ตัวแปลงสัญญาณไฮบริดวงจรป้องกันกระแสไฟฟ้าแรงดันสูงแบบไฮบริด

I. ข้อมูลพื้นฐานของโครงการและการวิเคราะห์ความต้องการ​
ด้วยการลึกซึ้งของการเปลี่ยนแปลงพลังงาน การส่งผ่านไฟฟ้ากระแสตรงที่ยืดหยุ่นโดยใช้คอนเวอร์เตอร์แรงดัน (VSC) ได้กลายเป็นทางออกสำคัญสำหรับการรวมพลังงานทดแทนในขนาดใหญ่และเพิ่มความสามารถในการส่งผ่านไฟฟ้าระยะไกล เนื่องจากข้อดีเช่น การควบคุมพลังงานจริงและปฏิกิริยาอย่างอิสระและมีฮาร์โมนิกต่ำ การสร้างโครงข่ายไฟฟ้ากระแสตรงที่ยืดหยุ่นเป็นแนวโน้มที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้ ในบริบทนี้ วงจรป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่สูง เป็นอุปกรณ์หลักในการแยกความผิดพลาดอย่างรวดเร็วและรักษาความปลอดภัยและความเสถียรของระบบไฟฟ้า มีความสำคัญมาก หากไม่มีวงจรป้องกันกระแสตรงที่มีประสิทธิภาพสูง ความยืดหยุ่นในการทำงานและความน่าเชื่อถือในการจ่ายไฟฟ้าของโครงข่ายไฟฟ้ากระแสตรงที่ยืดหยุ่นจะถูกจำกัดอย่างรุนแรง

เทคโนโลยีวงจรป้องกันแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่สูงในปัจจุบันมีข้อจำกัดสำคัญ:

• ​วงจรป้องกันแบบกลไก: แม้ว่าจะมีการสูญเสียเมื่ออยู่ในสถานะเปิดต่ำและทนทานต่อแรงดันสูง แต่เวลาในการตัดวงจรเป็นหลายสิบมิลลิวินาที ไม่สามารถตอบสนองต่อความต้องการของการแยกความผิดพลาดภายในระดับมิลลิวินาทีในโครงข่ายไฟฟ้ากระแสตรงที่ยืดหยุ่น
• ​วงจรป้องกันแบบโซลิดสเตตทั้งหมด: บนพื้นฐานของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ให้การตัดวงจรอย่างรวดเร็ว แต่มีการสูญเสียเมื่ออยู่ในสถานะเปิดสูง ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานสูง และไม่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ
• ​วงจรป้องกันแบบผสมแบบดั้งเดิม: แม้ว่าจะรวมการสูญเสียเมื่ออยู่ในสถานะเปิดต่ำของสวิตช์กลไกและเวลาในการตัดวงจรที่รวดเร็วของสวิตช์โซลิดสเตต แต่ท็อปโอลอจีต้องการ IGBT ที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมทั้งในทิศทางไปและกลับ ทำให้การใช้งานอุปกรณ์ต่ำ ความซับซ้อนของระบบสูง และค่าใช้จ่ายสูง

เพื่อแก้ไขข้อจำกัดทางเทคนิคนี้ มีความจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับโซลูชันวงจรป้องกันกระแสตรงใหม่ที่รวมความสามารถในการตัดวงจรอย่างรวดเร็ว การสูญเสียในการดำเนินงานต่ำ ความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจสูง และความน่าเชื่อถือสูง

​II. โซลูชัน: วงจรป้องกันกระแสตรงไฮบริดแบบเรคทิฟายเออร์​
โซลูชันนี้เสนอท็อปโอลอจีวงจรป้องกันกระแสตรงไฮบริดแบบเรคทิฟายเออร์ที่มีนวัตกรรม แก้ไขข้อจำกัดของเทคโนโลยีที่มีอยู่

