Рішень гібридного високовольтного прямочастотного комутатора типу прямокутника

I. Проектний тло і аналіз вимог​
З поширенням енергетичної трансформації, технологія гнучкої DC-передачі електроенергії на основі напівпровідникових перетворювачів (VSC) стала ключовим рішенням для інтеграції великомасштабних відновлюваних джерел енергії та підвищення можливостей передавання електроенергії на великі відстані завдяки своїм перевагам, таким як незалежне керування активною та реактивною потужностями та низький рівень гармоній. Будівництво гнучких DC-мереж є необхідним трендом. В цьому контексті, високонапругові DC-вимикачі, як ключові захисні пристрої для швидкого відокремлення аварій та забезпечення безпеки та стабільності мережі, мають критичне значення. Без високопродуктивних DC-вимикачів, оперативна гнучкість та надійність постачання електроенергії гнучких DC-мереж буде серйозно обмежено.

Сучасні головні технології високонапругових DC-вимикачів мають значні обмеження:

• ​Механічні вимикачі: Хоча вони мають низькі втрати при проводимості та високу стійкість до напруги, час переривання становить десятки мілісекунд, що не задовольняє строгі вимоги швидкого відокремлення аварій у гнучких DC-мережах.
• ​Всі-твердотільні вимикачі: На основі напівпровідникових пристроїв, вони забезпечують надзвичайно швидке переривання, але мають надмірні втрати при проводимості, високі витрати на експлуатацію та низьку економічну ефективність.
• ​Традиційні гібридні вимикачі: З'єднуючи низькі втрати механічних перемикачів та швидке переривання твердотільних перемикачів, їхня топологія вимагає серійного з'єднання IGBT в обох напрямках, що призводить до низької використаності пристроїв, складності системи та високих витрат.

Для подолання цих технічних бар'єрів, є термінова потреба у новому рішенні DC-вимикача, яке поєднувало б швидку здатність переривання, низькі втрати при експлуатації, високу економічну ефективність та надійність.

​II. Рішення: Гібридний високонапруговий DC-вимикач типу прямотока​
Це рішення пропонує інноваційну топологію гібридного високонапругового DC-вимикача типу прямотока, фундаментально вирішуючи обмеження існуючих технологій.

​​(I) Основна технологія: Інноваційна схемна топологія​
Топологія цього вимикача складається з паралельно з'єднаних гілок проводження струму та переривання струму.

1. ​Гілка проводження струму:
• ​Склад: Складається з високоскоростного механічного перемикача (S1) та групи клапанів проводження струму (Q1), з'єднаних послідовно.
• ​Особливості: S1 має надзвичайно низьку контактну опір (лише десятки мікроомів), а Q1 складається з невеликої кількості IGBT з низьким нападаючим напругом. Під час нормальної роботи номінальний струм проходить через цю гілку, забезпечуючи надзвичайно низькі втрати при проводимості.
2. ​Гілка переривання струму:
• ​Склад: Використовує структуру мостового выпрямляча, складається з групи комутаційних клапанів (D1-D4, утворених багатьма послідовно з'єднаними діодами), односторонньої групи переривання (Q2, утвореної багатьма послідовно з'єднаними IGBT) та нелінійного опору (MOV1, грозозахисний пристрій).
• ​Основна перевага: Структура мостового выпрямляча вміло досягає комутації струму, дозволяючи односторонній групі переривання IGBT (Q2) переривати двосторонні DC-аварійні струми. У порівнянні з традиційними гібридними топологіями, кількість IGBT зменшується приблизно на 50%. враховуючи, що комерційні IGBT у формі прес-пакетів коштують приблизно в 10 разів більше, ніж діоди того ж класу, а зменшення кількості IGBT також зменшує кількість супутніх плат водіїв, ця топологія досягає значного зниження вартості та загального підвищення надійності.

​​(II) Ефективний принцип роботи переривання​
На прикладі струму, що тече від Порту 1 до Порту 2, процес переривання складається з чотирьох етапів:

1. ​Етап 1 (t0–t1, виникнення аварії)​: На лінії виникає короткозамкнення, що призводить до гострого зростання струму. В цей момент, S1 та Q1 проводять, Q2 вимкнений, і аварійний струм повністю проходить через гілку проводження струму.
2. ​Етап 2 (t1–t2, передача струму)​: Керуюча система видає команду на відкриття, увімкнення Q2 та вимкнення Q1. Проводимість Q2 генерує комутаційну напругу на мостовому плечі, примушуючи струм перейти з гілки проводження струму до гілки переривання струму (шлях: D1 → Q2 → D4).
3. ​Етап 3 (t2–t3, переривання механічним перемикачем)​: Після повного перенесення струму з гілки проводження струму, високоскоростний механічний перемикач S1 перериває струм у умовах нульових струму та напруги без дуги, створюючи ізоляційну міцність.
4. ​Етап 4 (t3–t4, очищення аварійного струму)​: Після повного переривання S1, Q2 вимикається. Вимкнення Q2 генерує тимчасову наднапругу по всьому вимикачу, що запускає проводимість MOV1, перенаправляючи аварійний струм в MOV1 для його розсіяння, поки енергія не вичерпається, струм не спаде до нуля, і відокремлення аварії не буде завершено.

