Solusyon ng Rectifier-Type Hybrid High-Voltage DC Circuit Breaker

I. Pahayag ng Proyekto at Analisis ng Pangangailangan​
Sa paglalakas ng pagbabago ng enerhiya, ang teknolohiya ng mapayapang DC transmission batay sa voltage source converter (VSC) ay naging isang pangunahing solusyon para sa malawakang integrasyon ng renewable energy at pagpapataas ng kakayahan ng matagal na layong paghahatid ng kuryente, dahil sa mga abilidad nito tulad ng independiyenteng kontrol ng aktibong at reaktibong lakas at mababang harmonic content. Ang pagtatayo ng mapayapang DC grid ay isang hindi maiiwasang trend. Sa kontekstong ito, ang high-voltage DC circuit breakers, bilang core protection device para sa mabilis na paghihiwalay ng kasalanan at pagtitiyak ng seguridad at estabilidad ng grid, ay napaka-kritikal. Walang high-performance DC circuit breakers, ang operasyonal na flexibility at reliabilidad ng supply ng kuryente ng mapayapang DC grids ay seryosong mapipigilan.

Ang kasalukuyang mainstream na teknolohiya ng high-voltage DC circuit breaker ay may mahalagang limitasyon:

• ​Mekanikal na Circuit Breakers: Bagama't nagbibigay sila ng mababang on-state losses at mataas na withstand voltage, ang kanilang interruption time ay tens of milliseconds, hindi nakakatugon sa mahigpit na pangangailangan ng millisecond-level rapid fault isolation sa mapayapang DC grids.
• ​All-Solid-State Circuit Breakers: Batay sa semiconductor devices, nagbibigay sila ng labis na mabilis na interruption ngunit mayroon silang excessive on-state losses, mataas na operating costs, at mahina ang economic efficiency.
• ​Traditional Hybrid Circuit Breakers: Habang pinagsasama ang mababang losses ng mekanikal na switches at mabilis na interruption ng solid-state switches, ang kanilang topology nangangailangan ng series-connected IGBTs sa parehong forward at reverse directions, nagreresulta sa mababang device utilization, system complexity, at mataas na costs.

Upang tugunan ang mga teknikal na botelya, mayroong urgenteng pangangailangan para sa isang bagong DC circuit breaker solution na may kombinasyon ng mabilis na interruption capability, mababang operating losses, mataas na economic efficiency, at mataas na reliability.

​II. Solusyon: Rectifier-Type Hybrid High-Voltage DC Circuit Breaker​
Ang solusyon na ito ay nagpopropona ng isang inobatibong rectifier-type hybrid high-voltage DC circuit breaker topology, na fundamental na nag-aaddress ng mga limitasyon ng umiiral na teknolohiya.

​​(I) Core Technology: Innovative Circuit Topology​
Ang topology ng circuit breaker na ito ay binubuo ng isang current-carrying branch at isang current-breaking branch na konektado sa parallel.

1. ​Current-Carrying Branch:
• ​Composition: Binubuo ng isang high-speed mechanical switch (S1) at isang current-carrying valve group (Q1) na konektado sa series.
• ​Features: Ang S1 ay may napakababang contact resistance (lamang tens of micro-ohms), at ang Q1 ay binubuo ng kaunti lamang na IGBTs na may mababang conduction voltage drop. Sa normal na operasyon, ang rated current ay dumadaan sa branch na ito, nagpapataas ng napakababang on-state losses.
2. ​Current-Breaking Branch:
• ​Composition: Gumagamit ng bridge rectifier structure, binubuo ng isang bridge commutation valve group (D1-D4, binubuo ng maraming series-connected diodes), isang unidirectional interruption valve group (Q2, binubuo ng maraming series-connected IGBTs), at isang nonlinear resistor (MOV1, arrester).
• ​Core Advantage: Ang bridge rectifier structure ay mainggit na nagpapahiwatig ng current commutation, nagbibigay-daan para sa unidirectional IGBT interruption valve group (Q2) na makapag-interrupt ng bidirectional DC fault currents. Kumpara sa traditional hybrid topologies, ang bilang ng IGBTs ay nabawasan ng humigit-kumulang na kalahati. Dahil ang commercial press-pack IGBTs ay may halaga na humigit-kumulang na sampung beses mas mababa kaysa sa diodes ng parehong rating, at ang pagbawas ng IGBTs ay nagpapabawas din ng bilang ng kasamang driver boards, ang topology na ito ay nagpapataas ng significant cost reduction at overall reliability improvement.

​​(II) Efficient Interruption Working Principle​
Isinasagawa ang proseso ng interruption gamit ang current na dumadaan mula Port 1 hanggang Port 2, na binubuo ng apat na yugto:

1. ​Stage 1 (t0–t1, Fault Occurrence)​: Nagaganap ang short-circuit fault sa linya, nagdudulot ng mabilis na pagtaas ng current. Sa oras na ito, ang S1 at Q1 ay conducting, ang Q2 ay off, at ang fault current ay gumagala buo sa current-carrying branch.
2. ​Stage 2 (t1–t2, Current Transfer)​: Inilalabas ng control system ang opening command, turning on ang Q2 at turning off ang Q1. Ang conduction ng Q2 ay nagpapagawa ng commutation voltage sa bridge arm, pilit na nagpapalipat ng current mula sa current-carrying branch patungo sa current-breaking branch (path: D1 → Q2 → D4).
3. ​Stage 3 (t2–t3, Mechanical Switch Interruption)​: Matapos ang current sa current-carrying branch ay buo na ilipat, ang high-speed mechanical switch S1 ay nag-iinterrupt sa zero-current at zero-voltage conditions nang walang arcing, nagpapatatag ng insulation strength.
4. ​Stage 4 (t3–t4, Fault Current Clearance)​: Matapos ang S1 ay buo na i-interrupt, ang Q2 ay inii-off. Ang pag-off ng Q2 ay nagpapagawa ng transient overvoltage sa ibabaw ng circuit breaker, nagpapagtatrabaho ng MOV1 at nagpapalipat ng fault current sa MOV1 para sa dissipation hanggang sa ang energy ay nawalan, ang current ay bumaba sa zero, at natapos ang fault isolation.

