Magfeszültségi egyirányú áramrendszer (HVDC) konfigurációi

A magfeszültségi egyirányú áram, röviden HVDC, nagyon hatékony módszer a hosszú távú energiaátvitelre, jelentősen csökkentve az erőteljes veszteségeket a hagyományos váltóirányú (AC) átadással szemben. Az HVDC rendszert különböző konfigurációkban lehet megvalósítani, mindegyik specifikus működési követelményekhez igazodva. Ez a cikk összefoglalást ad a főbb HVDC rendszer konfigurációiról.

Vissza-vissza (B2B) HVDC rendszerek

A vissza-vissza (B2B) HVDC konfigurációban a fő elemek, a rektifikátor és az inverter, amelyek a konvertáló alapvető komponensei, ugyanazon a terminálállomáson találhatók. Ezek a két konvertáló elem közvetlenül kapcsolódik egymáshoz. Ez a konfiguráció elsősorban két különálló AC villamosenergia rendszer összekötésére szolgál. Ezt úgy éri el, hogy először az érkező AC energiát DC-re alakítja a rektifikátoron keresztül, majd azonnal visszaalakítja a DC energiát AC-re az inverterrel.

Vissza-vissza HVDC rendszerek (Folytatás)

A vissza-vissza HVDC beállítás egyetlen szobában van telepítve, és két aszinkron AC villamosenergia rendszert köti össze. A rektifikátor és az inverter közvetlen vissza-vissza kapcsolata miatt nincs szükség DC átmeneti vonalra. A thyristorok sorba kapcsolt számának minimalizálása érdekében a középső DC feszültséget szándékosan alacsony szinten tartják. Ugyanakkor ez a konfiguráció több ezer amperes áramerősséggel is rendelkezhet.

Ez a típusú HVDC rendszer különösen hasznos két aszinkron AC villamosenergia rendszer összekapcsolásához a következő esetekben:

• Ha a két AC rendszer vagy hálózat különböző frekvencián működik.

• Ha a két rendszer ugyanolyan frekvencián működik, de fáziseltérést mutat.

Kétterminális HVDC rendszer

A kétterminális HVDC konfigurációban két különböző terminálállomás van, amelyek mindegyike konvertáló állomásként működik. Az egyik állomásban található a rektifikátor, a másikban pedig az inverter. Ezek a két terminál HVDC átmeneti vonallal vannak összekapcsolva, ami lehetővé teszi a hatékony elektronszármazék átadását hosszú távon. Ez a beállítás arra szolgál, hogy legyenek túlélve a hagyományos AC átadás korlátai a hosszú távú energiaátvitelre, kihasználva a DC energiának előnyeit a veszteségek minimalizálására és a hatalmas földrajzi területeken történő átadási hatékonyság javítása érdekében.

A kétterminális HVDC rendszer közvetlen kapcsolatot biztosít két pont között, anélkül, hogy párhuzamos átmeneti vonalak lennének vagy köztes tap-ok lennének az átmeneti vonalon. Ez a jellemző adta neki a "point-to-point" energiaátviteli alternatív nevét. Ideálisan alkalmas olyan energiaellátási alkalmazásokra, amelyek két földrajzilag távolról fekvő hely között zajlanak.

Az egyik jelentős előnye a kétterminális HVDC rendszernek, hogy nem szükséges HVDC áramköri szakító. Karbantartási munkák vagy hibák megszüntetésekor az AC oldali áramköri szakítókat lehet felhasználni a DC vonal lekapcsolására. Az AC áramköri szakítók képest a DC áramköri szakítók egyszerűbbek a szerkezetükben és olcsóbbak, ami a kétterminális HVDC rendszert gazdaságosabbá és könnyebb karbantartásúvá teszi.

