Konfiguracije sustava visokonaponskog strujanja (HVDC)

Visokonaponsko strujanje (HVDC) je vrlo učinkovita metoda za prijenos struje na velike udaljenosti, značajno smanjujući gubitke snage u usporedbi s tradicionalnim prijenosom napona promjenjive struje (AC). Sustav HVDC može se implementirati u različitim konfiguracijama, svaka prilagođena specifičnim operativnim zahtjevima. Ovaj članak nudi sažetak glavnih vrsta konfiguracija sustava HVDC.

Sustavi HVDC tipa back-to-back

U konfiguraciji HVDC tipa back-to-back (B2B), rektifikator i inverzor, ključni komponenti pretvarača, smješteni su unutar iste terminalne stanice. Ova dva elementa pretvarača direktno su povezana jedan s drugim. Primarna funkcija ove konfiguracije je spajanje dvaju odvojenih AC sustava snaga. To postiže tako što najprije pretvara dolazni AC napon u DC kroz rektifikator, a zatim brzo transformira DC napon natrag u AC koristeći inverzor.

Sustavi HVDC tipa back-to-back (Nastavak)

Postavljanje HVDC tipa back-to-back instalirano je unutar jedne sobe i služi za povezivanje dvaju asinkronih AC sustava snaga. Zbog direktnog povezivanja rektifikatora i inverzora, ne postoji potreba za DC prijenosnom linijom. Da bi se smanjilo broj tiristora povezanih u seriju, srednji DC napon namjerno se održava na niskoj razini. U međuvremenu, oznaka struje ove konfiguracije može doseći nekoliko tisuća ampera.

Ovaj tip sustava HVDC posebno je koristan za povezivanje dvaju asinkronih AC sustava snaga u sljedećim scenarijima:

• Kada dva AC sustava ili mreže rade na različitim frekvencijama.

• Kada dva sustava imaju istu frekvenciju, ali pokazuju faznu razliku.

Dvosmjerne sustave HVDC

U dvosmjerovoj konfiguraciji HVDC postoje dvije odvojene terminalne stanice, svaka funkcionira kao stanica pretvarača. Jedna stacija sadrži rektifikator, dok druga sadrži inverzor. Ove dvije terminalne stanice povezuju HVDC prijenosna linija, omogućujući učinkoviti prijenos električne energije preko velikih udaljenosti. Ova postavka dizajnirana je da prevaziđe ograničenja tradicionalnog AC prijenosa za prijenos snage na velike udaljenosti, iskoristi prednosti DC struje za smanjenje gubitaka snage i poboljšanje učinkovitosti prijenosa preko velikih geografskih područja.

Dvosmjerov sustav HVDC ima direktan spoj između dvije točke bez paralelnih prijenosnih linija ili međuprijedaja duž prijenosne linije. Ova karakteristika daje njegovu alternativnu nazivu, točka-do-točka prijenos snage. Idealno je prilagođen primjeni u opskrbama snage između dvije lokacije koje su geografski udaljene jedna od druge.

Jedan od značajnih prednosti dvosmjerovog sustava HVDC jest nedostatak potrebe za HVDC prekidnikom. U slučaju održavanja ili otklanjanja grešaka, AC prekidnici na AC strani mogu se koristiti za deenergiziranje DC linije. U usporedbi s DC prekidnicima, AC prekidnici imaju jednostavniju konstrukciju i niže troškove, čime se dvosmjerov sustav HVDC čini ekonomičnijim i lakšim za održavanje.

Višesmjerov DC (MTDC) sustav

Višesmjerov DC (MTDC) sustav predstavlja složeniju konfiguraciju HVDC. Koristi više prijenosnih linija za postavljanje veza između više od dvije točke. Ova postavka sastoji se od nekoliko terminalnih stanica, svaka opremljena svojim pretvaračem, sve su povezane mrežom HVDC prijenosnih linija. Unutar ove mreže, neki pretvarači funkcioniraju kao rektifikatori, pretvarajući AC struju u DC, dok drugi funkcioniraju kao inverzori, pretvarajući DC struju natrag u AC za distribuciju opterećenjima. Temeljno načelo MTDC sustava je da ukupna snaga dostavljena od strane rektifikatorskih stanica mora biti jednaka kombiniranoj snazi primljenoj od strane inverzorskih (opterećenja) stanica, osiguravajući ravnotežu i učinkoviti tok snage unutar povezane mreže.

