Dözdüzenleyici Tipi Hibritleşmiş Yüksek Gerilimli DC Devre Kesici Çözümü

I. Proje Arka Planı ve İhtiyaç Analizi​
Enerji dönüşümünün derinleşen ilerlemesiyle, voltaj kaynağı dönüştürücüsü (VSC) tabanlı esnek DC iletim teknolojisi, aktif ve reaktif güç üzerinde bağımsız kontrol sağlama ve düşük harmonik içeriği gibi avantajlarından dolayı, büyük ölçekli yenilenebilir enerji entegrasyonu ve uzun mesafe güç iletim yeteneklerini artırmada kilit bir çözüm haline gelmiştir. Esnek DC ağlarının inşası kaçınılmaz bir trenddir. Bu bağlamda, hızlı arızayı izole etme ve ağ güvenliği ve istikrarını sağlamak için kritik öneme sahip olan yüksek gerilimli DC devre kesicileri çok önemlidir. Yüksek performanslı DC devre kesiciler olmadan, esnek DC ağlarının operasyonel esnekliği ve güç sağlamlığı ciddi şekilde kısıtlanır.

Şu anki ana akım yüksek gerilimli DC devre kesici teknolojileri önemli sınırlamalar göstermektedir:

• ​Mekanik Devre Kesiciler: Düşük iletken durum kaybıyla ve yüksek dayanıklılığa rağmen, kesme süresi onlarca milisaniye olup, esnek DC ağlarında sert gereksinim olan milisaniye düzeyinde hızlı arızayı izole etme konusunda yetersiz kalır.
• ​Tamamen Katı Hal Devre Kesiciler: Yarı iletken cihazlar üzerine dayanarak, son derece hızlı kesme sağlar ancak aşırı iletken durum kaybı, yüksek işletme maliyetleri ve zayıf ekonomik verimlilikle karşı karşıyadır.
• ​Geleneksel Hibrit Devre Kesiciler: Mekanik anahtarlardaki düşük kayıpların ve katı hal anahtarlardaki hızlı kesmenin avantajlarını birleştirir, ancak topolojisi her iki yönde de seri bağlı IGBT'ler gerektirerek, cihaz kullanımının düşük olmasını, sistem karmaşıklığını ve yüksek maliyetleri getirir.

Bu teknik engelleri çözmek için, hızlı kesme yeteneği, düşük işletme kaybı, yüksek ekonomik verimlilik ve yüksek güvenilirlik sağlayan yeni bir DC devre kesici çözümü acil bir ihtiyaçtır.

​II. Çözüm: Düzeltici Tip Hibrit Yüksek Gerilimli DC Devre Kesici​
Bu çözüm, mevcut teknolojilerin sınırlamalarını temelden ele alacak şekilde yenilikçi bir düzeltici tip hibrit yüksek gerilimli DC devre kesici topolojisini önermektedir.

​​(I) Temel Teknoloji: Yenilikçi Devre Topolojisi​
Bu devre kesicinin topolojisi, paralel olarak bağlantılı bir akım taşıma şubesi ve bir akım kesme şubesinden oluşur.

1. ​Akım Taşıma Şubesı:
• ​Bileşenler: Seri bağlantılı yüksek hızlı mekanik anahtar (S1) ve akım taşıma valf grubu (Q1) içerir.
• ​Özellikler: S1'in temas direnci son derece düşüktür (sadece onlarca mikro-ohm), Q1 ise düşük iletken voltaj düşümü olan az sayıda IGBT'den oluşur. Normal işletim sırasında, belirlenmiş akım bu şubede akar, bu da son derece düşük iletken durum kaybını sağlar.
2. ​Akım Kesme Şubesı:
• ​Bileşenler: Köprü düzeltme yapısını kullanır, birden fazla seri bağlantılı diyodlardan oluşan köprü düzeltme valf grubu (D1-D4), birden fazla seri bağlantılı IGBT'den oluşan tek yönlü kesme valf grubu (Q2) ve doğrusal olmayan direnç (MOV1, absorber) içerir.
• ​Temel Avantaj: Köprü düzeltme yapısı, akım komütasyonunu zekice gerçekleştirerek, tek yönlü IGBT kesme valf grubu (Q2)'ya çift yönlü DC arıza akımlarını kesme yeteneği kazandırır. Geleneksel hibrit topolojilere kıyasla, IGBT sayısı yaklaşık yarıya indirilir. Ticari pres-pack IGBT'lerin aynı dereceli diyodlardan yaklaşık 10 kat daha pahalı olması ve IGBT sayısındaki azalmanın eşlik eden sürücü kart sayısını da azaltması nedeniyle, bu topoloji önemli maliyet tasarrufu ve genel güvenilirlik iyileştirmesini sağlar.

