Konfigurace systémů vysokého napětí přímého proudu (HVDC)

Vysoké napětí přímého proudu, zkráceně HVDC, je velmi efektivní metodou pro přenos elektrické energie na dlouhé vzdálenosti, která výrazně snižuje ztráty energie oproti tradičnímu přenosu střídavým proudem (AC). Systém HVDC lze implementovat v různých konfiguracích, každá přizpůsobená specifickým operačním požadavkům. Tento článek poskytuje stručný přehled hlavních typů konfigurací systémů HVDC.

Systémy HVDC typu zpět k zpěti

V konfiguraci zpět k zpěti (B2B) jsou oba klíčové komponenty převodníku, rectifikátor a inverzor, umístěny ve stejné konečné stanici. Tyto dvě převodníkové části jsou přímo propojeny zpět k sobě. Hlavní funkcí této konfigurace je spojení dvou samostatných AC elektřinových systémů. Dosahuje toho tím, že nejprve převede příchozí AC energii na DC pomocí rectifikátoru a poté okamžitě transformuje DC energii zpět na AC pomocí inverzoru.

Systémy HVDC typu zpět k zpěti (Pokračování)

Nastavení zpět k zpěti HVDC je nainstalováno v jedné místnosti a slouží k propojení dvou asynchronních AC elektřinových systémů. Vzhledem k přímému spojení zpět k zpěti rectifikátoru a inverzoru není třeba DC přenosové linky. Pro minimalizaci počtu thyristorů spojených v sérii se meziduplná DC napěťová hladina úmyslně udržuje na nízké úrovni. Zároveň může průtok tohoto nastavení dosahovat několika tisíc amperů.

Tento typ systému HVDC je zejména užitečný pro propojení dvou asynchronních AC elektřinových systémů v následujících scénářích:

• Když dva AC systémy nebo síť pracují s různými frekvencemi.

• Když mají dva systémy stejnou frekvenci, ale vykazují fázový rozdíl.

Dvouterminálový systém HVDC

V konfiguraci dvouterminálového systému HVDC existují dvě odlišné konečné stanice, každá fungující jako stanice převodníku. Jedna stanice obsahuje rectifikátor, zatímco druhá obsahuje inverzor. Tyto dvě terminály jsou spojeny přenosovou linkou HVDC, což umožňuje efektivní přenos elektrické energie na dlouhé vzdálenosti. Tato konfigurace je navržena tak, aby překonala omezení tradičního přenosu AC pro přenos na dlouhé vzdálenosti, využívající výhody DC energie pro minimalizaci ztrát energie a zlepšení efektivity přenosu přes rozsáhlé geografické oblasti.

Dvouterminálový systém HVDC má přímé spojení mezi dvěma body bez jakýchkoli paralelních přenosových linek nebo mezipřípojných odboček podél přenosové linky. Tato charakteristika dává vznik jeho alternativnímu názvu, bod do bodu přenos energie. Je ideálně vhodný pro aplikace dodávky energie mezi dvěma lokacemi, které jsou geograficky vzdálené od sebe.

Jednou z významných výhod dvouterminálového systému HVDC je jeho nezávislost na potřebě disjektoru HVDC. V případě údržby nebo při odstraňování poruch lze použít AC disjektory na straně AC pro deenergizaci DC linky. Oproti disjektorům DC mají AC disjektory jednodušší konstrukci a nižší náklady, což činí dvouterminálový systém HVDC ekonomičtějším a snáze udržovatelným.

Viaterminálový DC (MTDC) systém

Viaterminálový DC (MTDC) systém představuje složitější konfiguraci HVDC. Používá více přenosových linek k vytvoření spojení mezi více než dvěma body. Tato konfigurace zahrnuje několik konečných stanic, každá vybavená svým vlastním převodníkem, všechny propojené síťí přenosových linek HVDC. Uvnitř této sítě některé převodníky fungují jako rectifikátory, převádějící AC energii na DC, zatímco jiné fungují jako inverzory, transformující DC energii zpět na AC pro distribuci na zátěže. Základní princip MTDC systému spočívá v tom, že celkový výkon dodávaný rectifikačními stanicemi musí být roven kombinovanému výkonu přijatému inverzními (zátěžovými) stanicemi, což zajišťuje vyvážený a efektivní tok energie v propojené síti.