Többterminális DC (MTDC) rendszer

A Többterminális DC (MTDC) rendszer egy bonyolultabb HVDC konfigurációt jelent. Több átmeneti vonallal hoz létre kapcsolatot több mint két pont között. Ez a beállítás több terminálállomást tartalmaz, amelyek mindegyike saját konvertálójával rendelkezik, mindannyian egy HVDC átmeneti vonal hálózaton keresztül összekapcsolva. Ez a hálózatban néhány konvertáló rektifikátorként működik, az AC energiát DC-re alakítva, míg mások inverterként működnek, a DC energiát visszaalakítva AC-ra a terhelésekhez való elosztásra. Az MTDC rendszer alapvető elve, hogy a rektifikátorállomások által nyújtott teljes energia egyenlő kell, hogy legyen a kombinált energiával, amelyet az inverter (terhelés) állomások fogadnak, így biztosítva egyensúlyt és hatékony energiatovábbítást a hálózatban.

Többterminális DC (MTDC) rendszer (Folytatás)

Az MTDC hálózat rugalmassága tekintetében hasonló az AC hálózathoz, de egyedi előnnyel rendelkezik: a DC elosztott hálózaton belüli energiaáramlás pontos irányítása. Azonban ez a fejlett funkció növekedett összetettséggel jár, ami azt eredményezi, hogy az MTDC rendszer jelentősen bonyolultabb, mint a kétterminális HVDC konfiguráció.

Az MTDC beállításban az AC oldali áramköri szakítók használata nem megoldás. Ezzel ellentétben, egy kétterminális rendszerben az AC áramköri szakító használata lekapcsolná az egész DC hálózatot, nem csak a hibás vagy karbantartásra szoruló vonalt. Ehelyett az MTDC rendszer szükséges több DC áramköri szakító komponensre, például áramköri szakítókra. Ezek a specializált DC áramköri szakítók biztonságosan lekapcsolják a köröket vagy elkülönítik a specifikus szakaszokat karbantartási műveletek során vagy hibák megszüntetésekor, garantálva a hálózat stabilitását és megbízhatóságát.

Az MTDC rendszerben a rendszer egyensúlyának fenntartása kulcsfontosságú. A rektifikátorállomások által nyújtott teljes áramerősség pontosan egyeznie kell az inverterállomások által fogyasztott áramerősséggel. Ha bármely inverterállomásnál hirtelen emelkedik a teljesítményigény, a DC energiaáramlást megfelelően kell növelni a növekedő terhelés kielégítésére. Ebben a folyamatban fontos, hogy szorosan figyelemmel kísérjük és ellenőrizzük a nyújtott feszültséget és az inverterek működését, hogy elkerüljük a túlterhelést, ami rendszerhibaival járhat.

Az MTDC rendszerek egyik fő ereje, hogy megbízhatók a kényszerült leállások során. Ha egy generációs állomásnál váratlanul megszakad a teljesítmény, a rendszer gyorsan átirányíthatja az energiát alternatív konvertálóállomásokon keresztül, minimalizálva a teljes energiaellátás zavarait.

MTDC alkalmazásai

• Újrafelhasználható energia integrációja: Különböző DC-alapú újrafelhasználható energiafarmok több különböző hálózathoz való kapcsolódását segíti, lehetővé téve a tiszta energia hatékony elosztását.

• Tengeri szélerőműparkok: Több tengeri szélerőműparkot kapcsol össze a part menti hálózattal, leküzdve a nagy mennyiségű energia hosszú távú továbbításának kihívásait távoli tengeri helyekről.

• Nagy léptékű energiaátvitel: Lehetővé teszi a nagy léptékű energiaátvitelt több távoli AC generációs állomásról több terhelési központba, optimalizálva a hatalmas régiókon történő energiaelosztást.

• Hálózat összekapcsolása: Lehetővé teszi két aszinkron AC villamosenergia rendszer összekapcsolását, javítva a hálózati stabilitást és a teljesítménycserének képességét.