Višesmjerov DC (MTDC) sustav (Nastavak)

MTDC mreža analogni je AC mreži u pogledu fleksibilnosti, ali nudi jedinstvenu prednost: mogućnost preciznog upravljanja tokom snage unutar distribuirane DC mreže. Međutim, ova poboljšana funkcionalnost dolazi uz cijenu povećane složenosti, čime se MTDC sustav čini značajno složenijim od dvosmjerovog sustava HVDC.

U postavci MTDC, ovisnost o AC prekidnicima na AC strani nije moguća. Na razliku od dvosmjerovog sustava, korištenje AC prekidnika deenergizirao bi cijelu DC mrežu umjesto samo izolacije krive ili tražene linije za održavanje. Da bi se to riješilo, MTDC sustav zahtijeva više DC uređaja za sklopnu tehniku, poput prekidnika. Ovi specijalizirani DC prekidnici dizajnirani su za sigurno deenergiziranje krugova ili izolaciju specifičnih dijelova tijekom održavanja operacija ili otklanjanja grešaka, osiguravajući stabilnost i pouzdanost mreže.

Održavanje ravnoteže sustava ključno je u MTDC sustavu. Ukupan struja dostavljen od strane rektifikatorskih stanica mora točno odgovarati strujnom potrošnji inverzorskih stanica. Kada dođe do naglog porasta potražnje za snagom bilo kojeg inverzorskog stanica, DC snaga mora se odgovarajuće povećati kako bi zadovoljila povećano opterećenje. Tijekom ovog procesa, važno je pažljivo nadgledati i kontrolirati dostavljeni napon i rad inverzora kako bi se spriječilo preopterećenje, što bi moglo dovesti do propala sustava.

Jedna od ključnih prednosti MTDC sustava jest njihova pouzdanost tijekom prisilnih isključivanja. U slučaju neočekivanog pada snage na jednoj od generacijskih stanica, sustav može brzo preusmjeriti snagu kroz alternative stanice pretvarača, minimizirajući prekid opće opskrbe snage.

Primjene MTDC

• Integracija obnovljivih izvora energije: Omogućuje povezivanje više DC baziranih farmi obnovljivih izvora energije s različitim mrežama snaga, omogućujući učinkovitu distribuciju čiste energije.

• Snaga vjetra s otoka: Omogućuje povezivanje više farmi vjetra s otoka s mrežom snaga na obali, prevazilazeći izazove vezane uz prijenos velikih količina snage na velike udaljenosti s udaljenih lokacija s otoka.

• Prijevod velikih količina snage: Omogućuje prijevod velikih količina snage s više udaljenih AC generirajućih stanica na više centara opterećenja, optimizirajući distribuciju snage preko velikih regija.

• Mrežno povezivanje: Dозволяє заједниче повезивање између два асинхронна система АЦ електричне мреже, подобљавајући стабилност и могућности размене снаге.

• Ponovno raspoređivanje opskrbe snage: Omogućuje ponovno raspoređivanje opskrbe snage u slučaju propala snage na pojedinačnim generirajućim stanicama, osiguravajući neprekidnu dostavu snage potrošačima.

• Podrška AC mreži: Može pružiti dodatnu snagu teško opterećenim AC mrežama korištenjem jednog rektifikatora i više inverzora za ubacivanje snage u AC mrežu, olakšavajući prepunjenost i poboljšavajući ukupnu performansu mreže.

• Fleksibilno ispunjivanje snage: Nudi fleksibilnost u ispunjivanju snage na više točaka unutar mreže, prilagođavajući se različitim zahtjevima za snagom i zahtjevima za distribucijom.

MTDC sustavi mogu se klasificirati u dvije glavne vrste:

Serijalni MTDC sustav

U serijalnoj konfiguraciji MTDC, više stanica pretvarača povezanih je u seriju, poput komponenti u električnom serijskom krugu. Definicirajuća karakteristika ove postavke jest da struja koja teče kroz svaku stanicu pretvarača ostaje identična, jer je postavljena od strane jedne od stanica. Međutim, pad napona je distribuiran između stanica pretvarača, gdje svaka stanica iskušava dio ukupnog pada napona u serijski povezanoj mreži.

