Højspændingsdirektestrøms (HVDC) systemkonfigurationer

Højspændingsdirektestrøm, ofte forkortet HVDC, er en højst effektiv metode til overførsel af strøm over lange afstande, der betydeligt reducerer strømtab i forhold til traditionel vekselstrøm (AC) overførsel. HVDC-systemet kan implementeres i forskellige konfigurationer, hver især tilpasset specifikke driftsbehov. Denne artikel giver en kort oversigt over de vigtigste typer af HVDC-systemkonfigurationer.

Back-to-back HVDC-systemer

I en back-to-back (B2B) HVDC-konfiguration er både rektifieren og inverteren, som er nøglekomponenter i omdanneren, placeret inden for samme terminalstation. Disse to omdannerkomponenter er direkte forbundet back-to-back med hinanden. Den primære funktion af denne konfiguration er at forbinde to separate AC-strømsystemer. Dette opnås ved først at konvertere den indgående AC-strøm til DC via rektifieren og derefter hurtigt at transformere DC-strømmen tilbage til AC ved hjælp af inverteren.

Back-to-back HVDC-systemer (fortsat)

Den back-to-back HVDC-opstilling er installeret inden for et enkelt rum og tjenester til at forbinde to asynkrone AC-strømsystemer. Givet den direkte back-to-back-forbindelse mellem rektifieren og inverteren, er der ingen behov for en DC-overførsellinje. For at minimere antallet af thyristorer forbundet i serie, bevarer man den midlertidige DC-spænding på et lavt niveau. Samtidig kan strømforbruget i denne konfiguration nå flere tusinde amperer.

Denne type HVDC-system er særligt nyttig til at forbinde to asynkrone AC-strømsystemer i følgende situationer:

• Når de to AC-systemer eller strømnet arbejder på forskellige frekvenser.

• Når de to systemer har samme frekvens, men viser en faseskævning.

To-terminal HVDC-system

I en to-terminal HVDC-konfiguration findes der to distinkte terminalstationer, hvor hver fungerer som en omdannerstation. En station indeholder en rektifier, mens den anden indeholder en inverter. Disse to terminaler er forbundet af en HVDC-overførsellinje, der gør det muligt at effektivt overføre elektrisk energi over lange afstande. Denne opsætning er designet til at overvinde begrænsningerne ved traditionel AC-overførsel for langdistances overførsel, ved at udnytte fordelene ved DC-strøm til at minimere strømtab og forbedre overførsels-effektiviteten over store geografiske områder.

Det to-terminal HVDC-system har en direkte forbindelse mellem to punkter uden parallelle overførsellinjer eller mellemleds-taps langs overførsellinjen. Dette kendetegn giver det dets alternativ navn, punkt-til-punkt strømoverførsel. Det er ideelt egnet til strømforsyning mellem to lokationer, der ligger geografisk langt fra hinanden.

En af de mærkværdige fordele ved det to-terminal HVDC-system er, at det ikke kræver en HVDC-bryder. I tilfælde af vedligeholdelse eller når fejl ryddes, kan AC-brydere på AC-siden bruges til at afslutte DC-linjen. I forhold til DC-brydere har AC-brydere en enklere konstruktion og kommer til en lavere pris, hvilket gør det to-terminal HVDC-system mere økonomisk og lettere at vedligeholde.

Flere-terminal DC (MTDC) system

Flere-terminal DC (MTDC) system repræsenterer en mere kompleks HVDC-konfiguration. Det anvender flere overførsellinjer til at etablere forbindelser mellem mere end to punkter. Denne opsætning består af flere terminalstationer, hver udstyret med sin egen omdanner, alle forbundet af et HVDC-overførsellinjenetværk. Inden for dette netværk fungerer nogle omdannere som rektifierer, der konverterer AC-strøm til DC, mens andre opererer som invertorer, der transformerer DC-strøm tilbage til AC for distribution til belastninger. Et grundlæggende princip i MTDC-systemet er, at den totale effekt leveret af rektifierstations må være lig med den kombinerede effekt modtaget af inverter (belastnings) stations, for at sikre en balanceret og effektiv effektflow over det forbundne netværk.