​​(I) เทคโนโลยีหลัก: ท็อปโอลอจีวงจรที่มีนวัตกรรม​
ท็อปโอลอจีของวงจรป้องกันนี้ประกอบด้วยแขนนำกระแสและแขนตัดกระแสที่เชื่อมต่อกันแบบขนาน

1. ​แขนนำกระแส:
• ​องค์ประกอบ: ประกอบด้วยสวิตช์กลไกความเร็วสูง (S1) และกลุ่มวาล์วนำกระแส (Q1) ที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม
• ​คุณสมบัติ: S1 มีความต้านทานต่อการติดต่อต่ำมาก (เพียงไมโครโอห์มเท่านั้น) และ Q1 ประกอบด้วย IGBT จำนวนน้อยที่มีแรงดันตกต่ำในการนำกระแส ในระหว่างการทำงานปกติ กระแสเรตติ้งไหลผ่านแขนนี้ ทำให้มีการสูญเสียเมื่ออยู่ในสถานะเปิดต่ำมาก
2. ​แขนตัดกระแส:
• ​องค์ประกอบ: ใช้โครงสร้างเรคทิฟายเออร์สะพาน ประกอบด้วยกลุ่มวาล์วสลับ (D1-D4 ที่ประกอบด้วยไดโอดที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม) กลุ่มวาล์วตัดกระแสทางเดียว (Q2 ที่ประกอบด้วย IGBT ที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม) และตัวต้านทานไม่เชิงเส้น (MOV1 ลูกฟ้า)
• ​ข้อดีหลัก: โครงสร้างเรคทิฟายเออร์สะพานบรรลุการสลับกระแสอย่างฉลาด ทำให้กลุ่มวาล์วตัดกระแส IGBT ทางเดียว (Q2) สามารถตัดกระแสความผิดพลาด DC ทั้งสองทางได้ เมื่อเทียบกับท็อปโอลอจีไฮบริดแบบดั้งเดิม จำนวน IGBT ลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง เนื่องจาก IGBT แบบคอมแพ็กต์พาคที่ใช้ในเชิงพาณิชย์มีราคาประมาณ 10 เท่าของไดโอดที่มีคะแนนเท่ากัน และการลดลงของ IGBT ยังลดจำนวนบอร์ดไดรเวอร์ที่ต้องใช้ ท็อปโอลอจีนี้บรรลุการลดค่าใช้จ่ายอย่างมากและปรับปรุงความน่าเชื่อถือโดยรวม

​​(II) หลักการทำงานในการตัดกระแสอย่างมีประสิทธิภาพ​
โดยใช้ตัวอย่างกระแสที่ไหลจากพอร์ต 1 ไปยังพอร์ต 2 กระบวนการตัดกระแสประกอบด้วยสี่ขั้นตอน:

1. ​ขั้นตอนที่ 1 (t0–t1, ความผิดพลาดเกิดขึ้น)​: ความผิดพลาดทางสั้นเกิดขึ้นบนสาย ส่งผลให้กระแสเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในขณะนี้ S1 และ Q1 กำลังนำกระแส Q2 อยู่ในสถานะปิด และกระแสความผิดพลาดไหลผ่านแขนนำกระแสทั้งหมด
2. ​ขั้นตอนที่ 2 (t1–t2, การโอนกระแส)​: ระบบควบคุมส่งคำสั่งเปิด Q2 และปิด Q1 การนำกระแสของ Q2 สร้างแรงดันสลับบนแขนสะพาน บังคับให้กระแสโอนจากแขนนำกระแสไปยังแขนตัดกระแส (เส้นทาง: D1 → Q2 → D4)
3. ​ขั้นตอนที่ 3 (t2–t3, การตัดวงจรสวิตช์กลไก)​: หลังจากกระแสในแขนนำกระแสถูกโอนอย่างสมบูรณ์ สวิตช์กลไกความเร็วสูง S1 ตัดวงจรภายใต้สภาพกระแสและแรงดันเป็นศูนย์ โดยไม่มีอาร์กไฟฟ้า สร้างความแข็งแกร่งในการฉนวน
4. ​ขั้นตอนที่ 4 (t3–t4, การกำจัดกระแสความผิดพลาด)​: หลังจาก S1 ถูกตัดวงจรอย่างสมบูรณ์ Q2 ถูกปิด การปิด Q2 สร้างแรงดันเกินชั่วขณะที่วงจรป้องกัน กระตุ้น MOV1 ให้นำกระแสและทำลายกระแสความผิดพลาดจนกว่าพลังงานจะหมด กระแสลดลงเป็นศูนย์ และการแยกความผิดพลาดเสร็จสมบูรณ์

