Giải pháp cầu chì lai loại chỉnh lưu điện áp cao DC

2yrs + staff 1000+m² US$300,000,000+ China

I. Bối cảnh dự án và phân tích yêu cầu
Với sự phát triển sâu rộng của quá trình chuyển đổi năng lượng, công nghệ truyền tải DC linh hoạt dựa trên bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) đã trở thành giải pháp quan trọng cho việc tích hợp năng lượng tái tạo quy mô lớn và nâng cao khả năng truyền tải điện xa, nhờ những ưu điểm như kiểm soát độc lập công suất có công và không công và hàm lượng harmonics thấp. Việc xây dựng lưới điện DC linh hoạt là xu hướng tất yếu. Trong bối cảnh này, cầu chì DC điện áp cao, như thiết bị bảo vệ cốt lõi để cách ly nhanh chóng các sự cố và đảm bảo an toàn và ổn định của lưới điện, rất quan trọng. Không có cầu chì DC hiệu suất cao, tính linh hoạt vận hành và độ tin cậy cung cấp điện của lưới DC linh hoạt sẽ bị hạn chế nghiêm trọng.

Các công nghệ cầu chì DC điện áp cao chủ đạo hiện nay có những hạn chế đáng kể:

Cầu chì cơ khí: Mặc dù chúng có tổn thất thấp khi đóng và chịu được điện áp cao, thời gian ngắt mạch của chúng là vài chục miligiây, không đáp ứng được yêu cầu ngắt mạch nhanh trong vòng miligiây ở lưới DC linh hoạt.
Cầu chì bán dẫn hoàn toàn: Dựa trên thiết bị bán dẫn, chúng cung cấp khả năng ngắt mạch cực kỳ nhanh nhưng lại có tổn thất khi đóng cao, chi phí vận hành cao và hiệu quả kinh tế kém.
Cầu chì lai truyền thống: Mặc dù kết hợp tổn thất thấp của công tắc cơ khí và khả năng ngắt mạch nhanh của công tắc bán dẫn, cấu trúc của chúng yêu cầu IGBT nối tiếp cả hai chiều, dẫn đến tỷ lệ sử dụng thiết bị thấp, hệ thống phức tạp và chi phí cao.

Để giải quyết những rào cản kỹ thuật này, cần có một giải pháp mới cho cầu chì DC kết hợp khả năng ngắt mạch nhanh, tổn thất vận hành thấp, hiệu quả kinh tế cao và độ tin cậy cao.

II. Giải pháp: Cầu chì DC điện áp cao lai kiểu chỉnh lưu
Giải pháp này đề xuất một cấu trúc cầu chì DC điện áp cao lai kiểu chỉnh lưu mới, giải quyết cơ bản các hạn chế của công nghệ hiện có.

(I) Công nghệ cốt lõi: Cấu trúc mạch sáng tạo
Cấu trúc của cầu chì này bao gồm nhánh dẫn dòng và nhánh ngắt dòng nối song song.

Nhánh dẫn dòng:

Thành phần: Gồm công tắc cơ khí tốc độ cao (S1) và nhóm van dẫn dòng (Q1) nối tiếp.
Đặc điểm: S1 có điện trở tiếp xúc cực kỳ thấp (chỉ vài chục micro-ohm), và Q1 bao gồm một số ít IGBT với điện áp giọt nhỏ khi dẫn. Trong quá trình hoạt động bình thường, dòng định mức đi qua nhánh này, đảm bảo tổn thất khi đóng cực kỳ thấp.

Nhánh ngắt dòng:

Thành phần: Sử dụng cấu trúc chỉnh lưu cầu, bao gồm nhóm van chỉnh lưu cầu (D1-D4, hình thành từ nhiều diode nối tiếp), nhóm van ngắt dòng một chiều (Q2, hình thành từ nhiều IGBT nối tiếp) và điện trở phi tuyến (MOV1, arrester).
Ưu điểm cốt lõi: Cấu trúc chỉnh lưu cầu khéo léo thực hiện chuyển mạch dòng, cho phép nhóm van ngắt dòng IGBT một chiều (Q2) ngắt dòng sự cố DC hai chiều. So với cấu trúc lai truyền thống, số lượng IGBT giảm khoảng một nửa. Do IGBT dạng press-pack thương mại đắt gấp khoảng 10 lần so với diode cùng cấp, và việc giảm số lượng IGBT cũng giảm số lượng bảng điều khiển đi kèm, cấu trúc này đạt được giảm đáng kể chi phí và cải thiện độ tin cậy tổng thể.