Flere-terminal DC (MTDC) system (fortsat)

MTDC-netværket ligner et AC-net i henseende til dets fleksibilitet, men det tilbyder en unik fordel: evnen til præcis at kontrollere effektflowet inden for det distribuerede DC-netværk. Dog kommer denne forbedrede funktionalitet til en pris af øget kompleksitet, der gør MTDC-systemet betydeligt mere kompliceret end en to-terminal HVDC-konfiguration.

I en MTDC-opsætning er det ikke muligt at stole på AC-brydere på AC-siden. I modsætning til i et to-terminal system ville brug af en AC-bryder deenergisere hele DC-netværket i stedet for kun at isolere den fejlfulde eller vedligeholdelses-relevante linje. For at løse dette, kræver MTDC-systemet flere DC-switchgear komponenter, såsom brydere. Disse specialiserede DC-brydere er designet til sikkert at deenergisere circuit eller isolere specifikke sektioner under vedligeholdelses-operationer eller når fejl ryddes, for at sikre stabiliteten og pålideligheden af netværket.

At bevare systembalance er afgørende i et MTDC-system. Den samlede strøm leveret af rektifierstations skal præcis matche strømmen forbrugt af inverterstations. Når der pludseligt er en stigning i effektbehovet fra en inverterstation, skal DC-effektoutputtet tilsvarende skubbes op for at imødekomme den øgede belastning. Under denne proces er det afgørende at nøje overvåge og kontrollere både den leverede spænding og operationen af invertorerne for at undgå overbelastning, der kunne føre til systemfejl.

En af de vigtigste styrker ved MTDC-systemer er deres pålidelighed under tvungen nedbrud. Hvis der pludselig opstår en uventet strømafbrydelse ved en af genereringsstationerne, kan systemet hurtigt omdirigere effekt gennem alternative omdannerstationer, hvilket minimaliserer forstyrrelsen af den samlede strømforsyning.

Anvendelser af MTDC

• Integration af vedvarende energi: Faciliterer forbindelsen af flere DC-baserede vedvarende energifarme til forskellige strømnet, der gør det muligt at effektivt distribuere ren energi.

• Havvindkraft: Gør det muligt at forbinde flere havvindfarme til landbaseret strømnet, overvinder udfordringer forbundet med overførsel af store mængder effekt over lange afstande fra fjerne havlokationer.

• Stor effekt overførsel: Tillader overførsel af stor-skala effekt fra flere fjerne AC-genereringsstationer til flere belastningscentre, optimerer effektdistribution over store regioner.

• Netforbindelse: Tillader interconnection mellem to asynkrone AC-strømsystemer, forbedrer netstabilitet og effektudvekslingskapaciteter.

• Effektomfordeling: Gør det muligt at reallokere strømforsyningen i tilfælde af strømafbrydelser ved individuelle genereringsstationer, sikrer kontinuerlig strømforsyning til forbrugere.

• Understøttelse af AC-net: Kan give ekstra effekt til tungt belasted AC-net ved at bruge en enkelt rektifier og flere invertorer til at injicere effekt i AC-nettet, letter congestion og forbedrer det samlede netperformance.

• Fleksibel effekt tapping: Tilbyder fleksibilitet til at tappe effekt på flere punkter inden for netværket, tilpasses diverse effektbehov og distributionskrav.

MTDC-systemer kan inddeles i to primære typer:

Serie MTDC-system

I en serie MTDC-konfiguration er flere omdannerstationer forbundet i serie, ligesom komponenter i et elektrisk seriekredsløb. Et definerende kendetegn ved denne opsætning er, at strømmen, der løber igennem hver omdannerstation, forbliver identisk, da den er sat af en af stationerne. Dog er spændingsfaldet fordelt mellem omdannerstationerne, med hver station, der oplever en del af det samlede spændingsfald over det serieforbundne netværk.

