Mfano wa Suluhisho la Kivuli cha Hybrid High-Voltage DC Circuit Breaker

I. Usimamizi wa Mradi na Tahlil ya Matumizi​
Kwa kuvugana kwa maendeleo ya mabadiliko ya nishati, teknolojia ya kutuma DC wazi ambayo inatumia vinywaji wa chombo cha kiwango (VSC) imekuwa suluhisho muhimu kwa integreti ya nishati yenye upanuzi mkubwa na pamoja na kuongeza uwezo wa kutuma nishati kwa umbali mrefu, kutokana na faida zake kama kudhibiti nguvu za kutosha na sivyo kutosha kwa kutoa mzunguko wa harmonic chache. Ujenzi wa mitandao DC wazi ni msingi unaotarajiwa. Katika hii, vifungo vya circuit DC viwango vya juu, kama vyombo muhimu vya kupambana na matukio haraka na kupewa usalama na ustawi wa mtandao, ni muhimu sana. Bila vifungo vya circuit DC bora, urahisi wa kutumia na ulimwengu wa umma wa mitandao DC wazi ingeweza kupata malalamiko makubwa.

Teknolojia ya vifungo vya circuit DC viwango vya juu vilivyopo sasa ina hatari nyingi:

• ​Vifungo vya Circuit Mechanical: Ingawa yanaweza kupata hasara ndogo na kukabiliana na kiwango kikuu, muda wake wa kufunga unafanana na milisekundi kadhaa, hakikutana na talabani ngumu ya kufunga matukio kwa muda wa milisekundi katika mitandao DC wazi.
• ​Vifungo Vya Circuit Solid-State Yote: Kulingana na vifaa vya semiconductor, yanaweza kupata utokaji wa haraka sana lakini yana hasara la ukosefu wa umma, gharama za kutumia zinazozidi, na ubora wa kiuchumi chenye shida.
• ​Vifungo vya Hybrid Tradisional: Ingawa yanajumuisha hasara ndogo ya vifaa vya switch mechanical na utokaji wa haraka wa vifaa vya solid-state, topologi yake inahitaji IGBT zinazofungwa kwa seriya kwa mstari mbele na nyuma, ikitoa matumizi madogo ya kifaa, umuhimu wa mfumo na gharama zinazozidi.

Kutatua hatari hizo za teknolojia, inahitajika suluhisho jipya la vifungo vya circuit DC linalojumuisha uwezo wa kutoka haraka, hasara ndogo wa kutumia, ubora wa kiuchumi na ustawi wa juu.

​II. Suluhisho: Vifungo Vya Circuit DC Viwango Vya Juu Hybrid Rectifier-Type​
Suluhisho hili linapendekeza topologi jipya ya vifungo vya circuit DC viwango vya juu hybrid rectifier-type, kutatua hatari za teknolojia iliyopo.

​​(I) Teknolojia Msingi: Topologi ya Circuit Inayofanya Maendeleo​
Topologi ya vifungo vya circuit hivi inajumuisha mstari wa kutumia umma na mstari wa kutokana na umma unazofungwa kwa seriya.

1. ​Mstari wa Kutumia Umma:
• ​Jumla: Inajumuisha switch mechanical wa haraka (S1) na kituo cha kutumia umma (Q1) unazofungwa kwa seriya.
• ​Vigezo: S1 ana upinzani mdogo sana wa mwisho (tens of micro-ohms tu), na Q1 unajumuisha idadi ndogo ya IGBT na ongezeko la umma chenye shida. Waktunavyotumika sahihi, umma imeridhika hutoka kwa mstari huu, kuhakikisha hasara ndogo wa kutumia umma.
2. ​Mstari wa Kutokana na Umma:
• ​Jumla: Inatumia muktadha wa bridge rectifier, unajumuisha kituo cha commutation valve (D1-D4, lililojengwa na diodes zenye seriya), kituo cha kutokana na umma moja (Q2, lililojengwa na IGBT zenye seriya), na resistor asili (MOV1, arrester).
• ​Ufaida Msingi: Muktadha wa bridge rectifier huachia kwa utaratibu wa umma, kunawezesha kituo cha IGBT kutokana na umma moja (Q2) kutokana na umma DC mbili. Kulingana na topologi za hybrid tradisional, idadi ya IGBT imeorodheshwa kwa asili arobaini. Kwa sababu ya IGBT commercial press-pack zinazoghalia mara tisa kuliko diodes za kiwango tofauti, na orodha ya IGBT pia inatoa idadi ya driver boards zenye seriya, topologi hii inafanya kusikitisha gharama na kuboresha ustawi wa juu.

