, tako da nije potrebno hlađenje, što rezultira više strujnim dizajnom.

​​(II) Rezultati eksperimentalne verifikacije​
Prototip je prošao rigorozno testiranje korištenjem ekvivalentne eksperimentalne šeme (LC oscilatorska šema):

• ​Vrijeme komutacije: Vrijeme prebacivanja struje sa granice nosilca struje na granicu prekidanja struje bilo je < 300 μs.
• ​Ukupno vrijeme prekidanja: Od primanja naredbe za otvaranje do početka pada struje, proteklo je oko 2.9 ms, ispunjavajući cilj dizajna <3 ms.
• ​Privremeni prekomerni napon: Generisan je privremeni prekomerni napon od oko 800 kV tokom prekidanja, u skladu sa nivoom zaštite MOV-a, kontrolisan i siguran.
• ​Zaključak: Eksperimenti su uspešno verifikovali fezabilnost, efikasnost i odlične performanse topologije hibridnog visokonaponskog DC prekidaca tipa pretvarača.

​IV. Ključni zaključci:

1. Hibridna topologija tipa pretvarača predložena u ovom rešenju koristi inovativni dizajn sa diode mostom kako bi postigla kontrolu dvosmjerne struje, smanjujući upotrebu IGBT-a približno za 50% u odnosu na tradicionalna rešenja, pružajući značajne prednosti u ekonomskoj efikasnosti i pouzdanosti.
2. Inteligentne strategije kontrole pre prekidanja i lagane zatvaranja efikasno rešavaju probleme kašnjenja mehaničkog prekidača i uticaja zatvaranja, unapređujući ukupne dinamičke performanse sistema.
3. Uspešan razvoj i testiranje inženjerskog prototipa 500 kV/25 kA potpuno demonstriraju inženjersku fezabilnost i usklađenost performansi ovog tehničkog pristupa.