Serie MTDC-system (fortsat)

Serie MTDC-systemet kan betragtes som en udvidet version af det to-terminal HVDC-system, der inkluderer flere omdannerstationer forbundet i serie, som illustreret i den vedlagte figur. Typisk har omdannerstationerne i et serie MTDC-setup en lavere kapacitet sammenlignet med dem, der anvendes i parallelle MTDC-systemer.

Dette system anvender ofte monopolar DC-links, hvor DC-linjen er jordet på kun ét bestemt punkt. For at beskytte mod transiente elektriske flammer kan en jordingskapacitor installeres på andre punkter langs linjen som en yderligere beskyttelsesforanstaltning.

Isolationssammenhæng i serie MTDC-systemet indebærer betydelige udfordringer pga. de varierende DC-spændinger ved hver station. Effektflow kontrolmekanismen i serie MTDC-systemet er mere kompliceret sammenlignet med den i parallelle MTDC-systemer. I et parallelle MTDC-system kan effektflow reguleres ved at injectere strøm i specifikke linjer, mens i serie MTDC-systemet afhænger effektflow kontrol af justering af spændingen ved hver terminalstation.

Effektflow reversering i et serie MTDC-system kan nemt opnås ved hjælp af både Voltage Source Converters (VSC) og Current Source Converters (CSC). Men hvis der opstår en fejl eller planlagt vedligeholdelse er påkrævet for en bestemt linje, vil hele DC-netværket opleve en strømafbrydelse. Ligesom i et to-terminal HVDC-system, anvendes AC-side brydere til at deenergisere DC-netværket. Udvidelse af serie MTDC-systemet indebærer også vanskeligheder. Installation af nye terminalstationer kræver en fuld strømafbrydelse af netværket, da det ringformede DC-netværk skal splittes ved installationspunktet, hvilket forstyrre strømforsyningen til alle andre stationer langs vejen.

Parallel MTDC-system

I et parallel MTDC-system er flere omdannerstationer, der fungerer som invertorer eller belastningsstationer, forbundet til en enkelt omdannerstation, der fungerer som en rektifier. Denne rektifierstation leverer effekt til hele DC-netværket. Analogt med et parallelt elektrisk kredsløb, forbliver spændingen konstant over alle invertorer eller belastningsstationer, med dens værdi sat af en af omdannerstationerne. Imidlertid varierer strømforbruget ifølge effektbehovet ved hver station. For at opretholde en balanceret strømforførsel, justeres strømmen dynamisk i respons på effektbehovet ved de enkelte belastningsstationer. Generelt har terminalstationerne i et parallel MTDC-system en højere kapacitet end dem i et serie MTDC-netværk.

Parallel MTDC-system (fortsat)

Effektflow reversering i et parallel MTDC-system kan opnås gennem enten spændingsreversering eller strømreversering. Når spændingsreversering anvendes, der typisk associeres med Current Source Converter (CSC)-baserede terminalstationer, har det en indvirkning på alle omdannerstationer. Derfor skal der implementeres et højst avanceret kontrol- og kommunikationssystem mellem disse omdannere for at håndtere denne effekt. På den anden side, hvis effektflow reversering opnås ved hjælp af strømreversering, der ofte associeres med Voltage Source Converter (VSC)-baserede terminalstationer, er processen meget nemmere at udføre. Dette er den primære årsag til, at VSC'er foretrækkes frem for CSC'er i parallelle MTDC-systemer.

I et VSC-baseret MTDC-system, da spændingen forbliver konstant, bestemmes effektkapaciteten af terminalstationen af strømkarakteristika for ventilomdanneren. Denne konfiguration tilbyder en betydelig fordel i henseende til effektflow kontrol inden for DC-netværket. Den kan præcist regulere effektflow ved at injectere strøm i specifikke linjer, hvilket er en mere bekvem tilgang sammenlignet med effekt kontrol mekanismen i serie systemer, der afhænger af spændingskontrol ved hver station.

