Конфигурации системи за високонапътно постоянен ток (HVDC)

Високонапътният постоянен ток, обикновено съкратен като HVDC, е изключително ефективен метод за дългобрана передача на електрическа енергия, значително намаляващ загубите на мощност в сравнение с традиционната передача на променлив ток (AC). Системата HVDC може да бъде приложена в различни конфигурации, всяка от които е адаптирана към конкретни оперативни изисквания. Тази статия предоставя кратък обзор на основните типове конфигурации на системите HVDC.

Системи HVDC „спин-ту-спин“

В конфигурацията „спин-ту-спин“ (B2B) на HVDC, както ректификаторът, така и инверторът, които са ключови компоненти на преобразувателя, са разположени в един и същ терминална станция. Тези два преобразувателни елемента са пряко свързани спин-ту-спин. Основната функция на тази конфигурация е да свърже две отделни AC електроенергийни системи. Това се постига чрез първоначално преобразуване на входящия AC ток в DC чрез ректификатора и след това незабавно преобразуване на DC тока обратно в AC чрез инвертора.

Системи HVDC „спин-ту-спин“ (продължение)

Установката „спин-ту-спин“ на HVDC е монтирана в една стая и служи за свързване на две асинхронни AC електроенергийни системи. При прякото свързване спин-ту-спин на ректификатора и инвертора, няма нужда от линия за DC предаване. За да се намали броят на тиритроните, свързани в поредица, средният DC напряжение е преднамерено поддържан на ниско ниво. Междувременно, силата на тока в тази конфигурация може да достигне няколко хиляди ампера.

Този тип система HVDC е особено полезен за свързване на две асинхронни AC електроенергийни системи в следните случаи:

• Когато двете AC системи или електроенергийни мрежи работят с различни честоти.

• Когато двете системи имат еднаква честота, но показват фазово различие.

Двутерминална система HVDC

В двутерминална конфигурация на HVDC има две различни терминални станции, всяка от които функционира като преобразувателна станция. Една станция съдържа ректификатор, а другата – инвертор. Тези две терминали са свързани чрез линия за HVDC предаване, позволяваща ефективна передача на електрическа мощност на дълги разстояния. Тази конфигурация е проектирана да преодолее ограниченията на традиционната AC передача за дългобрана предаване, използвайки преимуществата на DC мощност, за да се минимизират загубите на мощност и да се подобри ефективността на предаването на голямо географско разстояние.

Двутерминалната система HVDC разполага с пряко свързване между две точки без паралелни линии за предаване или промеждутъчни тапове по линията за предаване. Тази характеристика дава и альтернативното й име – точка-до-точка предаване на мощност. Тя е идеална за приложения на доставка на енергия между две места, които са географски далечни едно от друго.

Едно от забележителните предимства на двутерминалната система HVDC е, че не изисква HVDC предавен прекъсвач. В случай на поддръжка или при изчистване на дефекти, AC прекъсвачите от страната на AC могат да бъдат използвани, за да се деенергира DC линията. В сравнение с DC прекъсвачите, AC прекъсвачите имат по-прост дизайн и са по-евтини, което прави двутерминалната система HVDC по-икономична и по-лесна за поддръжка.

Мулти-терминална DC (MTDC) система

Мулти-терминалната DC (MTDC) система представлява по-сложна конфигурация на HVDC. Тя използва множество линии за предаване, за да установи връзки между повече от две точки. Тази конфигурация включва няколко терминални станции, всяка от които е оборудвана със свой преобразувател, всички свързани чрез мрежа от линии за HVDC предаване. В тази мрежа, някои преобразуватели функционират като ректификатори, преобразувайки AC мощност в DC, докато други функционират като инвертори, преобразувайки DC мощност обратно в AC за разпределение до потребители. Основен принцип на MTDC системата е, че общата мощност, доставена от ректификаторните станции, трябва да е равна на комбинираната мощност, получена от инверторните (потребителски) станции, осигурявайки балансиран и ефективен поток на мощност в мрежата.

Мулти-терминална DC (MTDC) система (продължение)

MTDC мрежата е аналогична на AC мрежа по отношение на гъвкавостта, но предлага уникално предимство: способността за точно контролиране на потока на мощност в разпределената DC мрежа. Но тази подобрена функционалност идва с цената на увеличена сложност, правейки MTDC системата значително по-сложна от двутерминалната конфигурация на HVDC.

В MTDC конфигурация, зависимостта от AC прекъсвачи от страната на AC не е възможна. В противен случай, използването на AC прекъсвач би деенергирило цялата DC мрежа, вместо само да изолира дефектната или нуждаещата се от поддръжка линия. За да се справи с това, MTDC системата изисква множество компоненти за DC свързване, като прекъсвачи. Тези специализирани DC прекъсвачи са проектирани, за да деенергирират безопасно контури или да изолират конкретни секции при поддръжка или при изчистване на дефекти, гарантирайки стабилността и надеждността на мрежата.

