Arten von HGÜ-Systemen und MTDC-Konfigurationen
Hochspannungs-Gleichstrom-Systemkonfigurationen (HVDC)
Hochspannungs-Gleichstrom, kurz HVDC, ist eine sehr effiziente Methode zur langstreckigen Energieübertragung, die den Verlust von elektrischer Energie im Vergleich zur herkömmlichen Wechselstromübertragung (AC) erheblich reduziert. Das HVDC-System kann in verschiedenen Konfigurationen implementiert werden, die jeweils auf spezifische Betriebsanforderungen abgestimmt sind. Dieser Artikel bietet einen prägnanten Überblick über die Haupttypen der HVDC-Systemkonfigurationen.
Back-to-Back-HVDC-Systeme
In einer Back-to-Back (B2B)-HVDC-Konfiguration befinden sich sowohl der Rechteckifier als auch der Inverter, die wesentlichen Komponenten des Umrichters, in derselben Endstation. Diese beiden Umrichterelemente sind direkt Rücken-an-Rücken miteinander verbunden. Die Hauptfunktion dieser Konfiguration besteht darin, zwei getrennte AC-Stromsysteme zu verbinden. Dies wird erreicht, indem der eingehende AC-Strom zunächst durch den Rechteckifier in Gleichstrom umgewandelt und dann sofort durch den Inverter wieder in Wechselstrom zurückverwandelt wird.
Back-to-Back-HVDC-Systeme (Fortsetzung)
Die Back-to-Back-HVDC-Ausstattung ist in einem einzigen Raum installiert und dient dazu, zwei asynchrone AC-Stromsysteme zu verbinden. Da der Rechteckifier und der Inverter direkt Rücken-an-Rücken verbunden sind, ist keine DC-Übertragungsleitung erforderlich. Um die Anzahl der in Serie geschalteten Thyristoren zu minimieren, wird die Zwischengleichspannung bewusst auf einem niedrigen Niveau gehalten. Gleichzeitig kann die Stromstärke dieser Konfiguration mehrere Tausend Ampere betragen.
Diese Art von HVDC-System ist besonders nützlich, um zwei asynchrone AC-Stromsysteme in den folgenden Szenarien zu verbinden:
Zwei-Punkt-HVDC-System
In einer Zwei-Punkt-HVDC-Konfiguration gibt es zwei separate Endstationen, die jeweils als Umrichterstation fungieren. Eine Station beherbergt einen Rechteckifier, während die andere einen Inverter enthält. Diese beiden Endpunkte sind durch eine HVDC-Übertragungsleitung verbunden, was die effiziente Übertragung von elektrischer Energie über lange Distanzen ermöglicht. Diese Anordnung wurde entwickelt, um die Grenzen der traditionellen AC-Übertragung für Langstrecken-Energieübertragung zu überwinden, indem die Vorteile des Gleichstroms genutzt werden, um Energieverluste zu minimieren und die Übertragungseffizienz über weite geografische Gebiete hinweg zu verbessern.
Das Zwei-Punkt-HVDC-System verfügt über eine direkte Verbindung zwischen zwei Punkten ohne parallele Übertragungsleitungen oder Zwischenanschlüsse entlang der Übertragungsleitung. Diese Eigenschaft führt zu seinem alternativen Namen, Punkt-zu-Punkt-Energieübertragung. Es eignet sich ideal für Energieversorgungsanwendungen zwischen zwei geografisch weit voneinander entfernten Standorten.
Einer der bemerkenswerten Vorteile des Zwei-Punkt-HVDC-Systems besteht darin, dass es keinen HVDC-Schalter benötigt. Bei Wartungsarbeiten oder zur Beseitigung von Fehlern können die AC-Schalter auf der AC-Seite verwendet werden, um die DC-Leitung zu deenergieren. Im Vergleich zu DC-Schaltern haben AC-Schalter ein einfacheres Design und sind kostengünstiger, was das Zwei-Punkt-HVDC-System wirtschaftlicher und leichter wartbar macht.