​​(II) Etkili Kesme Çalışma Prensibi​
Port 1'den Port 2'ye akan akımı örnek olarak alarak, kesme süreci dört aşamadan oluşur:

1. ​Aşama 1 (t0–t1, Arıza Oluşumu)​: Hat üzerinde kısa devre arızası gerçekleşir, bu da akımın keskin bir şekilde yükselmeye neden olur. Bu sırada, S1 ve Q1 iletken, Q2 kapalıdır ve arıza akımı tamamen akım taşıma şubesinden akar.
2. ​Aşama 2 (t1–t2, Akım Aktarımı)​: Kontrol sistemi açma emri verir, Q2'yi açar ve Q1'yi kapatır. Q2'nin iletken olması, köprü kolunda bir komütasyon voltajı oluşturur, bu da akımın akım taşıma şubesinden akım kesme şubesine (yol: D1 → Q2 → D4) geçmesini zorlar.
3. ​Aşama 3 (t2–t3, Mekanik Anahtar Kesimi)​: Akım taşıma şubesindeki akım tamamen aktarıldıktan sonra, yüksek hızlı mekanik anahtar S1 sıfır akım ve sıfır voltaj koşullarında ark oluşturmadan kesilir ve yalıtım gücünü sağlar.
4. ​Aşama 4 (t3–t4, Arıza Akımı Temizleme)​: S1 tamamen kesildikten sonra, Q2 kapatılır. Q2'nin kapanması, devre kesicinin her iki ucunda geçici aşırı gerilim oluşturur, MOV1'in iletken olmasını tetikleyerek arıza akımını MOV1'e yönlendirir ve bu enerji tükenene kadar akım sıfıra düşer ve arıza izole edilir.

Ters akım için kesme prensibi aynıdır, diode köprüsü (D2, D3) tarafından Q2 üzerinden yönlendirilir.

​​(III) Akıllı Kontrol Stratejisi​

1. ​Kesme Öncesi Kontrol Stratejisi:
• ​Amaç: Yüksek hızlı mekanik anahtarın açılma süresinin (%2 ms) yüksek oranda olduğu engeli aşmak, toplam kesme süresini kısaltmak ve zirve arıza akımını baskılamak.
• ​Mantık: Ana hat gerilimi, hat gerilimi ve hat akımının (toplam 6 kriter, Tablo 1'de gösterildiği gibi) gerçek zamanlı izlenmesiyle, herhangi bir anormal kriter tetiklendiğinde, kesme öncesi işlem önceden başlatılır (akımın akım kesme şubesine aktarılması ve S1'in açılması). Daha sonra resmi bir açma emri alındığında, kesme tamamlanır; yanlış alarm olması durumunda, akım tekrar akım taşıma şubesine aktarılır ve normal işletme devam eder.
• ​Etki: Simülasyonlar, bu stratejinin arıza akımını 25 kA'dan 17 kA'ya baskılama ve toplam kesme süresinin 3 ms içinde sabitlendiğini göstermektedir.