Serijalni MTDC sustav (Nastavak)

Serijalni MTDC sustav može se smatrati proširenom verzijom dvosmjerovog sustava HVDC, uključujući više stanica pretvarača povezanih u seriju, kao što je prikazano na priloženom dijagramu. Obično, stancije pretvarača u serijalnoj postavci MTDC imaju manju kapacitetnost u usporedbi s onima korištenim u paralelnim sistemima MTDC.

Ovaj sustav obično koristi monopolne DC veze, gdje je DC linija zemljen na samo jednu specifičnu točku. Za zaštitu od privremenih elektromagnetskih talasa, može se instalirati kondenzator zemljenja na drugim točkama duž linije kao dodatna zaštita.

Izolacijska koordinacija u serijalnom sustavu MTDC predstavlja značajne izazove zbog varijabilnih DC napona na svakoj stanici. Mekhanizam kontrole toka snage u serijalnom sustavu MTDC je složeniji u usporedbi s paralelnim sustavom MTDC. U paralelnom sustavu MTDC, tok snage može se regulirati ubacivanjem struje u specifične linije, dok u serijalnom sustavu MTDC kontrola toka snage temelji se na prilagodbama napona na svakoj terminalnoj stanici.

Obrtanje toka snage u serijalnom sustavu MTDC lako se može postići korištenjem pretvarača izvora napona (VSC) i pretvarača izvora struje (CSC). Međutim, kada dođe do greške ili planiranog održavanja određene linije, cijela DC mreža doživiće crnu energiju. Slično dvosmjerovom sustavu HVDC, koriste se prekidnici na AC strani za deenergiziranje DC mreže. Proširenje serijalnog sustava MTDC također predstavlja teškoće. Instalacija novih terminalnih stanica zahtijeva potpunu crnu energiju mreže, jer se prstenasta DC mreža mora razdvojiti na točki instalacije, prekidajući opskrbu snage svim ostalim stanicama duž puta.

Paralelni MTDC sustav

U paralelnom sustavu MTDC, više stanica pretvarača koje funkcioniraju kao inverzori ili stanice opterećenja povezane su s jednom stanicom pretvarača koja funkcionira kao rektifikator. Ova stacija rektifikatora opskrbljuje cijelu DC mrežu. Analogno paralelnom električnom krugu, napon ostaje konstantan na svim inverzorskim ili stanici opterećenja, s njegovom vrijednošću postavljenu od strane jedne od stanica pretvarača. U suprotnosti, prijenos struje varira prema potrebama snage na svakoj stanici. Za održavanje ravnoteže prijenosa struje, struja se dinamički prilagođava u odgovoru na potrebe snage pojedinačnih stanica opterećenja. Općenito, terminalne stanice u paralelnom sustavu MTDC imaju veću kapacitetnost od onih u serijalnoj mreži MTDC.

Paralelni MTDC sustav (Nastavak)

Obrtanje toka snage u paralelnom sustavu MTDC može se postići kroz obrtanje napona ili obrtanje struje. Kada se koristi obrtanje napona, što se obično povezuje s terminalnim stanicama temeljenim na pretvaraču izvora struje (CSC), to utječe na sve stanicu pretvarača. Stoga, mora se implementirati vrlo sofisticirani sustav upravljanja i komunikacije među ovim pretvaračima za upravljanje ovim efektom. S druge strane, ako se obrtanje snage postigne korištenjem metode obrtanja struje, što se često povezuje s terminalnim stanicama temeljenim na pretvaraču izvora napona (VSC), postupak je mnogo jednostavniji za izvršenje. To je glavni razlog zašto se VSC-ovi preferiraju nad CSC-ovima u paralelnim sustavima MTDC.

U sustavu MTDC temeljenom na VSC-u, budući da napon ostaje konstantan, snaga terminalne stanice određuje se oznakama struje ventilatora pretvarača. Ova konfiguracija nudi značajnu prednost u pogledu upravljanja tokom snage unutar DC mreže. Može točno regulirati tok snage ubacivanjem struje u specifične linije, što je ugodniji pristup u usporedbi s mehanizmom upravljanja snage u serijalnim sustavima koji se oslanjaju na upravljanje napona na svakoj stanici.