• Energiaellátás újratervezése: Lehetővé teszi az energiaellátás újratervezését egyes generációs állomásokon bekövetkező hibák esetén, biztosítva a folyamatos energiaellátást a fogyasztóknak.

• AC hálózat támogatása: Kiegészítő energiát biztosíthat súlyosan terhelt AC hálózatoknak, egyetlen rektifikátor és több inverter használatával, belebeszívva energiát az AC hálózatba, enyhítve a torlódást és javítva a teljes hálózati teljesítményt.

• Rugalmas energiafelvétel: Rugalmasságot kínál a hálózat több pontján történő energiafelvételre, alkalmazkodva a különböző energiaigényekhez és elosztási követelményekhez.

Az MTDC rendszereket két fő típusra osztjuk:

Soros MTDC rendszer

A soros MTDC konfigurációban több konvertálóállomás van sorban kapcsolva, mint egy elektromos soros áramkörben. Ennek a beállításnak a jellemzője, hogy minden konvertálóállomáson átmenő áramerősség azonos, mivel egyik állomás által beállítva van. Azonban a feszültségcsökkenés a konvertálóállomások között osztódik, mindegyik állomás részesedik a teljes feszültségcsökkenésből a sorban kapcsolt hálózaton.

Soros MTDC rendszer (Folytatás)

A soros MTDC rendszert tekinthetjük a kétterminális HVDC rendszer kiterjesztett változatának, több konvertálóállomással, amelyek sorban kapcsolva vannak, ahogy a mellékelt diagramon látható. Általában a soros MTDC beállításban található konvertálóállomások alacsonyabb kapacitásúak, mint a párhuzamos MTDC rendszerekben használtak.

Ez a rendszer gyakran monopolare DC hivatkozásokat használ, ahol a DC vonal csak egy adott ponton van földbe kapcsolva. Rövid idejű elektromos hullámok elleni védelem érdekében egy földező kondenzátort is telepíthetnek a vonal más pontjain, mint kiegészítő védelmi intézkedést.

A soros MTDC rendszerben a vonalmenti izoláció koordinálása jelentős kihívást jelent, mivel minden állomáson eltérő DC feszültségek vannak. Az energiaáramlás-irányítási mechanizmus a soros MTDC rendszerben összetettebb, mint a párhuzamos MTDC rendszerben. A párhuzamos MTDC rendszerben az energiaáramlást specifikus vonalakba irányított áramerősség befecskendezésével lehet szabályozni, míg a soros MTDC rendszerben az energiaáramlás-irányítás az egyes terminálállomásokon történő feszültség-beállításon alapszik.

A soros MTDC rendszerben az energiaáramlás-fordítás könnyen elérhető, mind a Feszültségforrás Konvertáló (VSC), mind a Forráscurrent Konvertáló (CSC) használatával. Azonban, ha hiba történik vagy ütemezett karbantartás szükséges egy adott vonalon, az egész DC hálózat lesz árammentes. Hasonlóan, mint a kétterminális HVDC rendszer, az AC oldali áramköri szakítókat használják a DC hálózat lekapcsolására. A soros MTDC rendszer kiterjesztése is nehézségeket jelent. Új terminálállomások telepítésekor a hálózat teljes árammentességét kell biztosítani, mert a gyűrű alakú DC hálózatot a telepítési ponton kell elválasztani, ami megszakítja a többi állomás energiaellátását a vonal mentén.

Párhuzamos MTDC rendszer

A párhuzamos MTDC rendszerben több konvertálóállomás, amelyek inverterként vagy terhelési állomásként működnek, egyetlen rektifikátorállomáshoz kapcsolódik. Ez a rektifikátorállomás biztosítja a teljes DC hálózat energiáját. Analóg módon egy párhuzamos elektromos áramkörhöz, a feszültség konstans marad minden inverter vagy terhelési állomáson, értéke egyik konvertálóállomás által beállítva. Szemben ezzel, az áramerősség-szolgáltatás változik a mindegyik állomás energiaigénye alapján. A kiegyensúlyozott áramerősség-szolgáltatás érdekében az áramerősség dinamikusan alkalmazkodik a mindegyik terhelési állomás energiaigényeihez. Általában a párhuzamos MTDC rendszer terminálállomásai magasabb kapacitásúak, mint a soros MTDC hálózatban.