Ang prinsipyong interruption para sa reverse current ay pareho, na ginabay ng diode bridge (D2, D3) upang gumala sa pamamagitan ng Q2.

​​(III) Intelligent Control Strategy​

1. ​Pre-Interruption Control Strategy:
• ​Purpose: Upang mapagtanto ang bottleneck ng mataas na proporsyon ng high-speed mechanical switch opening time (humigit-kumulang 2 ms), maikli ang total interruption time, at suppresin ang peak fault current.
• ​Logic: Sa pamamagitan ng real-time monitoring ng bus voltage, line voltage, at line current (total na 6 criteria, tulad ng ipinapakita sa Table 1), kapag anumang abnormal criterion ay na-trigger, ang pre-interruption operation ay sinisimulan sa agahan (nagpapalipat ng current sa current-breaking branch at opening ng S1). Kung natanggap ang formal na opening command, natutapos ang interruption; kung ito ay false alarm, ang current ay inililipat pabalik sa current-carrying branch upang magpatuloy ang normal na operasyon.
• ​Effect: Ipinalalabas ng mga simulasyon na ang strategy na ito ay maaaring supresin ang fault current mula 25 kA hanggang 17 kA, at ang total interruption time ay nai-stabilize sa loob ng 3 ms.

​Table 1: Pre-Interruption Activation Criteria​

1. ​Soft Closing Control Strategy:
• ​Purpose: Upang tugunan ang potensyal na overvoltage at system oscillation issues sa sandaling closing, nang hindi kinakailangan ng karagdagang resistors at switches, nagpapataas ng cost savings at space.
• ​Logic: Ang current-breaking branch ay itinreat bilang binubuo ng maraming medium-voltage units na konektado sa series. Sa panahon ng closing, ang mga medium-voltage units na ito ay sequential at controllably turned on upang gradual na itatag ang path. Matapos bawat hakbang, ginagawa ang fault detection. Kung walang fault ang nadetect, ang proseso ay patuloy hanggang sa lahat ng units ay turned on. Sa huli, ang current-carrying branch ay closed, at ang current-breaking branch ay turned off. Kung may fault ang nadetect sa proseso, ang closing ay agad na inii-cancel.
• ​Applicability: Angkop para sa normal na closing at automatic reclosing pagkatapos ng fault clearance. Pinapatunayan ng mga simulasyon na walang overvoltage o oscillation.

​III. Prototype Development and Experimental Verification​

​​(I) Key Parameters and Structure of the Prototype​
Nagawa ang 500 kV DC circuit breaker engineering prototype na may sumusunod na key parameters:

• ​Structural Design:
• ​Current-Carrying Branch: Dahil ito ang nagdadala ng current sa mahabang panahon, ang Q1 ay equipped ng water-cooling system at inilalagay sa ilalim ng valve tower; ang S1 ay binubuo ng maraming vacuum switches sa series, driven ng electromagnetic repulsion mechanism, at inilalagay sa tuktok ng valve tower.
• ​Current-Breaking Branch: Binubuo ng 10 series-connected 50 kV medium-voltage units, na inilalagay sa 2 valve towers (5 layers each). Ang Q2 ay gumagamit ng dual-parallel IGBT design upang tugunan ang interruption capacity. Ang branch na ito ay hindi nagdadala ng current sa normal na operasyon, kaya walang cooling ang kailangan, nagresulta sa mas simple na disenyo.

​​(II) Experimental Verification Results​
Ang prototype ay dumaan sa rigorous na testing gamit ang equivalent experimental circuit (LC oscillating circuit):

• ​Commutation Time: Ang oras para sa paglipat ng current mula sa current-carrying branch patungo sa current-breaking branch ay < 300 μs.
• ​Total Interruption Time: Mula sa pagtanggap ng opening command hanggang sa current ay simula na bumaba, ito ay nangyari sa humigit-kumulang 2.9 ms, nagsasagawa ng design target na <3 ms.
• ​Transient Overvoltage: Nangyari ang instantaneous overvoltage na humigit-kumulang 800 kV sa panahon ng interruption, consistent sa MOV protection level, controlled at safe.
• ​Conclusion: Ang mga eksperimento ay matagumpay na pinatunayan ang feasibility, effectiveness, at excellent performance ng rectifier-type hybrid high-voltage DC circuit breaker topology.

​IV. Core Conclusions:

1. Ang rectifier-type hybrid topology na inihanda sa solusyon na ito ay gumagamit ng inobatibong disenyo na may diode bridge upang makamit ang bidirectional current control, nagpapabawas ng IGBT usage humigit-kumulang 50% kumpara sa traditional solutions, nagbibigay ng significant advantages sa economic efficiency at reliability.
2. Ang intelligent pre-interruption at soft closing control strategies ay epektibong nag-aaddress ng mga isyu ng delay ng aksyon ng mekanikal na switch at closing impact, nagpapataas ng overall dynamic performance ng sistema.
3. Ang matagumpay na pagbuo at testing ng 500 kV/25 kA engineering prototype ay ganap na nagpapakita ng engineering feasibility at performance compliance ng technical approach na ito.