Kõrgepinge suunduvvoolu (HVDC) süsteemide konfiguratsioonid

Kõrgepinge suunduvvool, tavaliselt lühendatud kui HVDC, on väga efektiivne viis kaugkauguseks elektri edastamiseks, mis võrdluseks traditsioonilise vaikepinge (AC) edastamisega oluliselt vähendab energia kadumist. HVDC-süsteemi saab rakendada erinevates konfiguratsioonides, mõeldes igasuguste operatsiooniliste nõuetega. See artikkel annab ülevaate peamiste HVDC-süsteemi konfiguratsioonide üle.

Tagakülje HVDC-süsteemid

Tagakülje (B2B) HVDC-konfiguratsioonis asuvad kõrgepinge suunduvvoolu tehisest AC-st DC-ks teisendava rektifikaator ja sellest jällegi AC-ks teisendav inverter, mis on muunduri olulised osad, sama terminaljaamas. Need kaks muundurile vastavaid elementi on otse üksteisega tagakülje suunas ühendatud. Selle konfiguratsiooni peamine funktsioon on ühendada kaks eraldi AC-elektrivõrku. See saavutatakse selle kaudu, et tuleva AC-elektri esmalt rektifikaatori abil teisendatakse DC-ks ja seejärel inverteri abil kiiresti uuesti AC-ks.

Tagakülje HVDC-süsteemid (jätk)

Tagakülje HVDC-seade paigaldatakse ühe ruumi sees ja selle eesmärk on ühendada kaks asünkroonset AC-elektrivõrku. Kuna rektifikaator ja inverter on otse üksteisega tagakülje suunas ühendatud, ei ole vaja DC-edastusliini. Tehnikute arvustamiseks, kes tahavad vähendada sarjas ühendatud taiskondade arvu, hoidetakse vahepealset DC-pinget madalal tasemel. Samas võib selle konfiguratsiooni ströö kirjeldada mitme tuhande amperiga.

See tüüp HVDC-süsteemi on eriti kasulik järgmistel juhtudel, kui on vaja ühendada kaks asünkroonset AC-elektrivõrku:

• Kui kaks AC-süsteemi või võrk toimivad erinevatel sagedustel.

• Kui kaks süsteemi toimivad samal sagedusel, kuid näitavad fasi diferentsi.

Kahepoolne HVDC-süsteem

Kahepoolse HVDC-konfiguratsiooni puhul on olemas kaks erinevat terminaljaama, mõlemad töötades muundurite jaama kui. Ühes jaamas asub rektifikaator, teises aga inverter. Need kaks terminali on HVDC-edastusliiniga ühendatud, mis võimaldab efektiivselt edastada elektrit pikadel kaugustel. See seadistus on mõeldud selleks, et ületada traditsioonilise AC-edastuse piiranguid pikale kaugusele energiategemiseks, kasutades DC-elektri eelistele, et vähendada energiakadumist ja tõsta edastamise efektiivsust laia geograafilise ala kaudu.

Kahepoolne HVDC-süsteem omab otsest ühendust kahe punkti vahel ilma paralleelsed edastusliinid või pooltükid liini kohal. See omadus andis selle alternatiivse nime, punkt-punkt edastus. See sobib ideaalselt elektri tarnimiseks kahe geograafiliselt kaugel asuva asukoha vahel.

Üks kahepoolse HVDC-süsteemi silmapaistvaid eeli on selle nõue puudumine HVDC-lülitiku poolest. Hoolduse ajal või kui tekib vajadus vea likvideerimiseks, saab AC-lülitikke AC-poolt kasutada, et deenergeerida DC-liin. Võrreldes DC-lülitikuga, on AC-lülitikud lihtsamalt disainitud ja odavamad, mis muudab kahepoolse HVDC-süsteemi majandlikumaks ja hooldamiseks lihtsamaks.

Mitme terminaliga DC (MTDC) süsteem

Mitme terminaliga DC (MTDC) süsteem esindab keerulisemat HVDC-konfiguratsiooni. See kasutab mitmeid edastusliine, et luua ühendusi rohkem kui kahe punkti vahel. See seadistus koosneb mitmest terminaljaamast, mõlemad omaenda muunduriga, kõik ühendatud HVDC-edastusliinide võrgu kaudu. Selle võrgu raames toimivad mõned muundurid rektifikaatorina, teisendades AC-elektri DC-ks, teised aga inverterina, teisendades DC-elektri uuesti AC-ks, et jagada seda tarbijatele. MTDC-süsteemi põhiline printsiip on, et kogu rektifikaatorite poolt tarnitud võimsus peab võrduma kogu inverterite (koormuse) poolt vastuvõetud võimsusega, tagades tasakaalustatud ja efektiivse võimsuse edastamise ühenduses olevas võrgus.