En af de mest bemærkelsesværdige egenskaber ved det parallelle MTDC-system er dets robusthed over for fejl. Hvis der opstår en fejl i nogen af terminalstationerne, forbliver resten af DC-netværket uforstyrret. Dog kræves en separat DC-bryder for at isolere de specifikke DC-linjer, der er forbundet med den fejlfulde station. Desuden er der ingen behov for at afbryde strømforsyningen under udvidelse af DC-netværket. Dette skyldes, at nye terminalstationer kan installeres parallel med de eksisterende linjer, hvilket sikrer seemless integration uden at forstyrre den igangværende effektdistribution.

En anden fordel ved det parallelle MTDC-system er dets relativt simple isolationssammenhæng sammenlignet med et serie system. På grund af den konstante spænding over netværket, er isolationskravene nemmere at administrere.

Det parallelle MTDC-system kan yderligere inddeles i to kategorier:

Radial MTDC-system

Det radial MTDC-system er en specifik type af parallel MTDC-konfiguration. I denne opsætning vil en afbrydelse i en overførsellinje eller fjernelse af en link føre til afbrydelse af strømforsyningen til en eller flere omdannerstationer. Dette kendetegn gør det radial MTDC-system noget sårbar over for single-point-of-failure-scenarier, da enhver forstyrrelse i overførsellinjen kan have en direkte indvirkning på strømforsyningen til bestemte dele af netværket.

Den vedlagte figur viser en konfiguration, hvor fire inverterstationer er forbundet til en enkelt rektifierstation. I denne opsætning er det tydeligt, at hvis der opstår en afbrydelse i en af linjerne, vil det uundgåeligt føre til afbrydelse af strømforsyningen til mindst en terminalstation. Denne sårbarhed gør det radial MTDC-system mindre pålideligt sammenlignet med Mesh eller Ring type MTDC-systemer.

Mesh (Ring) MTDC-system

I et Mesh eller Ring MTDC-system er inverter (belastnings) stationerne forbundet med en enkelt rektifierstation i en mesh eller ringagtig formation. En af de vigtigste fordele ved denne konfiguration er, at selv hvis der opstår en afbrydelse i en enkelt overførsellinje eller fjernelse af en link, fører det ikke til afbrydelse af strømforsyningen til nogen af inverterstationerne. Den efterfølgende figur viser klart et sådant mesh eller ring MTDC-system. Dette indbyggede robusthed over for linjeafbrud gør det Mesh eller Ring MTDC-system til en mere pålidelig mulighed for effekttransmission og -distribution i visse anvendelser, da det bedre kan klare forstyrrelser og sikre kontinuerlig effektforbrug til de forbundne belastningsstationer.

Som illustreret, i et mesh eller ring-type MTDC-system, vil fjernelse af en enkelt link ikke forstyrre strømforsyningen til nogen omdannerstation. I stedet bliver elektrisk effekt automatisk omdirigeret gennem alternative links inden for netværket. Denne seamless omdirigering er muliggjort af den forbundne natur af mesh eller ring konfigurationen. Det er dog afgørende at bemærke, at disse alternative links skal omhyggeligt designes for at håndtere den øgede effekttransmission, mens man minimere effekttab.

Absencen af effektafbrud i et mesh-type MTDC-system er en betydelig fordel. Det sikrer en kontinuerlig og stabil effektforbrug, selv i ansigtet af uventede linkfejl. Konsekvent tilbyder et parallel forbundet mesh-type MTDC-system superiør pålidelighed sammenlignet med dets parallel forbundet radial-type modpart. Radialsystemets sårbarhed over for effektafbrud på grund af single-link forstyrrelser falder i sammenligning med mesh-systemets robuste evne til at opretholde effektflow under lignende omstændigheder, gør det mesh eller ring-type MTDC-system til en foretrukken valgmulighed for applikationer, hvor uafbrudt effektforbrug er af største vigtighed.