หลักการทำงานในการตัดกระแสสำหรับกระแสย้อนทางเหมือนกัน โดยใช้สะพานไดโอด (D2, D3) เพื่อให้กระแสไหลผ่าน Q2

​​(III) กลยุทธ์การควบคุมอัจฉริยะ​

1. ​กลยุทธ์การควบคุมก่อนตัดวงจร:
• ​วัตถุประสงค์: เพื่อแก้ไขข้อจำกัดของเวลาในการเปิดสวิตช์กลไกความเร็วสูงที่สูง (ประมาณ 2 มิลลิวินาที) ลดเวลาในการตัดวงจรทั้งหมด และปราบปรามกระแสความผิดพลาดสูงสุด
• ​ตรรกะ: โดยการตรวจสอบแรงดันบัส แรงดันสาย และกระแสสาย (ทั้งหมด 6 มาตรฐาน ดังแสดงในตาราง 1) เมื่อมีมาตรฐานใด ๆ ที่ผิดปกติถูกกระตุ้น การดำเนินการก่อนตัดวงจรจะเริ่มขึ้นล่วงหน้า (โอนกระแสไปยังแขนตัดกระแสและเปิด S1) หากคำสั่งเปิดอย่างเป็นทางการถูกรับต่อมา การตัดวงจรจะเสร็จสมบูรณ์ แต่หากเป็นการแจ้งเตือนผิดพลาด กระแสจะถูกโอนกลับไปยังแขนนำกระแสเพื่อกลับสู่การทำงานปกติ
• ​ผลลัพธ์: การจำลองแสดงให้เห็นว่ากลยุทธ์นี้สามารถปราบปรามกระแสความผิดพลาดจาก 25 kA ลงเหลือ 17 kA ด้วยเวลาในการตัดวงจรทั้งหมดคงที่ภายใน 3 มิลลิวินาที

​ตาราง 1: มาตรฐานการกระตุ้นก่อนตัดวงจร​

1. ​กลยุทธ์การควบคุมการปิดอ่อนโยน:
• ​วัตถุประสงค์: เพื่อแก้ไขปัญหาแรงดันเกินและสภาวะการสั่นของระบบในขณะปิด ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานและสวิตช์เพิ่มเติม ประหยัดค่าใช้จ่ายและพื้นที่
• ​ตรรกะ: แขนตัดกระแสถูกมองว่าประกอบด้วยยูนิตแรงดันกลางหลายตัวที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม ในระหว่างการปิด ยูนิตแรงดันกลางเหล่านี้จะถูกเปิดตามลำดับและควบคุมได้ หลังจากแต่ละขั้นตอน จะทำการตรวจจับความผิดพลาด หากไม่พบความผิดพลาด กระบวนการจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งยูนิตทั้งหมดถูกเปิด ท้ายที่สุดแขนนำกระแสถูกปิด และแขนตัดกระแสถูกปิด หากพบความผิดพลาดในระหว่างกระบวนการ การปิดจะถูกยกเลิกทันที
• ​ความเหมาะสม: เหมาะสำหรับการปิดปกติและการปิดอัตโนมัติหลังจากความผิดพลาดถูกกำจัด การจำลองยืนยันว่าไม่มีแรงดันเกินหรือการสั่น

