Rektifierstyp hybrid högspänningsdäckbrytarlösning

I. Projektbakgrund och behovsanalys​
Med den djupgående framgången för energiomställningen har spänningskällkonverterare (VSC)-baserad flexibel DC-överföringsteknik blivit en viktig lösning för storskalig integration av förnybar energi och förbättring av långdistansöverföringsförmåga, tack vare sina fördelar som oberoende kontroll av aktiv och reaktiv effekt samt låg harmonisk innehåll. Uppbyggandet av flexibla DC-nät är en oundviklig trend. I detta sammanhang är högspännings-DC-brytare, som kärnbeskyttande enheter för snabb felisolering och säkerhet i nätet, av yttersta vikt. Utan högpresterande DC-brytare skulle driftflexibiliteten och eldistributionens tillförlitlighet i flexibla DC-nät bli allvarligt begränsade.

Aktuella huvudströms tekniker för högspännings-DC-brytare har betydande begränsningar:

• ​Mekaniska brytare: Även om de erbjuder låga ledningsförluster och hög överhetsförmåga, är deras avbrotts tid tiotal millisekunder, vilket inte uppfyller det stränga kravet på millisekunds-snabb felisolering i flexibla DC-nät.
• ​Alla-halvledars brytare: Baserade på halvledarenheter, ger de extremt snabb avbrott men lider av onödigt höga ledningsförluster, höga driftskostnader och dålig ekonomisk effektivitet.
• ​Traditionella hybridbrytare: Trots att de kombinerar låga ledningsförluster hos mekaniska switchar och snabba avbrott hos halvledarswitchar, kräver deras topologi seriekopplade IGBT:er i både framåt- och bakåtriktning, vilket resulterar i låg enhetsanvändning, systemkomplexitet och höga kostnader.

För att bemöta dessa tekniska flaskhalsar finns det ett akut behov av en ny DC-brytarlösning som kombinerar snabb avbrott-förmåga, låga driftsförluster, hög ekonomisk effektivitet och hög tillförlitlighet.

​II. Lösning: Rektifieringsbaserad hybrid högspännings-DC-brytare​
Denna lösning föreslår en innovativ rektifieringsbaserad hybrid högspännings-DC-brytartopologi, som grundläggande löser begränsningarna i befintliga tekniker.

​​(I) Kärnteknik: Innovativ kretstopologi​
Topologin för denna brytare består av en strömledande gren och en strömavbrottsgren kopplade parallellt.

1. ​Strömledande gren:
• ​Sammansättning: Består av en höghastighetsmekanisk switch (S1) och en strömledande ventilgrupp (Q1) kopplade i serie.
• ​Egenskaper: S1 har extremt låg kontaktmotstånd (endast tiotal mikroohm), och Q1 består av ett fåtal IGBT:er med låg ledningsvoltdrop. Under normal drift flödar den nominella strömmen genom denna gren, vilket garanterar extremt låga ledningsförluster.
2. ​Strömavbrottsgren:
• ​Sammansättning: Använder en brorektifieringsstruktur, bestående av en brokommutationsventilgrupp (D1-D4, bildad av flera seriekopplade dioder), en enriktad avbrottsventilgrupp (Q2, bildad av flera seriekopplade IGBT:er) och en icke-linjär resistor (MOV1, överspanningsbeläggning).
• ​Kärnfördel: Brorektifieringsstrukturen åstadkommer smart strömkommutering, vilket möjliggör för den enriktade IGBT-avbrottsventilgruppen (Q2) att avbryta dubbelriktade DC-felströmmar. Jämfört med traditionella hybridgetopologier minskas antalet IGBT:er med ungefär hälften. Eftersom kommersiella press-pack IGBT:er kostar ungefär 10 gånger mer än dioder med samma rating, och minskningen av IGBT:er också minskar antalet drivrutiner, uppnår denna topologi betydande kostnadsminskning och ökad total tillförlitlighet.

​​(II) Effektiv avbrottsarbetsprincip​
Med strömflöde från Port 1 till Port 2 som exempel består avbrottprocessen av fyra faser:

1. ​Fas 1 (t0–t1, Fel inträffar)​: Ett kortslutningsfel uppstår i linjen, vilket leder till en skarp ökning av strömmen. Vid denna tidpunkt är S1 och Q1 igång, Q2 är av, och felet strömmer helt genom strömledande grenen.
2. ​Fas 2 (t1–t2, Strömovertagning)​: Kontrollsystemet ger ett öppningskommando, vicklar på Q2 och avvicklar Q1. Ledningen av Q2 genererar en kommuteringsvoltage på broarmen, tvingar strömmen att övergå från strömledande grenen till strömavbrottsgrenen (väg: D1 → Q2 → D4).
3. ​Fas 3 (t2–t3, Mekanisk switch avbrott)​: När strömmen i strömledande grenen fullständigt övergått, avbryter den höghastighetsmekaniska switchen S1 under nollström och nollspänning utan gnista, etablerar isoleringsstyrka.
4. ​Fas 4 (t3–t4, Felström avbrott)​: Efter fullständigt avbrott av S1, vicklas Q2 av. Avvicklingen av Q2 genererar en tillfällig övervoltage över brytaren, utlöser MOV1 att ledna och lednar felströmmen till MOV1 för dissipering tills energin är uttömd, strömmen sjunker till noll, och felisoleringen är slutförd.