Mehrpunkt-Gleichstrom-System (MTDC)
Das Mehrpunkt-Gleichstrom-System (MTDC) stellt eine komplexere HVDC-Konfiguration dar. Es verwendet mehrere Übertragungsleitungen, um Verbindungen zwischen mehr als zwei Punkten herzustellen. Diese Anordnung besteht aus mehreren Endstationen, von denen jede mit ihrem eigenen Umrichter ausgestattet ist, die alle durch ein Netzwerk von HVDC-Übertragungsleitungen miteinander verbunden sind. Innerhalb dieses Netzes fungieren einige Umrichter als Rechteckifier, die AC-Strom in Gleichstrom umwandeln, während andere als Inverter dienen, die Gleichstrom wieder in Wechselstrom für die Verteilung an Lasten umwandeln. Ein grundlegendes Prinzip des MTDC-Systems ist, dass die gesamte von den Rechteckifier-Stationen gelieferte Leistung der kombinierten Leistung entsprechen muss, die von den Inverter- (Last-)Stationen empfangen wird, um einen ausgeglichenen und effizienten Energiestrom im vernetzten Netzwerk sicherzustellen.
Mehrpunkt-Gleichstrom-System (MTDC) (Fortsetzung)
Das MTDC-Netzwerk ist in Bezug auf seine Flexibilität dem AC-Netz vergleichbar, bietet jedoch einen einzigartigen Vorteil: die Möglichkeit, den Energiestrom innerhalb des verteilten DC-Netzes präzise zu steuern. Allerdings kommt diese verbesserte Funktionalität mit erhöhter Komplexität, was das MTDC-System signifikant komplizierter als eine Zwei-Punkt-HVDC-Konfiguration macht.
In einer MTDC-Anordnung ist es nicht möglich, auf AC-Schalter auf der AC-Seite zu verlassen. Anders als bei einem Zwei-Punkt-System würde der Einsatz eines AC-Schalters das gesamte DC-Netz deenergisieren, anstatt nur die fehlerhafte oder zu warten Leitung zu isolieren. Um dies zu beheben, erfordert das MTDC-System mehrere DC-Schaltgeräte, wie Schalter. Diese spezialisierten DC-Schalter sind so konstruiert, dass sie Schaltkreise sicher deenergisieren oder bestimmte Abschnitte während Wartungsarbeiten oder zur Beseitigung von Fehlern isolieren, um die Stabilität und Zuverlässigkeit des Netzes zu gewährleisten.
Eine wichtige Rolle im MTDC-System spielt die Aufrechterhaltung des Systemgleichgewichts. Der von den Rechteckifier-Stationen gelieferte Gesamtstrom muss genau dem Strom entsprechen, den die Inverter-Stationen verbrauchen. Wenn es zu einem plötzlichen Anstieg der Energiebedarfsrate an einer Inverter-Station kommt, muss die Gleichstromleistung entsprechend angehoben werden, um den erhöhten Bedarf zu decken. Während dieses Prozesses ist es wichtig, sowohl die zugeführte Spannung als auch den Betrieb der Inverter sorgfältig zu überwachen und zu steuern, um Überlastungen zu vermeiden, die zu Systemausfällen führen könnten.
Einer der Hauptvorteile von MTDC-Systemen ist ihre Zuverlässigkeit bei erzwungenen Ausfällen. Im Falle eines unerwarteten Stromausfalls an einer der Erzeugungsstationen kann das System schnell Energie über alternative Umrichterstationen weiterleiten, um die Störung der Gesamtenergieversorgung zu minimieren.
Anwendungen von MTDC
MTDC-Systeme können in zwei primäre Arten unterteilt werden:
Serielles MTDC-System
In einer seriellen MTDC-Konfiguration sind mehrere Umrichterstationen in Serie verbunden, ähnlich wie Bauteile in einer elektrischen Serienschaltung. Ein definierendes Merkmal dieser Anordnung ist, dass der durch jede Umrichterstation fließende Strom identisch bleibt, da er von einer der Stationen festgelegt wird. Die Spannungsabnahme wird jedoch unter den Umrichterstationen verteilt, wobei jede Station einen Teil der Gesamtspannungsabnahme im seriell verbundenen Netzwerk erleidet.
Serielles MTDC-System (Fortsetzung)
Das serielle MTDC-System kann als erweiterte Version des Zwei-Punkt-HVDC-Systems betrachtet werden, das mehrere in Serie verbundene Umrichterstationen integriert, wie in dem beigefügten Diagramm dargestellt. In der Regel haben die Umrichterstationen in einer seriellen MTDC-Anordnung eine geringere Kapazität als die in parallelen MTDC-Systemen verwendeten.