Jedna od najznačajnijih značajki paralelnog sustava MTDC jest njegova otpornost na greške. Ako dođe do greške u bilo kojoj od terminalnih stanica, ostatak DC mreže ostaje nepritrpan. Međutim, za izolaciju specifičnih DC linija povezanih s oštećenom stanicom, potreban je odvojen DC prekidnik. Također, tijekom proširenja DC mreže, nema potrebe za prekidom opskrbe snage. To je zato što nove terminalne stanice mogu se instalirati paralelno s postojećim linijama, osiguravajući bezprekidnu integraciju bez prekida opskrbe snage.

Još jedna prednost paralelnog sustava MTDC jest relativno jednostavna izolacijska koordinacija u usporedbi s serijalnim sustavom. Budući da napon ostaje konstantan unutar mreže, zahtjevi za izolacijom su jednostavniji za upravljanje.

Paralelni sustav MTDC može se dalje klasificirati u dvije kategorije:

Radijalni MTDC sustav

Radijalni MTDC sustav je specifična vrsta paralelne konfiguracije MTDC. U ovoj postavci, ako dođe do prekida u prijenosnoj liniji ili uklanjanja jedne veze, dobit će do prekida opskrbe snage jedne ili više stanica pretvarača. Ova karakteristika čini radijalni MTDC sustav nešto ranjivim na scenarije s jednim točkom otkaza, jer bilo kakav prekid u prijenosnoj liniji može imati direktni utjecaj na opskrbu snage određenih dijelova mreže.

Prikazana figura prikazuje konfiguraciju u kojoj su četiri inverzorske stanice povezane s jednom stanicom rektifikatora. U ovoj postavci jasno je da ako dođe do prekida u bilo kojoj od linija, to neizborno dovesti će do prekida opskrbe snage barem jedne terminalne stanice. Ova ranjivost čini radijalni MTDC sustav manje pouzdanim u usporedbi s mrežnim ili prstenastim MTDC sustavima.

Mrežni (Prstenasti) MTDC sustav

U mrežnom ili prstenastom sustavu MTDC, stanice inverzora (opterećenja) povezane su s jednom stanicom rektifikatora u mrežnom ili prstenastom obliku. Jedna od ključnih prednosti ove konfiguracije jest da čak i ako dođe do prekida u jednoj prijenosnoj liniji ili uklanjanja jedne veze, to ne dovodi do prekida opskrbe snage bilo koje od stanica inverzora. Sljedeća figura jasno ilustrira takav mrežni ili prstenasti sustav MTDC. Ova intrinzična otpornost na prekide linija čini mrežni ili prstenasti sustav MTDC pouzdanim izborom za prijenos i distribuciju snage u određenim primjenama, jer može bolje podnijeti prekide i osigurati neprekidnu opskrbu snage povezanim stanicama opterećenja.

Kao što je prikazano, u mrežnom ili prstenastom sustavu MTDC, uklanjanje bilo koje jedne veze ne prekida opskrbu snage bilo koje stanice pretvarača. Umjesto toga, električna snaga automatski se preusmjerava putem alternativnih veza unutar mreže. Ovo bezprekidno preusmjeravanje omogućeno je povezanosti mrežnog ili prstenastog oblika. Međutim, važno je napomenuti da se ove alternativne veze moraju pažljivo dizajnirati kako bi nosile povećan prijenos snage uz minimalne gubitke snage.

Nepostojanje prekida opskrbe snage u mrežnom sustavu MTDC jest značajna prednost. Osigurava neprekidnu i stabilnu opskrbu snage, čak i u situacijama neočekivanih prekida veza. Stoga, paralelno povezani mrežni sustav MTDC nudi superiornu pouzdanost u usporedbi s paralelno povezanom radijalnom vrstom. Ranjivost radijalnog sustava na prekide snage zbog prekida jedne veze pale u usporedbi s robustnom sposobnošću mrežnog sustava da održi tok snage u sličnim okolnostima, čineći mrežni ili prstenasti sustav MTDC preferiranim izborom za primjene gdje je neprekidna dostava snage od presudne važnosti.