Mitme terminaliga DC (MTDC) süsteem (jätk)

MTDC-võrk on analoogiline AC-võrguga oma paindlikkuse poolest, kuid tal on ainulaadne eelis: võimsuse edastuse täpne kontroll DC jaotusvõrgus. Siiski tuleb selle parandatud funktsionaalsuse eest maksta suurema keerukusega, mis muudab MTDC-süsteemi oluliselt keerulisemaks kui kahepoolne HVDC-konfiguratsioon.

MTDC-seadmes ei ole võimalik sõltuda AC-lülitikutest AC-poolt. Kahepoolse süsteemi puhul, AC-lülitiku kasutamine deenergeeriks terve DC-võrgu, mitte ainult veaga või hoolduseks vajaliku liini. Selle lahendamiseks nõuab MTDC-süsteem mitmeid DC-lülitikkomponente, nagu lülitikud. Need spetsialiseeritud DC-lülitikud on disainitud selleks, et ohutult deenergeerida tsirkuite või isoleerida konkreetseid segmente hoolduse ajal või vea likvideerimisel, tagades võrgu stabiilsuse ja usaldusväärsuse.

Süsteemi tasakaalu säilitamine on MTDC-süsteemis oluline. Rektifikaatorite poolt tarnitud koguströöm peab täpselt vastama inverterite poolt tarbitavale ströömile. Kui mingi inverterite jaama poolt toimub ootamatult võimsuse nõude tõus, tuleb DC-võimsuse väljund vastavalt tõsta, et rahuldada suurendunud koormust. Sel protsessi käigus on oluline jälgida ja kontrollida täpselt tarnitavat pinget ning inverterite toimimist, et vältida ülekoormust, mis võib põhjustada süsteemikahju.

Üks MTDC-süsteemide peamistest tugevustest on nende usaldusväärsus sunniviivatel katkestustel. Olukorras, kui ühel tootmisjaamal toimub ootamatu energiakatkestus, saab süsteem kiiresti ümber suunata energiat teiste muunduri jaamate kaudu, vähendades üldise energiakatkestuse mõju.

MTDC-rakendused

• Taastuvenergia integreerimine: Toetab mitme DC-aluse taastuvenergia farmi ühendamist erinevatele võrkudele, lubades efektiivset puhta energiaga varustamist.

• Merereostus: Lubab ühendada mitme mere tuuleparki maapinnase võrguga, ületades raskusi, mis seostuvad suure energiahulga edastamisega pikalt kaugusele merelt.

• Suurte energiahulkade edastamine: Lubab edastada suurt energiahulka mitmest kaugel asuvalt AC-tootmisjaamast mitmele tarbijakeskusele, optimiseerides energiaga varustamist laia ala kaudu.

• Võrgude ühendamine: Lubab ühendada kaks asünkroonset AC-elektrivõrku, tugevdades võrgu stabiilsust ja suurendades energiavahetuse võimet.

• Energia uuesti jagamine: Lubab energiaga varustamise uuesti jagamist, kui üks tootmisjaamal toimub katkestus, tagades jätkuva energiaga varustamise tarbijatele.

• AC-võrgu toetamine: Võib lisada lisaelektrit raskeks ladunud AC-võrkudele, kasutades ühte rektifikaatorit ja mitut inverterit, et sisestada energiat AC-võrgusse, vähendades tihedust ja parandades üldist võrguomadust.

• Kaugusega varustamine: Pakub võimalust energiaga varustada mitmel punktil võrgus, kohandudes mitmekesistele energianõudlustele ja jagamisnõudlustele.

MTDC-süsteeme saab kategoriseerida kahesse peamisse tüüpi:

Järjestikune MTDC-süsteem

Järjestikuses MTDC-konfiguratsioonis on mitmed muunduri jaamad ühendatud järjestikuses, nagu komponendid elektrilises järjestikuses. Selle seadistuse definitsiooniline omadus on, et iga muunduri jaam läbib sama ströömi, mille seab üks neist jaamatest. Siiski on pingevahetus jaotatud muunduri jaamade vahel, iga jaam kogedes osa kogu järjestikuse võrgu pingevahetusest.