Поддържането на баланса на системата е важно в MTDC системата. Общата сила на тока, доставена от ректификаторните станции, трябва да съответства точно на тока, потребен от инверторните станции. Когато има внезапен скок в потребността от мощност от някой инверторен уред, DC мощността трябва да бъде увеличена съответно, за да се удовлетвори увеличената нагрузка. По време на този процес е необходимо да се наблюдава и контролира както доставеното напрежение, така и работата на инверторите, за да се предотврати прекомерна нагрузка, която може да доведе до събиране на системата.

Едно от ключовите предимства на MTDC системите е техната надеждност при принудителни спирана. В случай на неочаквано изключване на електроенергията в една от генериращите станции, системата може бързо да пренасочи мощността чрез алтернативни преобразувателни станции, минимизирайки прекъсването на общата доставка на електроенергия.

Приложения на MTDC

• Интеграция на възобновяеми източници на енергия: Фасилитира свързването на множество DC-основани възобновяеми енергийни ферми към различни електроенергийни мрежи, позволявайки ефективното разпределение на чиста енергия.

• Офшорна вятрова енергия: Позволява свързването на множество офшорни вятрови ферми към береговата електроенергийна мрежа, преодолявайки трудностите, свързани с предаването на големи количества мощност на дълги разстояния от отдалечени офшорни места.

• Масов превод на мощност: Позволява превода на масовата мощност от множество отдалечени AC генериращи станции към множество потребителски центрове, оптимизирайки разпределението на мощността в голяма област.

• Свързване на мрежи: Позволява свързването между две асинхронни AC електроенергийни системи, подобрявайки стабилността на мрежата и способността за размяна на мощност.

• Преориентация на доставката на мощност: Позволява преориентацията на доставката на мощност в случай на прекъсвания на електроенергията в индивидуални генериращи станции, осигурявайки непрекъсната доставка на мощност до потребителите.

• Подкрепа на AC мрежи: Може да предостави допълнителна мощност на тежко заредени AC мрежи, използвайки един ректификатор и множество инвертори, за да вкарат мощност в AC мрежата, облекчавайки концентрацията и подобрявайки общата производителност на мрежата.

• Гъвкаво използване на мощност: Предлага гъвкавостта да се използва мощност в множество точки в мрежата, адаптирайки се към разнообразни потребности за мощност и разпределение.

MTDC системите могат да бъдат класифицирани в два основни типа:

Сериозна MTDC система

В сериозна конфигурация на MTDC, множество преобразувателни станции са свързани в поредица, като компоненти в електрическа сериозна верига. Дефинираща характеристика на тази конфигурация е, че силата на тока, който протича през всяка преобразувателна станция, остава еднаква, тъй като е зададена от една от станциите. Но падането на напрежението е разпределено между преобразувателните станции, с всяка станция, която изпитва част от общото падане на напрежението в серията свързана мрежа.

Сериозна MTDC система (продължение)

Сериозната MTDC система може да бъде разглеждана като разширена версия на двутерминалната система HVDC, включваща множество преобразувателни станции, свързани в поредица, както е показано на придружаващата диаграма. Обикновено преобразувателните станции в сериозна конфигурация на MTDC имат по-ниска капацитет в сравнение с тези, използвани в паралелни MTDC системи.

Тази система обикновено използва моно-поларни DC връзки, където DC линията е заземена само в една конкретна точка. За защита срещу временни електрически пробиви, може да се инсталира заземващ кондензатор в други точки по линията като допълнителна защитна мярка.

Координирането на изолацията в сериозната MTDC система представя значителни предизвикателства поради вариращите DC напрежения във всяка станция. Механизмът за контрол на потока на мощност в сериозната MTDC система е по-сложен в сравнение с този в паралелната MTDC система. В паралелната MTDC система, потока на мощност може да бъде регулиран чрез вкарване на ток в конкретни линии, докато в сериозната MTDC система, контролът на потока на мощност се основава на коригиране на напрежението във всяка терминална станция.

Обръщането на потока на мощност в сериозната MTDC система може лесно да бъде постигнато чрез използване както на преобразуватели на напрежение (VSC), така и на преобразуватели на ток (CSC). Но при настъпване на дефект или при планирана поддръжка на конкретна линия, цялата DC мрежа ще преживее прекъсване. Подобно на двутерминалната система HVDC, прекъсвачите от страната на AC се използват, за да се деенергира DC мрежата. Разширяването на сериозната MTDC система също представлява трудности. Инсталирането на нови терминални станции изисква пълно прекъсване на мрежата, тъй като DC мрежата с форма на пръстен трябва да бъде разделена в точката на инсталация, прекъсвайки доставката на мощност до всички останали станции по пътя.