Принцип переривання для зворотного струму такий самий, з керуванням діодним мостом (D2, D3) для проходження струму через Q2.

​​(III) Інтелектуальна стратегія керування​

1. ​Стратегія передпереривання:
• ​Мета: Подолати бутлleneck високої частки часу відкриття високоскоростного механічного перемикача (приблизно 2 мс), скоротити загальний час переривання та придушити піковий аварійний струм.
• ​Логіка: Шляхом реального моніторингу напруги шин, напруги лінії та струму лінії (загалом 6 критеріїв, як показано в Таблиці 1), коли будь-який аномальний критерій активовано, операція передпереривання запускається заздалегідь (передача струму в гілку переривання струму та відкриття S1). Якщо отримана офіційна команда на відкриття, переривання завершується; якщо це хибна тривога, струм повертається в гілку проводження струму для відновлення нормальної роботи.
• ​Ефект: Моделювання показали, що ця стратегія може придушити аварійний струм з 25 кА до 17 кА, з загальним часом переривання стабілізованим в межах 3 мс.

​Таблиця 1: Критерії активування передпереривання​

1. ​Стратегія м'якого закриття:
• ​Мета: Вирішити потенційні проблеми наднапруги та коливань системи в момент закриття, без потреби додаткових резисторів та перемикачів, що зберігає витрати та простір.
• ​Логіка: Гілка переривання струму вважається складеною з кількох середньонапругових одиниць, з'єднаних послідовно. Під час закриття ці середньонапругові одиниці послідовно та контролювано увімкнені, щоб поступово створити шлях. Після кожного кроку проводиться детекція аварій. Якщо аварія не виявлена, процес продовжується до тих пір, поки всі одиниці не будуть увімкнені. Нарешті, гілка проводження струму закривається, а гілка переривання струму вимикається. Якщо аварія виявлена під час процесу, закриття немедленно скасовується.
• ​Припустимість: Придатна для нормального закриття та автоматичного повторного закриття після видалення аварії. Моделювання підтвердили відсутність наднапруги та коливань.

​III. Розробка прототипу та експериментальне підтвердження​

​​(I) Ключові параметри та структура прототипу​
Було розроблено інженерний прототип 500 кВ DC-вимикача з наступними ключовими параметрами:

• ​Конструктивний дизайн:
• ​Гілка проводження струму: Оскільки вона проводить струм довгий час, Q1 оснащений системою водяного охолодження та розташований у нижній частині вежі клапанів; S1 складається з кількох вакуумних перемикачів, з'єднаних послідовно, приводяться в дію електромагнітним відштовхувальним механізмом, та розташовані у верхній частині вежі клапанів.
• ​Гілка переривання струму: Складається з 10 послідовно з'єднаних 50 кВ середньонапругових одиниць, встановлених у 2 вежах клапанів (по 5 шарів кожна). Q2 використовує двоякий паралельний дизайн IGBT для задоволення здатності переривання. Ця гілка не проводить струм під час нормальної роботи, тому не потребує охолодження, що призводить до більш компактного дизайну.

​​(II) Результати експериментального підтвердження​
Прототип пройшов сурові випробування за допомогою еквівалентної експериментальної схеми (LC-коливальна схема):

• ​Час комутації: Час передачі струму з гілки проводження струму до гілки переривання струму був < 300 мкс.
• ​Загальний час переривання: Від отримання команди на відкриття до початку спаду струму минуло близько 2.9 мс, що відповідає проектному цілю <3 мс.
• ​Тимчасова наднапруга: Під час переривання генерувалася миттєва наднапруга приблизно 800 кВ, що відповідає рівню захисту MOV, контролюється та безпечна.
• ​Висновок: Експерименти успішно підтвердили можливість, ефективність та відмінну продуктивність топології гібридного високонапругового DC-вимикача типу прямотока.

​IV. Основні висновки:

1. Пропонована топологія гібридного типу прямотока використовує інноваційний дизайн з діодним мостом для досягнення двостороннього керування струмом, зменшуючи використання IGBT приблизно на 50% по відношенню до традиційних рішень, що надає значні переваги в економічній ефективності та надійності.
2. Інтелектуальні стратегії передпереривання та м'якого закриття ефективно вирішують проблеми затримки дії механічного перемикача та впливу закриття, підвищуючи загальну динамічну продуктивність системи.
3. Успішна розробка та випробування інженерного прототипу 500 кВ/25 кА повністю демонструють інженерну можливість та відповідність характеристик даного технічного підходу.