Järjestikune MTDC-süsteem (jätk)

Järjestikune MTDC-süsteem võib tõlgendada kui kahepoolse HVDC-süsteemi pikendatud versioon, mis sisaldab mitmeid järjestikuseks ühendatud muunduri jaama, nagu illustreerib kaasasolev joonis. Tavaliselt on järjestikuse MTDC-seadmes muunduri jaamadel väiksem kapasiteet, kui paralleelses MTDC-süsteemis.

See süsteem kasutab tavaliselt monopoolaarseid DC-sideid, kus DC-liin on maadetud ainult ühe kindla punkti kaudu. Transientlike elektriliikumiste vastu kaitseks saab teistes punktides liini kohal paigaldada maadamispindu kui lisakaitsemeetod.

Järjestikuse MTDC-süsteemi pingeisolaatorite koordineerimine on oluline väljakutse, kuna iga jaama DC-pinged on erinevad. Järjestikuse MTDC-süsteemi võimsuse edastuse kontrollimehhanism on keerulisem, kui paralleelses MTDC-süsteemis. Paralleelses MTDC-süsteemis saab võimsuse edastust reguleerida konkreetsetesse liinidesse sissetoome ströömi kaudu, kuid järjestikuses MTDC-süsteemis sõltub võimsuse edastuse kontroll iga terminaljaama pingest.

Järjestikuse MTDC-süsteemi võimsuse edastuse pööramine on võimalik nii Voltage Source Converter (VSC) kui ka Current Source Converter (CSC) abil. Kui siiski tekib vigane või hoolduseks vajalik liin, siis kogu DC-võrk kannameetmete ajal kaotab energiaga varustamise. Sarnaselt kahepoolse HVDC-süsteemiga kasutatakse AC-poolt lülitikke, et deenergeerida DC-võrku. Järjestikuse MTDC-süsteemi laiendamine on ka keeruline. Uute terminaljaamade paigaldamisel tuleb kogu võrgu deenergeerida, kuna ringi kujuline DC-võrk tuleb paigalduspunkti kohal lõigata, lõpetades energiaga varustamise kõigile teistele jaamadele sellel teel.

Paralleelsed MTDC-süsteemid

Paralleelses MTDC-süsteemis on mitmed muunduri jaamad, mis toimivad inverterina või koormuse jaamana, ühendatud ühele muunduri jaamale, mis toimib rektifikaatorina. See rektifikaatoritööd tegev jaam tarnib energiat kogu DC-võrgu. Analoogselt paralleelsele elektrilisele tsirkuitile, on pinge konstantne kõigis inverteri või koormuse jaamades, mille väärtus seatud ühe muunduri jaama kaudu. Ströömi tarnimine muutub vastavalt iga jaama energianõudmisele. Et säilitada tasakaalustatud ströömi tarnimist, tuleb ströömi dünaamiliselt reguleerida vastavalt iga koormuse jaama nõudmisele. Tavaliselt on paralleelses MTDC-süsteemis terminaljaamadel suurem kapasiteet, kui järjestikuses MTDC-võrgus.

Paralleelsed MTDC-süsteemid (jätk)

Paralleelses MTDC-süsteemis võib võimsuse edastuse pöörama kas pingereversaal või ströömereversaal meetodiga. Pingereversaal, mis tavaliselt seostatakse Current Source Converter (CSC) -põhiste terminaljaamade kasutamisega, mõjutab kõiki muunduri jaama. Seetõttu tuleb need muundurid vahel implementeerida tugevat kontrolli ja suhtlemissüsteemi, et hallata seda mõju. Kui aga võimsuse edastuse pööramine toimub ströömereversaal meetodiga, mis tavaliselt seostatakse Voltage Source Converter (VSC) -põhiste terminaljaamade kasutamisega, siis protsess on palju lihtsam. See on peamine põhjus, miks VSC-d on eelistatud CSC-dele paralleelses MTDC-süsteemis.

VSC-põhises MTDC-süsteemis, kuna pinge on konstantne, määratakse terminaljaama võimsusväärtus muunduri ströömi väärtuse kaudu. See seadistus pakub olulist eelist võimsuse edastuse kontrolli DC-võrgus. See võimaldab täpset võimsuse edastuse kontrolli, sisetades ströömi konkreetsetesse liinidesse, mis on mugavam meetod, kui järjestikuses süsteemides, kus sõltuvad iga terminaljaama pingest.