​​(II) Utaratibu wa Kutokana na Umma Ufano​
Kuingiza umma kutoka Port 1 hadi Port 2 kama mfano, mchakato wa kutokana na umma unajumuisha miaka minne:

1. ​Mchezo 1 (t0–t1, Ukweli wa Matukio)​: Matukio ya short-circuit yanatosha kwenye mstari, kuongeza umma kwa haraka. Waktu huo, S1 na Q1 wanaweza kutumia, Q2 amefungwa, na umma ya matukio hutoka kamili kwa mstari wa kutumia umma.
2. ​Mchezo 2 (t1–t2, Uhamiaji wa Umma)​: Mfumo wa kudhibiti unatoa amri ya kufungwa, kunyanya Q2 na kufunga Q1. Kutumia Q2 kunafanya umma ya commutation kwenye mstari wa bridge, kusimamia umma kutoka kwa mstari wa kutumia umma hadi mstari wa kutokana na umma (njia: D1 → Q2 → D4).
3. ​Mchezo 3 (t2–t3, Kutokana na Umma Switch Mechanical)​: Baada ya umma kwenye mstari wa kutumia umma kumpokea kwa kamilifu, switch mechanical wa haraka S1 hutokana na umma kwa undani wa umma na umma sifuri, bila kujitupa, kuanzisha nguvu ya usalama.
4. ​Mchezo 4 (t3–t4, Ukomesha Umma ya Matukio)​: Baada ya S1 kufungwa kwa kamilifu, Q2 anafungwa. Kufunga Q2 kunafanya overvoltage ya kwa wakati kwenye vifungo vya circuit, kusababisha MOV1 kutumia na kusimamia umma ya matukio kwenye MOV1 kwa kurejesha hadi umma ikauka, umma ikafika sifuri, na ukomesha wa matukio kufanyika.

Utaratibu wa kutokana na umma kwa umma rudi ni sawa, kunasimamiwa na diode bridge (D2, D3) kutoka kwa Q2.

​​(III) Mbinu ya Kudhibiti Ya Kiakili​

1. ​Mbinu ya Kudhibiti Pre-Interruption:
• ​Lengo: Kupunguza muda wa kufungwa wa switch mechanical wa haraka (katika asili sekunde ishirini), kupunguza muda wa kutokana na umma, na kupunguza mfululizo wa umma wa matukio.
• ​Mfano: Kwa kudhibiti bus voltage, line voltage, na line current (a total of 6 criteria, as shown in Table 1), mara moja criterion chochote kinachopata hatari, mbinu ya pre-interruption inaanza mapema (kutumia umma kwenye mstari wa kutokana na umma na kufunga S1). Ikiwa amri rasmi ya kufungwa itapata, kutokana na umma itafanyika; ikiwa ni alama ya kosa, umma itarejelea kwenye mstari wa kutumia umma ili kurejesha kutumia sahihi.
• ​Mfano: Mipangilio yanavyonyesha mbinu hii inaweza kupunguza umma ya matukio kutoka 25 kA hadi 17 kA, na muda wa kutokana na umma kunastahimili sekunde ishirini.