Паралелна MTDC система

В паралелна конфигурация на MTDC, множество преобразувателни станции, функциониращи като инвертори или станции за потребител, са свързани към един преобразувателен станция, действащ като ректификатор. Тази ректификаторна станция доставя мощност на цялата DC мрежа. Аналогично на паралелна електрическа верига, напрежението остава постоянно във всички инверторни или потребителски станции, със стойността му, зададена от една от преобразувателните станции. В същото време, доставката на ток варира в зависимост от потребността за мощност във всяка станция. За поддържане на балансирана доставка на ток, токът се динамично коригира в отговор на потребностите за мощност на индивидуалните потребителски станции. Обикновено терминалните станции в паралелната MTDC система имат по-висок капацитет от тези в сериозната MTDC мрежа.

Паралелна MTDC система (продължение)

Обръщането на мощност в паралелна MTDC система може да бъде постигнато чрез методи за обръщане на напрежението или тока. При използване на обръщане на напрежението, което обикновено е свързано с терминални станции, базирани на преобразуватели на ток (CSC), то влияе върху всички преобразувателни станции. В резултат на това, трябва да се имплементира много сложна система за управление и комуникация между тези преобразуватели, за да се управлява този ефект. От друга страна, ако обръщането на мощност се постига чрез метода за обръщане на тока, който често е свързан с терминални станции, базирани на преобразуватели на напрежение (VSC), процесът е много по-лесен за изпълнение. Това е основната причина, поради която VSC се предпочитат пред CSC в паралелни MTDC системи.

В системата MTDC, базирана на VSC, тъй като напрежението остава постоянно, рейтингът на мощност на терминалната станция се определя от рейтинга на тока на преобразувателния клапан. Тази конфигурация предлага значително предимство в контрола на потока на мощност в DC мрежата. Тя може да регулира точно потока на мощност чрез вкарване на ток в конкретни линии, което е по-удобен подход в сравнение с механизма за контрол на мощността в сериозни системи, които се основават на контрол на напрежението във всяка станция.

Едно от най-значимите предимства на паралелната MTDC система е устойчивостта й към дефекти. Ако в някоя от терминалните станции се появи дефект, останалата част от DC мрежата остава незасегната. Но за изолацията на конкретните DC линии, свързани с дефектната станция, е необходим отделен DC прекъсвач. Освен това, при разширяване на DC мрежата, няма нужда да се прекъсва доставката на мощност. Това е, защото нови терминални станции могат да бъдат инсталирани паралелно със съществуващите линии, осигурявайки безпроблемна интеграция без прекъсване на текущото разпределение на мощност.

Друго предимство на паралелната MTDC система е относително простата координация на изолацията в сравнение с сериозна система. Благодарение на постоянното напрежение в мрежата, изискванията за изолация са по-лесни за управление.

Паралелната MTDC система може да бъде класифицирана в две категории:

Радиална MTDC система

Радиалната MTDC система е специфичен тип паралелна конфигурация на MTDC. В тази конфигурация, ако има прекъсване в линията за предаване или премахване на една връзка, това ще доведе до прекъсване на доставката на мощност до една или повече преобразувателни станции. Тази характеристика прави радиалната MTDC система малко уязвима към сценарии с една точка на отказ, тъй като всякакво прекъсване в линията за предаване може директно да повлияе върху доставката на мощност до определени части от мрежата.

Представената фигура показва конфигурация, в която четири инверторни станции са свързани към един ректификатор. В тази конфигурация е очевидно, че ако има прекъсване в която и да е една от линиите, това ще доведе до прекъсване на доставката на мощност до поне една терминална станция. Тази уязвимост прави радиалната MTDC система по-малко надеждна в сравнение с Mesh или Ring тип MTDC системи.

Mesh (Ring) MTDC система

В Mesh или Ring MTDC система, инверторните (потребителските) станции са свързани с един ректификаторен станция в мрежа или кръгова форма. Едно от ключовите предимства на тази конфигурация е, че дори и да има прекъсване в една единствена линия за предаване или премахване на една връзка, това не води до прекъсване на доставката на мощност до никоя от инверторните станции. Последващата фигура ясно илюстрира такава Mesh или Ring MTDC система. Тази вродена устойчивост към прекъсвания на линиите прави Mesh или Ring MTDC системата по-надежден вариант за предаване и разпределение на мощност в определени приложения, тъй като може по-добре да издържи прекъсвания и да осигури непрекъсната доставка на мощност до свързаните потребителски станции.

Както е показано, в Mesh или Ring MTDC система, премахването на която и да е една връзка не прекъсва доставката на мощност до никоя преобразувателна станция. Вместо това, електрическата мощност автоматично се препосочва чрез алтернативни връзки в мрежата. Това безпроблемно препосочване е възможно благодарение на свързаната природа на Mesh или Ring конфигурацията. Но е важно да се отбележи, че тези алтернативни връзки трябва да бъдат внимателно проектирани, за да обработват увеличения поток на мощ