Üks paralleelse MTDC-süsteemi silmapaistvamaid omadusi on selle vastupidavus vigade vastu. Kui mingi terminaljaamal tekib viga, ei mõjuta see ülejäänud DC-võrgu. Siiski, et isoleerida vigase terminaljaama seotud konkreetseid DC-liine, on vaja eraldi DC-lülitikku. Lisaks, DC-võrgu laiendamisel ei pea energiaga varustamist lõpetama. See selgitub selle kaudu, et uued terminaljaamad saavad paigaldada paralleelselt olemasolevate liinidega, tagades sileda integreerimise ilma energiaga varustamise katkestamiseta.

Paralleelse MTDC-süsteemi teine eel on selle suhteliselt lihtne pingeisolaatoride koordineerimine, võrreldes järjestikuse süsteemiga. Konstantne pinge kogu võrgus muudab insuleerimisnõuded lihtsamaks haldada.

Paralleelse MTDC-süsteemi saab edasi kategoriseerida kaheks tüübiks:

Radiaalne MTDC-süsteem

Radiaalne MTDC-süsteem on konkreetne paralleelse MTDC-konfiguratsioon. Sellisel seadistusel, kui tekib katkestus edastusliinil või eemaldatakse üks side, siis see viib energia tarnimise katkestumiseni ühe või mitme muunduri jaama. See omadus muudab radiaalse MTDC-süsteemi natuke haavatavaks ühe punkti kaudu toimuvate katkestuste suhtes, kuna edastusliini katkestus võib olla otsene mõju teatud osadele võrgust.

Antud joonis näitab konfiguratsiooni, kus neljat inverteri jaama on ühendatud ühe rektifikaatori jaamaga. Selles seadistuses on selge, et kui mingi liin katkeb, siis see viib energia tarnimise katkestumiseni vähemalt ühe terminaljaama. See haavatavus muudab radiaalse MTDC-süsteemi vähem usaldusväärse, kui võrrelda Mesh või Ring tüüpi MTDC-süsteemidega.

Mesh (Ring) MTDC-süsteem

Mesh või Ring MTDC-süsteemis on inverteri (koormuse) jaamad ühendatud ühe rektifikaatori jaamaga mesh või ringi kujul. Üks selle konfiguratsiooni peamistest eelistest on, et isegi kui tekib katkestus ühes edastusliinis või eemaldatakse üks side, siis see ei vii energia tarnimise katkestumiseni ühegi inverteri jaama. Järgnev joonis selgesti näitab sellist mesh või ringi MTDC-süsteemi. See endine vastupidavus liinide vigade vastu muudab Mesh või Ring MTDC-süsteemi usaldusväärsemaks valikuna teatud rakendustes, kuna see suudab paremini vastu kannatada katkestustel ja tagada jätkuva energia tarnimise ühendatud koormuse jaamadele.

Nagu näha, mesh või ringi tüübilisel MTDC-süsteemil ei vii üksiku linki eemaldamine energia tarnimise katkestumiseni ühegi muunduri jaama. Selle asemel suunatakse elekter automaatselt alternatiivsete linkide kaudu võrgus. See sileda suunamise võimaldab mesh või ringi konfiguratsiooni ühendatud olemus. Siiski on oluline, et need alternatiivsed linkid tuleb hoolikalt disaineerida, et hõlmata suuremat energiatransmiidi ja vähendada energiakadumist.

Energia tarnimise katkestumiste puudumine mesh tüübilisel MTDC-süsteemil on oluline eel. See tagab jätkuva ja stabiilse energia tarnimise, isegi ootamatute linkide vigade korral. Seega, paralleelselt ühendatud mesh tüübilisel MTDC-süsteemil on suurem usaldusväärsus, kui paralleelselt ühendatud radiaalsel tüübilisel. Radiaalne süsteem, mis on haavatav energia tarnimise katkestuste vastu ühe linki vigade tõttu, on võrreldes meshi süsteemiga, mis suudab paremini säilitada energia tarnimist sarnastes olukordades, muudab mesh või ringi tüübilise MTDC-süsteemi eelistatavamaks valikuna rakendustes, kus jätkuv energia tarnimine on kriitiline.