Dieses System verwendet häufig monopolare Gleichstromleitungen, bei denen die Gleichstromleitung nur an einem bestimmten Punkt geerdet ist. Um vor transitorischen elektrischen Überspannungen zu schützen, kann an anderen Punkten entlang der Leitung ein Erdkapazitor als zusätzliche Schutzmaßnahme installiert werden.
Die Isolationskoordination im seriellen MTDC-System stellt aufgrund der variierenden Gleichspannungen an jeder Station erhebliche Herausforderungen dar. Die Energiestromsteuerung im seriellen MTDC-System ist komplexer als die im parallelen MTDC-System. Im parallelen MTDC-System kann der Energiestrom durch das Einspeisen von Strom in bestimmte Leitungen reguliert werden, während in dem seriellen MTDC-System die Energiestromsteuerung auf die Anpassung der Spannung an jeder Endstation angewiesen ist.
Die Umkehrung des Energiestroms in einem seriellen MTDC-System kann mithilfe von Spannungsquellen-Umrichtern (VSC) und Stromquellen-Umrichtern (CSC) leicht erreicht werden. Allerdings wird bei einem Fehler oder geplanten Wartungsarbeiten an einer bestimmten Leitung das gesamte DC-Netz dunkel. Ähnlich wie beim Zwei-Punkt-HVDC-System werden AC-Seiten-Schalter verwendet, um das DC-Netz zu deenergisieren. Die Erweiterung des seriellen MTDC-Systems stellt ebenfalls Schwierigkeiten dar. Die Installation neuer Endstationen erfordert eine vollständige Deenergierung des Netzes, da das ringförmige DC-Netz am Installationspunkt geteilt werden muss, was die Energieversorgung aller anderen Stationen entlang des Pfades stört.
Paralleles MTDC-System
In einem parallelen MTDC-System sind mehrere Umrichterstationen, die als Inverter oder Laststationen fungieren, an eine einzige Umrichterstation als Rechteckifier angeschlossen. Diese Rechteckifier-Station liefert Energie für das gesamte DC-Netz. Analog zu einer parallelen elektrischen Schaltung bleibt die Spannung an allen Inverter- oder Laststationen konstant, wobei ihr Wert von einer der Umrichterstationen festgelegt wird. Im Gegensatz dazu variiert die Stromversorgung je nach Energiebedarf an jeder Station. Um einen ausgeglichenen Stromversorgung zu gewährleisten, wird der Strom dynamisch in Abhängigkeit von den Energieanforderungen der einzelnen Laststationen angepasst. Im Allgemeinen haben die Endstationen in einem parallelen MTDC-System eine höhere Kapazität als die in einem seriellen MTDC-Netzwerk.
Paralleles MTDC-System (Fortsetzung)
Die Umkehrung des Energiestroms in einem parallelen MTDC-System kann durch Spannungs- oder Stromumkehrmethoden erreicht werden. Bei der Verwendung der Spannungskehrmethode, die typischerweise mit Stromquelle-Umrichter (CSC) basierten Endstationen verbunden ist, hat dies Auswirkungen auf alle Umrichterstationen. Daher muss ein hochkomplexes Steuer- und Kommunikationssystem zwischen diesen Umrichtern implementiert werden, um diesen Effekt zu managen. Andererseits, wenn die Energieumkehr durch die Stromumkehrmethode erreicht wird, die oft mit Spannungsquelle-Umrichter (VSC) basierten Endstationen verbunden ist, ist der Prozess viel einfacher auszuführen. Dies ist der Hauptgrund, warum VSCs in parallelen MTDC-Systemen bevorzugt werden.
In einem VSC-basierten MTDC-System bleibt die Spannung konstant, sodass die Leistungsklasse der Endstation durch die Stromstärken des Ventilumrichters bestimmt wird. Diese Konfiguration bietet einen erheblichen Vorteil in Bezug auf die Energiestromsteuerung innerhalb des DC-Netzes. Sie kann den Energiestrom präzise durch das Einspeisen von Strom in bestimmte Leitungen regeln, was ein praktischerer Ansatz im Vergleich zur Energiesteuerung in seriellen Systemen ist, die auf der Spannungssteuerung an jeder Station basieren.