​Tablo 1: Kesme Öncesi Etkinleştirme Kriterleri​

1. ​Yumuşak Kapatma Kontrol Stratejisi:
• ​Amaç: Kapama anında potansiyel aşırı gerilim ve sistem salınımları sorunlarına çözüm sunmak, ekstra dirençler ve anahtarlara ihtiyaç duymadan, maliyet ve alanı tasarruf etmek.
• ​Mantık: Akım kesme şubesi, seride bağlı birden fazla orta gerilim ünitesinden oluşmuş olarak kabul edilir. Kapama sırasında, bu orta gerilim üniteleri sırayla ve kontrollü olarak iletken hale getirilerek, yol adım adım oluşturulur. Her adımdan sonra arıza tespiti yapılır. Eğer arıza tespit edilmezse, süreç tüm ünitelerin iletken hale gelmesine kadar devam eder. Son olarak, akım taşıma şubesi kapatılır ve akım kesme şubesi kapatılır. Süreci boyunca arıza tespit edilirse, kapama hemen iptal edilir.
• ​Uygulanabilirlik: Normal kapama ve arıza temizlendikten sonra otomatik yeniden kapama için uygundur. Simülasyonlar, aşırı gerilim veya salınım olmadığını doğrular.

​III. Prototip Geliştirme ve Deneysel Doğrulama​

​​(I) Prototipin Ana Parametreleri ve Yapısı​
Aşağıdaki ana parametrelerle 500 kV DC devre kesici mühendislik prototipi geliştirilmiştir:

• ​Yapısal Tasarım:
• ​Akım Taşıma Şubesı: Uzun süre akım taşıdığından, Q1 su soğutmalı sistemle donatılmış ve valf kulesinin altına yerleştirilmiştir; S1, manyetik itme mekanizmasıyla sürülen seride bağlı birçok vakum anahtardan oluşur ve valf kulesinin tepesine yerleştirilmiştir.
• ​Akım Kesme Şubesı: 10 seride bağlantılı 50 kV orta gerilim ünitesinden oluşur, 2 valf kulesinde (her biri 5 kat) monte edilmiştir. Q2, kesme kapasitesini karşılamak için çift paralel IGBT tasarımını benimsemiştir. Bu şube normal işletme sırasında akım taşımaz, bu nedenle soğutma gerekmemekte ve daha sade bir tasarım elde edilmektedir.

​​(II) Deneysel Doğrulama Sonuçları​
Prototip, eşdeğer deneysel devre (LC salınımlı devre) kullanılarak sıkı testlere tabi tutulmuştur:

• ​Komütasyon Süresi: Akımın akım taşıma şubesinden akım kesme şubesine aktarılması süresi < 300 μs olmuştur.
• ​Toplam Kesme Süresi: Açma emri alından itibaren akımın düşmeye başlamasına kadar geçen süre yaklaşık 2.9 ms olmuştur, bu da <3 ms tasarım hedefini karşılamıştır.
• ​Geçici Aşırı Gerilim: Kesme sırasında yaklaşık 800 kV anlık aşırı gerilim oluşmuştur, bu MOV koruma seviyesiyle uyumludur ve kontrol altında güvenli olmuştur.
• ​Sonuç: Deneyler, düzeltici tip hibrit yüksek gerilimli DC devre kesici topolojisinin uygulanabilirliğini, etkinliğini ve mükemmel performansını başarıyla doğrulamıştır.

​IV. Temel Sonuçlar:

1. Bu çözümda önerilen düzeltici tip hibrit topoloji, diode köprüsü kullanarak çift yönlü akım kontrolünü sağlayarak, geleneksel çözümlere göre IGBT kullanımı yaklaşık %50 oranında azaltılmış, ekonomik verimlilik ve güvenilirlik açısından önemli avantajlar sağlamıştır.
2. Akıllı kesme öncesi ve yumuşak kapatma kontrol stratejileri, mekanik anahtar hareket gecikmesi ve kapatma etkisi sorunlarını etkili bir şekilde ele alarak, sistemin genel dinamik performansını artırmıştır.
3. 500 kV/25 kA mühendislik prototipinin başarılı geliştirilmesi ve test edilmesi, bu teknik yaklaşımın mühendislik uygulanabilirliğini ve performans uygunluğunu tam anlamıyla kanıtlamıştır.