Viaterminálový DC (MTDC) systém (Pokračování)

Síť MTDC je analogická síti AC v ohledu na flexibilitu, ale nabízí jedinečnou výhodu: schopnost přesného řízení toku energie uvnitř distribuované sítě DC. Tato zvýšená funkčnost však přichází za cenu zvýšené složitosti, což činí systém MTDC výrazně složitějším než dvouterminálovou konfiguraci HVDC.

V nastavení MTDC není možné spoléhat na AC disjektory na straně AC. Na rozdíl od dvouterminálového systému by použití AC disjektoru deenergizovalo celou síť DC namísto izolace pouze vadného nebo vyžadujícího údržbu vedení. K řešení tohoto problému vyžaduje systém MTDC několik komponent DC přepínací techniky, jako jsou disjektory. Tyto specializované disjektory DC jsou navrženy tak, aby bezpečně deenergizovaly okruhy nebo izolovaly specifické sekce během údržbových operací nebo při odstraňování poruch, což zajišťuje stabilitu a spolehlivost sítě.

Udržování vyváženosti systému je klíčové v systému MTDC. Celkový proud dodávaný rectifikačními stanicemi musí přesně odpovídat proudu spotřebovanému inverzními stanicemi. Pokud dojde k náhlému nárůstu poptávky po energii z libovolné inverzní stanice, musí být výkon DC přiměřeně zvýšen, aby splnil zvýšenou zátěž. Během tohoto procesu je nezbytné pečlivě sledovat a kontrolovat jak dodávané napětí, tak i provoz inverzorů, aby se zabránilo přetížení, což by mohlo vést k selhání systému.

Jednou z klíčových výhod systémů MTDC je jejich spolehlivost během nucených výpadků. V případě neočekávaného výpadku energie v jedné z generujících stanic může systém rychle přesměrovat energii skrze alternativní stanicí převodníků, minimalizující rušení celkové dodávky energie.

Aplikace MTDC

• Integrace obnovitelné energie: Umožňuje spojení několika DC založených farm obnovitelné energie s různými elektřinovými sítěmi, umožňující efektivní distribuci čisté energie.

• Větrná energie v otevřeném moři: Umožňuje spojení několika větrných farm v otevřeném moři s pobřežním elektřinovým sítí, překonávající výzvy spojené s přenosem velkého množství energie na dlouhé vzdálenosti z vzdálených lokalit v otevřeném moři.

• Hromadný přenos energie: Umožňuje přenos velkém měřítku energie z několika vzdálených AC generujících stanic do několika zátěžových center, optimalizující distribuci energie v rozsáhlých regionech.

• Propojení sítí: Umožňuje interpropojení mezi dvěma asynchronními AC elektřinovými systémy, zvyšující stabilitu sítě a schopnosti výměny energie.

• Přerozdělení dodávky energie: Umožňuje přerozdělení dodávky energie v případě výpadků energie v individuálních generujících stanicích, zajišťující nepřetržitou dodávku energie spotřebitelům.

• Podpora sítě AC: Může poskytnout dodatečnou energii těžce zatěžovaným sítím AC pomocí jednoho rectifikátoru a několika inverzorů, které vkládají energii do sítě AC, zmírňující záněhlu a zlepšující celkovou výkonnost sítě.

• Flexibilní připojení energie: Nabízí flexibilitu připojení energie v několika bodech uvnitř sítě, adaptující se na různé požadavky na energii a distribuční požadavky.

Systémy MTDC lze rozdělit do dvou hlavních typů:

Sériový systém MTDC

V sériové konfiguraci MTDC jsou několik stanic převodníků spojeny v sérii, podobně jako komponenty v elektrickém sériovém obvodu. Definující charakteristikou tohoto nastavení je, že proud tečící skrz každou stanici převodníku zůstává identický, protože je nastaven jednou ze stanic. Nicméně, padnutí napětí je rozděleno mezi stanicemi převodníků, s každou stanicí zažívající část celkového padnutí napětí v sériově spojené síti.