​III. การพัฒนาต้นแบบและการตรวจสอบทดลอง​

​​(I) พารามิเตอร์และโครงสร้างสำคัญของต้นแบบ​
ได้พัฒนาต้นแบบวงจรป้องกันกระแสตรง 500 kV พร้อมพารามิเตอร์สำคัญดังนี้:

• ​การออกแบบโครงสร้าง:
• ​แขนนำกระแส: เนื่องจากนำกระแสอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน Q1 ติดตั้งระบบทำความเย็นด้วยน้ำและวางไว้ที่ด้านล่างของหอวาล์ว; S1 ประกอบด้วยสวิตช์สุญญากาศหลายตัวที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม ขับเคลื่อนโดยกลไกการผลักดันแม่เหล็กไฟฟ้า และวางไว้ที่ด้านบนของหอวาล์ว
• ​แขนตัดกระแส: ประกอบด้วยยูนิตแรงดันกลาง 50 kV ที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม 10 ตัว ติดตั้งในหอวาล์ว 2 แห่ง (5 ชั้นต่อหอวาล์ว) Q2 ใช้การออกแบบ IGBT แบบคู่ขนานเพื่อตอบสนองความต้องการในการตัดวงจร แขนนี้ไม่นำกระแสในระหว่างการทำงานปกติ ดังนั้นไม่จำเป็นต้องทำความเย็น ทำให้มีการออกแบบที่เรียบง่ายมากขึ้น

​​(II) ผลการตรวจสอบทดลอง​
ต้นแบบได้ผ่านการทดสอบอย่างเข้มงวดโดยใช้วงจรทดลองที่เทียบเท่า (วงจร LC แบบสั่น):

• ​เวลาในการสลับกระแส: เวลาระหว่างการโอนกระแสจากแขนนำกระแสไปยังแขนตัดกระแส < 300 μs
• ​เวลาในการตัดวงจรทั้งหมด: จากการรับคำสั่งเปิดจนถึงกระแสเริ่มลดลง ใช้เวลาประมาณ 2.9 มิลลิวินาที ตรงตามเป้าหมายการออกแบบ <3 มิลลิวินาที
• ​แรงดันเกินชั่วขณะ: แรงดันเกินชั่วขณะประมาณ 800 kV ถูกสร้างขึ้นระหว่างการตัดวงจร ตรงกับระดับการป้องกันของ MOV ควบคุมและปลอดภัย
• ​สรุป: การทดลองประสบความสำเร็จในการยืนยันความเป็นไปได้ ประสิทธิภาพ และประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของท็อปโอลอจีวงจรป้องกันกระแสตรงไฮบริดแบบเรคทิฟายเออร์

​IV. สรุปหลัก:

1. ท็อปโอลอจีไฮบริดแบบเรคทิฟายเออร์ที่นำเสนอในโซลูชันนี้ใช้การออกแบบที่มีนวัตกรรมด้วยสะพานไดโอดเพื่อบรรลุการควบคุมกระแสทั้งสองทาง ลดการใช้ IGBT ลงประมาณ 50% เมื่อเทียบกับโซลูชันแบบดั้งเดิม นำเสนอข้อดีอย่างมากในด้านความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจและความน่าเชื่อถือ
2. กลยุทธ์การควบคุมอัจฉริยะก่อนตัดวงจรและการปิดอ่อนโยนแก้ไขปัญหาการล่าช้าในการทำงานของสวิตช์กลไกและผลกระทบจากการปิด เพิ่มประสิทธิภาพการทำงานแบบไดนามิกของระบบโดยรวม
3. การพัฒนาและทดสอบต้นแบบ 500 kV/25 kA ที่ประสบความสำเร็จยืนยันความเป็นไปได้ทางวิศวกรรมและประสิทธิภาพที่สอดคล้องกับแนวทางเทคนิคนี้อย่างเต็มที่