(II) Nguyên lý làm việc ngắt dòng hiệu quả
Lấy ví dụ về dòng chảy từ cổng 1 đến cổng 2, quá trình ngắt dòng bao gồm bốn giai đoạn:

Giai đoạn 1 (t0–t1, Sự cố xảy ra): Sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dây, khiến dòng điện tăng đột ngột. Tại thời điểm này, S1 và Q1 đang dẫn, Q2 tắt, và dòng sự cố chảy hoàn toàn qua nhánh dẫn dòng.
Giai đoạn 2 (t1–t2, Chuyển dòng): Hệ thống điều khiển phát lệnh mở, bật Q2 và tắt Q1. Việc dẫn của Q2 tạo ra điện áp chuyển mạch trên cánh cầu, ép dòng chuyển từ nhánh dẫn dòng sang nhánh ngắt dòng (đường: D1 → Q2 → D4).
Giai đoạn 3 (t2–t3, Ngắt công tắc cơ khí): Sau khi dòng trong nhánh dẫn dòng đã chuyển hoàn toàn, công tắc cơ khí tốc độ cao S1 ngắt dưới điều kiện không dòng và không điện áp, không tạo hồ quang, xác lập cường độ cách điện.
Giai đoạn 4 (t3–t4, Loại bỏ dòng sự cố): Sau khi S1 hoàn toàn ngắt, Q2 tắt. Việc tắt Q2 tạo ra điện áp quá áp tạm thời trên cầu chì, kích hoạt MOV1 dẫn và chuyển dòng sự cố vào MOV1 để tiêu tán cho đến khi năng lượng hết, dòng giảm xuống không, và hoàn thành cách ly sự cố.

Nguyên lý ngắt dòng ngược cũng tương tự, được hướng dẫn bởi cầu chỉnh lưu (D2, D3) để chảy qua Q2.

(III) Chiến lược điều khiển thông minh

Chiến lược điều khiển trước ngắt:

Mục đích: Để khắc phục瓶颈在于高速机械开关的开断时间较长（约2毫秒），缩短总中断时间并抑制故障电流峰值。逻辑：通过实时监测母线电压、线路电压和线路电流（共6个标准，如表1所示），一旦触发任何异常标准，提前启动预中断操作（将电流转移到电流切断分支并打开S1）。如果随后收到正式的开断命令，则完成中断；如果是误报，则将电流重新转移到电流承载分支以恢复正常运行。效果：仿真显示，该策略可以将故障电流从25 kA抑制到17 kA，总中断时间稳定在3 ms以内。 **表1：预中断激活标准** | 标准类型 | 具体条件 | | --- | --- | | 电流标准 | 线路电流幅值 > 保护阈值；线路电流变化率绝对值 (di/dt) > 保护阈值 | | 线路电压标准 | 线路电压幅值 < 保护阈值；线路电压变化率绝对值 (du/dt) > 保护阈值 | | 母线电压标准 | 母线电压幅值 < 保护阈值；母线电压变化率绝对值 (du/dt) > 保护阈值 | **(II) 软闭合控制策略** 目的：解决闭合时刻可能出现的过电压和系统振荡问题，无需额外的电阻器和开关，节省成本和空间。逻辑：将电流切断分支视为由多个中压单元串联组成。在闭合过程中，这些中压单元依次可控地导通，逐步建立路径。每一步后进行故障检测。如果没有检测到故障，则继续直到所有单元都导通。最后，闭合电流承载分支，并关闭电流切断分支。如果在过程中检测到故障，则立即中止闭合。适用性：适用于正常闭合和故障清除后的自动重合闸。仿真验证无过电压或振荡。 ### III. 原型开发与实验验证 **(I) 原型的关键参数和结构** 开发了一个500 kV直流断路器工程原型，关键参数如下： | 参数类型 | 数值 | | --- | --- | | 额定电压 | 500 kV | | 颰定电流 | 3 kA | | 最大开断电流 | 25 kA | | 开断时间 | < 3 ms | | MOV 保护水平 | 800 kV | | 核心设备规格 | 4.5 kV/3 kA 压接式 IGBT | 结构设计： - **电流承载分支**：由于长时间承载电流，Q1 配备了水冷系统并放置在阀塔底部；S1 由多个串联的真空开关组成，由电磁斥力机构驱动，并放置在阀塔顶部。 - **电流切断分支**：由10个串联的50 kV中压单元组成，安装在2个阀塔（每个5层）中。Q2 采用双并联IGBT设计以满足开断能力。此分支在正常运行时不承载电流，因此不需要冷却，设计更为简洁。 **(II) 实验验证结果** 原型经过严格的等效实验电路（LC振荡电路）测试： - **换流时间**：电流从电流承载分支转移到电流切断分支的时间 < 300 μs。 - **总开断时间**：从收到开断命令到电流开始下降，大约需要2.9 ms，符合设计目标 < 3 ms。 - **瞬态过电压**：在开断过程中产生约800 kV的瞬态过电压，与MOV保护水平一致，受控且安全。 - **结论**：实验成功验证了整流型混合高压直流断路器拓扑的可行性、有效性和卓越性能。 ### IV. 核心结论 1. 本解决方案提出的整流型混合拓扑使用创新的二极管桥设计实现双向电流控制，相比传统解决方案减少了约50%的IGBT使用量，在经济效率和可靠性方面具有显著优势。 2. 智能预中断和软闭合控制策略有效解决了机械开关动作延迟和闭合冲击问题，提高了系统的整体动态性能。 3. 成功开发和测试了500 kV/25 kA工程原型，充分展示了该技术方法的工程可行性和性能合规性。

09/05/2025

Đề xuất

Thêm