Eines der bemerkenswertesten Merkmale des parallelen MTDC-Systems ist seine Belastbarkeit gegenüber Fehlern. Wenn in einer der Endstationen ein Fehler auftritt, bleibt der Rest des DC-Netzes unbeeinträchtigt. Allerdings ist ein separater DC-Schalter erforderlich, um die spezifischen DC-Leitungen, die mit der defekten Station verbunden sind, zu isolieren. Darüber hinaus ist es bei der Erweiterung des DC-Netzes nicht erforderlich, die Energieversorgung zu unterbrechen. Dies liegt daran, dass neue Endstationen parallel zu den vorhandenen Leitungen installiert werden können, wodurch eine nahtlose Integration ohne Störung der laufenden Energieverteilung gewährleistet wird.
Ein weiterer Vorteil des parallelen MTDC-Systems ist seine relativ einfache Isolationskoordination im Vergleich zu einem seriellen System. Aufgrund der konstanten Spannung im Netzwerk sind die Isolationsanforderungen einfacher zu verwalten.
Das parallele MTDC-System kann in zwei Kategorien unterteilt werden:
Radiales MTDC-System
Das radiale MTDC-System ist eine spezielle Art der parallelen MTDC-Konfiguration. In dieser Anordnung führt ein Bruch in einer Übertragungsleitung oder die Entfernung eines Links zur Unterbrechung der Energieversorgung an einer oder mehreren Umrichterstationen. Diese Eigenschaft macht das radiale MTDC-System etwas anfällig für Einzel-Punkt-Fehler-Szenarien, da jede Störung in der Übertragungsleitung einen direkten Einfluss auf die Energieversorgung bestimmter Teile des Netzes haben kann.
Die beigefügte Abbildung zeigt eine Konfiguration, in der vier Inverter-Stationen an eine einzige Rechteckifier-Station angeschlossen sind. In dieser Anordnung ist offensichtlich, dass ein Bruch in einer der Leitungen zwangsläufig zur Unterbrechung der Energieversorgung an mindestens einer Endstation führt. Diese Verletzlichkeit macht das radiale MTDC-System weniger zuverlässig im Vergleich zu Masch- oder Ring-MTDC-Systemen.
Masch- (Ring-) MTDC-System
In einem Masch- oder Ring-MTDC-System sind die Inverter- (Last-)Stationen in einer Masch- oder Ring-förmigen Anordnung mit einer einzigen Rechteckifier-Station verbunden. Einer der Hauptvorteile dieser Konfiguration ist, dass selbst ein Bruch in einer einzelnen Übertragungsleitung oder die Entfernung eines Links nicht zur Unterbrechung der Energieversorgung an irgendeiner der Inverter-Stationen führt. Die nachfolgende Abbildung illustriert solch ein Masch- oder Ring-MTDC-System klar. Diese inhärente Belastbarkeit gegenüber Leitungsfehlern macht das Masch- oder Ring-MTDC-System zu einer zuverlässigeren Option für die Energieübertragung und -verteilung in bestimmten Anwendungen, da es Störungen besser aushalten und eine kontinuierliche Energieversorgung an die verbundenen Laststationen sicherstellen kann.
Wie in der Abbildung dargestellt, führt die Entfernung eines einzelnen Links in einem Masch- oder Ring-MTDC-System nicht zur Unterbrechung der Energieversorgung an einer Umrichterstation. Stattdessen wird die elektrische Energie automatisch über alternative Links im Netzwerk umgeleitet. Diese nahtlose Umleitung ist durch die vernetzte Natur der Masch- oder Ring-Konfiguration möglich. Es ist jedoch entscheidend, darauf zu achten, dass diese alternativen Links sorgfältig so konzipiert sein müssen, dass sie die erhöhte Energieübertragung bewältigen und gleichzeitig Energieverluste minimieren.
Die Abwesenheit von Energieunterbrechungen im Masch-MTDC-System ist ein bedeutender Vorteil. Es gewährleistet eine kontinuierliche und stabile Energieversorgung, auch in Zeiten unerwarteter Linkausfälle. Folglich bietet ein parallel verbundenes Masch-MTDC-System eine höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zu seinem radial verbundenen Pendant. Die Anfälligkeit des radialen Systems für Stromausfälle aufgrund von Einzel-Link-Störungen steht im krassen Gegensatz zur robusten Fähigkeit des Masch-Systems, den Energiestrom unter ähnlichen Umständen aufrechtzuerhalten, was das Masch- oder Ring-MTDC-System zu einer bevorzugten Wahl für Anwendungen macht, bei denen eine ununterbrochene Energieversorgung von äußerster Wichtigkeit ist.