Sériový systém MTDC (Pokračování)

Sériový systém MTDC lze považovat za rozšířenou verzi dvouterminálového systému HVDC, zahrnující několik stanic převodníků spojených v sérii, jak je znázorněno na přiloženém obrázku. Obvykle mají stanicí převodníků v sériovém systému MTDC nižší kapacitu než ty používané v paralelních systémech MTDC.

Tento systém běžně používá monopolární DC spoje, kde je DC linka zemněna pouze v jednom specifickém bodě. Pro ochranu proti dočasným elektrickým výbojkům lze na jiných místech linky instalovat kondenzátor zemnění jako dodatečnou ochrannou opatření.

Koordinace izolace v sériovém systému MTDC představuje významné výzvy kvůli různým DC napětím na každé stanici. Mechanismus řízení toku energie v sériovém systému MTDC je složitější oproti paralelnímu systému MTDC. V paralelním systému MTDC lze tok energie regulovat injekcí proudu do specifických vedení, zatímco v sériovém systému MTDC řízení toku energie závisí na upravování napětí na každé koncové stanici.

Obrácení toku energie v sériovém systému MTDC lze snadno dosáhnout pomocí zdrojů napětí (VSC) i zdrojů proudu (CSC). Nicméně, pokud dojde k poruše nebo je plánovaná údržba pro konkrétní vedení, celá síť DC bude zasáhnutá výpadkem. Podobně jako v dvouterminálovém systému HVDC, jsou použity disjektory na straně AC pro deenergizaci sítě DC. Rozšíření sériového systému MTDC také představuje obtíže. Instalace nových konečných stanic vyžaduje kompletní výpadk sítě, protože okrouhlá síť DC musí být rozdělena v místě instalace, rušící dodávku energie všem ostatním stanicím podél cesty.

Paralelní systém MTDC

V paralelním systému MTDC jsou několik stanic převodníků fungujících jako inverzory nebo stanicí zátěže spojeny s jednou stanicí převodníkem fungující jako rectifikátor. Tato stanice rectifikátoru dodává energii celé síti DC. Analogicky k paralelnímu elektrickému obvodu, napětí zůstává konstantní všech stanicích inverzorů nebo zátěže, s jeho hodnotou nastavenou jednou ze stanic převodníků. Naopak, dodávka proudu se mění podle výkonového požadavku na každé stanici. Pro udržení vyvážené dodávky proudu se dynamicky upravuje proud v reakci na výkonové požadavky jednotlivých stanic zátěže. Obecně mají stanicí v paralelním systému MTDC vyšší kapacitu než ty v sériové síti MTDC.

Paralelní systém MTDC (Pokračování)

Obrácení toku energie v paralelním systému MTDC lze dosáhnout buď metody obrácení napětí nebo proudu. Při použití metody obrácení napětí, která je obvykle spojena se stanicí převodníkem založenou na zdroji proudu (CSC), má dopad na všechny stanicí převodníků. Proto je nutné implementovat mezi těmito převodníky sofistikovaný systém řízení a komunikace pro správu tohoto efektu. Na druhou stranu, pokud je obrácení toku energie dosaženo metodou obrácení proudu, která je často spojena se stanicí převodníkem založenou na zdroji napětí (VSC), je tento proces mnohem jednodušší realizovat. To je hlavní důvod, proč se VSC preferují nad CSC v paralelních systémech MTDC.

V systému MTDC založeném na VSC, kde zůstává napětí konstantní, je výkonové označení konečné stanice určeno proudu ventilového převodníku. Tato konfigurace nabízí významnou výhodu v řízení toku energie uvnitř sítě DC. Může přesně řídit tok energie injekcí proudu do specifických vedení, což je pohodlnější přístup oproti mechanismu řízení výkonu v sériových systémech, který závisí na řízení napětí na každé stanici.