Avbrottsprincipen för omvänd ström är densamma, guidad av diodbro (D2, D3) för att flöda genom Q2.

​​(III) Intelligenta kontrollstrategier​

1. ​Föravbrottskontrollstrategi:
• ​Ändamål: För att övervinna flaskhalsen med den höga andelen av höghastighetsmekaniska switchar öppningstid (ca 2 ms), förkorta den totala avbrotts-tiden och undertrycka toppfelströmmen.
• ​Logik: Genom realtidsövervakning av bussspänning, linjespänning och linjeströmm (totalt 6 kriterier, se Tabell 1), en gång något avvikande kriterium utlöses, initieras föravbrottsåtgärden i förväg (överför ström till strömavbrottsgrenen och öppna S1). Om ett formellt öppningskommando mottages efteråt, slutförs avbrottet; om det är en falsk alarm, överförs strömmen tillbaka till strömledande grenen för att återuppta normal drift.
• ​Effekt: Simulationer visar att denna strategi kan undertrycka felströmmen från 25 kA till 17 kA, med den totala avbrotts-tiden stabiliserad inom 3 ms.

​Tabell 1: Föravbrottsaktiveringskriterier​

1. ​Soft closing-kontrollstrategi:
• ​Ändamål: För att hantera potentiella överspänningar och systemsvängningar vid stängning, utan behov av ytterligare resistorer och switchar, vilket sparar kostnader och plats.
• ​Logik: Strömavbrottsgrenen behandlas som sammansatt av flera mediumspänningsenheter kopplade i serie. Vid stängning aktiveras dessa mediumspänningsenheter sekventiellt och kontrollerat för att gradvis etablera en väg. Efter varje steg utförs feldetektion. Om inget fel upptäcks fortsätter processen tills alla enheter är aktiverade. Slutligen stängs strömledande grenen, och strömavbrottsgrenen avvicklas. Om ett fel upptäcks under processen avbryts stängningen omedelbart.
• ​Användbarhet: Lämplig för normal stängning och automatisk återstängning efter felborttagning. Simulationer verifierar ingen överspänning eller svängning.

​III. Prototyputveckling och experimentell verifiering​

​​(I) Nyckelparametrar och struktur för prototypen​
En 500 kV DC-brytare ingenjörsprototyp utvecklades med följande nyckelparametrar:

• ​Strukturell design:
• ​Strömledande gren: Eftersom den bärs ström under lång tid, är Q1 utrustad med en vattenkylningssystem och placeras i botten av ventiltornet; S1 består av flera seriekopplade vakuumswitchar, drivna av en elektromagnetisk repulsionsmekanism, och placeras i toppen av ventiltornet.
• ​Strömavbrottsgren: Består av 10 seriekopplade 50 kV mediumspänningsenheter, installerade i 2 ventiltorn (5 lager var). Q2 använder en dubbelparallell IGBT-design för att möta avbrottskapaciteten. Denna gren bärs ingen ström under normal drift, så ingen kylning krävs, vilket resulterar i en mer strömlinjeformad design.

​​(II) Experimentella verifieringsresultat​
Prototypen genomgick rigorosa tester med en ekvivalent experimentell krets (LC-svängningskrets):

• ​Kommuteringstid: Tiden för strömovertagning från strömledande grenen till strömavbrottsgrenen var < 300 μs.
• ​Total avbrotts-tid: Från mottagning av öppningskommando till strömmen börjar sjunka tog det ca 2.9 ms, vilket uppfyller designmålet <3 ms.
• ​Tillfällig övervoltage: En momentan övervoltage på ca 800 kV genererades under avbrott, vilket är konsekvent med MOV-skyddsnivån, kontrollerad och säker.
• ​Slutsats: Experimenten bekräftade framgångsrikt den nya rektifieringsbaserade hybrid högspännings-DC-brytartopologins genomförbarhet, effektivitet och utmärkta prestanda.

​IV. Kärnslutsatser:

1. Den rektifieringsbaserade hybridtopologi som föreslås i denna lösning använder en innovativ design med en diodbro för att uppnå tvåriktad strömstyrning, vilket minskar IGBT-användningen med ca 50% jämfört med traditionella lösningar, vilket ger betydande fördelar i ekonomisk effektivitet och tillförlitlighet.
2. De intelligenta föravbrotts- och soft closing-kontrollstrategierna hanterar effektivt problemen med mekaniska switchar och stängningsslag, vilket förbättrar det totala dynamiska beteendet i systemet.
3. Den framgångsrika utvecklingen och testningen av 500 kV/25 kA ingenjörsprototypen visar fullt på den tekniska lösningens genomförbarhet och prestandakonformitet.