​Table 1: Pre-Interruption Activation Criteria​

1. ​Mbinu ya Kudhibiti Soft Closing:
• ​Lengo: Kupunguza hatari za overvoltage na osilasyoni ya mfumo wakati wa kufungwa, bila haja ya resistors na switches zingine, kusikitisha gharama na nafasi.
• ​Mfano: Mstari wa kutokana na umma unaweza kujumuisha viwango vya medium-voltage zenye seriya. Wakati wa kufungwa, viwango hivi vinaweza kutumika kwa krama na kudhibiti kwa kikomo. Baada ya kila hatua, kufungua matukio hufanyika. Ikiwa hakuna matukio yanavyopatikana, mchakato unafanya kwa kikomo hadi vitu vyote vinavyofungwa. Hatimaye, mstari wa kutumia umma unafungwa, na mstari wa kutokana na umma unafungwa. Ikiwa matukio yanavyopatikana wakati wa mchakato, kufungwa hufungwa mara moja.
• ​Ufanisi: Inaweza kutumika kwa kufungwa sahihi na kurejesha kwa kiotomatiki baada ya ukomesha wa matukio. Mipangilio yanavyonyesha hakuna overvoltage au osilasyoni.

​III. Unda wa Mtihani na Thibitisho la Mchakato​

​​(I) Viwango Vidogo na Muundo wa Unda​
Unda wa engineering wa vifungo vya circuit DC 500 kV iliyoundwa na viwango vidogo ifuatavyo:

• ​Muundo wa Unda:
• ​Mstari wa Kutumia Umma: Kwa sababu ya kutumia umma kwa muda mrefu, Q1 unaweza kutumia mfumo wa maji na kuweka chini ya tower ya valve; S1 unajumuisha vacuum switches zenye seriya, kudhibitiwa na electromagnetic repulsion mechanism, na kuweka juu ya tower ya valve.
• ​Mstari wa Kutokana na Umma: Unajumuisha 10 viwango vya medium-voltage vya 50 kV zenye seriya, vimeundwa katika 2 tower za valve (na viwango vya 5 kila moja). Q2 unatumia mzuri wa dual-parallel IGBT kufanya interruption capacity. Mstari huu hakutumia umma wakati wa kutumia sahihi, basi hakuna haja ya cooling, kutoa muundo wa kikosi.

​​(II) Matokeo ya Thibitisho la Mchakato​
Unda iliyoundwa imethibitishwa kwa ujanja kwa kutumia mchakato wa thibitisho (LC oscillating circuit):

• ​Muda wa Commutation: Muda wa kutumia umma kutoka kwa mstari wa kutumia umma hadi mstari wa kutokana na umma kunastahimili mikrosekunde mia tatu.
• ​Muda wa Kutokana na Umma: Kutoka kwa kupata amri ya kufungwa hadi umma hukuja kushuka, ilikuwa sekunde ishirini na tisa, kufanana na lengo la sekunde ishirini.
• ​Overvoltage ya Kwa Wakati: Overvoltage ya kwa wakati ya kihamsini kV ilikuwa inapatikana wakati wa kutokana na umma, kufanana na kiwango cha MOV, kudhibitiwa na salama.
• ​Mwisho: Mipangilio yanavyonyesha thibitisho la mchakato limefanikiwa kutathmini ubora, ufanisi, na ufano mzuri wa topologi ya vifungo vya circuit DC viwango vya juu hybrid rectifier-type.

​IV. Matala Muhimu:

1. Topologi ya hybrid rectifier-type iliyopendekezwa katika suluhisho hili inatumia muktadha jipya wa diode bridge kufanya kudhibiti umma mbili, kupunguza matumizi ya IGBT kwa asili arobaini kulingana na suluhisho za zamani, kunatoa faida nyingi za kiuchumi na ustawi.
2. Mbinu za kudhibiti ya pre-interruption na soft closing za kiakili zinaweza kupunguza matukio ya action delay ya switch mechanical na kutokana na umma, kuboresha ufanisi wa kikosi wa mfumo.
3. Unda la 500 kV/25 kA linaloundwa na lutumika kwa kutosha limetathmini uwezo wa engineering na ustawi wa suluhisho hili.