Jednou z nejvýznamnějších vlastností paralelního systému MTDC je jeho odolnost vůči poruchám. Pokud dojde k poruše v libovolné stanici, zbytek sítě DC zůstane nezasažen. Nicméně, pro izolaci specifických vedení DC spojených s vadnou stanicí je potřeba samostatný disjektor DC. Kromě toho, během rozšíření sítě DC není třeba přerušit dodávku energie. To je proto, že nové konečné stanicí lze instalovat paralelně s existujícími vedeními, zajišťující bezproblémovou integraci bez rušení probíhající distribuce energie.

Další výhodou paralelního systému MTDC je jeho relativně jednoduchá koordinace izolace oproti sériovému systému. Díky konstantnímu napětí v síti jsou požadavky na izolaci snadnější spravovat.

Paralelní systém MTDC lze dále rozdělit do dvou kategorií:

Radiální systém MTDC

Radiální systém MTDC je specifický typ paralelní konfigurace MTDC. V tomto nastavení, pokud dojde k přerušení přenosového vedení nebo odstranění jednoho spojení, vedou k přerušení dodávky energie na jednu nebo více stanic převodníků. Tato charakteristika dělá radiální systém MTDC nějakou měrou zranitelným na scénáře s jedním bodem selhání, protože jakékoli přerušení v přenosovém vedení může mít přímý dopad na dodávku energie určitým částem sítě.

Poskytnutý obrázek znázorňuje konfiguraci, kde jsou čtyři stanicí inverzorů spojeny s jednou stanicí rectifikátoru. V tomto nastavení je zřejmé, že pokud dojde k přerušení jakéhokoli z vedení, to nevyhnutelně vedlo by k přerušení dodávky energie alespoň jedné konečné stanici. Tato zranitelnost dělá radiální systém MTDC méně spolehlivým oproti síti typu Mesh nebo Ring.

Síť typu Mesh (Ring) MTDC

V síti typu Mesh nebo Ring MTDC jsou stanicí inverzorů (zátěže) propojeny s jednou stanicí rectifikátoru v tvaru síťového nebo kruhového uspořádání. Jednou z klíčových výhod této konfigurace je, že i když dojde k přerušení jednoho přenosového vedení nebo odstranění jednoho spojení, nedochází k přerušení dodávky energie žádné stanicí inverzorů. Následující obrázek jasně ilustruje takovou síť typu Mesh nebo Ring MTDC. Tato vrozená odolnost vůči selhání vedení dělá síť typu Mesh nebo Ring MTDC spolehlivější volbou pro přenos a distribuci energie v určitých aplikacích, protože lépe odolává přerušení a zajišťuje nepřetržitou dodávku energie připojeným stanicím zátěže.

Jak je znázorněno, v síti typu Mesh nebo Ring MTDC, odstranění jakéhokoli jednoho spojení nezpůsobí přerušení dodávky energie žádné stanicí převodníků. Místo toho se elektrická energie automaticky přesměruje skrze alternativní spojení v síti. Toto bezproblémové přesměrování je umožněno propojenou strukturou sítě typu Mesh nebo Ring. Je však klíčové poznamenat, že tato alternativní spojení musí být pečlivě navržena tak, aby zvládla zvýšený přenos energie a minimalizovala ztráty energie.

Absence přerušení dodávky energie v síti typu Mesh MTDC je významnou výhodou. Zajišťuje nepřetržitou a stabilní dodávku energie, i při neočekávaných selháních spojení. Proto nabízí paralelně propojená síť typu Mesh MTDC výrazně vyšší spolehlivost oproti své paralelně propojené radiální variantě. Radiální systém, který je zranitelný vůči výpadkům energie způsobeným přerušením jednoho spojení, se srovnává s robustní schopností sítě typu Mesh udržovat tok energie v podobných situacích, což dělá síť typu Mesh nebo Ring MTDC preferovanou volbou pro aplikace, kde je nepřetržitá dodávka energie zásadní.