Párhuzamos MTDC rendszer (Folytatás)

A párhuzamos MTDC rendszerben az energiaáramlás-fordítást vagy feszültség-fordítással, vagy áramerősség-fordítással lehet elérni. Amikor feszültség-fordítást használnak, amelyet általában a forráscurrent konvertáló (CSC) alapú terminálállomásokhoz kötnek, ez minden konvertálóállomásra hatással van. Ennek eredményeként egy nagyon finomított irányítási és kommunikációs rendszer szükséges ezek között a konvertálók között, hogy kezelje ezt a hatást. Másrészről, ha az energiaáramlás-fordítást áramerősség-fordítással valósítják meg, amelyet gyakran a feszültségforrás konvertáló (VSC) alapú terminálállomásokhoz kötnek, a folyamat sokkal egyszerűbb. Ez az oka, hogy a VSC-t inkább a CSC-hez képest preferálják a párhuzamos MTDC rendszerekben.

A VSC alapú MTDC rendszerben, mivel a feszültség állandó, a terminálállomás energiaáramlás-értéke a konvertáló áramerősség-értékeitől függ. Ez a beállítás jelentős előnyt jelent az energiaáramlás-irányítás szempontjából a DC hálózaton belül. Pontosan szabályozhatja az energiaáramlást specifikus vonalakba irányított áramerősség befecskendezésével, ami egyszerűbb, mint a soros rendszerekben a feszültség-irányítás minden állomáson.

A párhuzamos MTDC rendszer egyik legjelentősebb jellemzője, hogy hibákkal szemben erős. Ha bármely terminálállomáson hiba történik, a DC hálózat többi része nem érintett. Azonban, hogy elkülönítsék a hibás állomással kapcsolatos specifikus DC vonalakat, egy különálló DC áramköri szakító szükséges. Emellett a DC hálózat kiterjesztésekor nincs szükség az energiaellátás megszakítására. Új terminálállomásokat párhuzamosan lehet telepíteni a meglévő vonalakkal, biztosítva a szélessávú integrációt, anélkül, hogy megszakítaná a folyamatos energiaellátást.

A párhuzamos MTDC rendszer egy másik előnye, hogy a soros rendszerhez képest relatíve egyszerű a vonalmenti izoláció. Mivel a hálózaton át konstans a feszültség, az izolációs követelmények egyszerűbbek a kezelés szempontjából.

A párhuzamos MTDC rendszert további két kategóriára oszthatjuk:

Radial MTDC rendszer

A radial MTDC rendszer egy specifikus párhuzamos MTDC konfiguráció. Ebben a beállításban, ha egy átmeneti vonalban történik szakadás vagy eltávolítanak egy linket, ez vezet a teljesítményellátás megszakításához egy vagy több konvertálóállomásnál. Ez a jellemző bizonyos mértékben sebezhetővé teszi a radial MTDC rendszert, mivel a továbbító vonal bármilyen zavarja közvetlen hatással lehet bizonyos hálózatrészre.

A megadott ábra egy konfigurációt mutat, ahol négy inverterállomás kapcsolódik egyetlen rektifikátorállomáshoz. Ebben a beállításban látható, hogy ha bármelyik vonalban történik szakadás, ez feltétlenül megszakítja a teljesítményellátást legalább egy terminálállomásnál. Ez a sebezhetőség a radial MTDC rendszert kevésbé megbízhatónak teszi, mint a Mesh vagy Ring típusú MTDC rendszereket.

Mesh (Ring) MTDC rendszer

A Mesh vagy Ring MTDC rendszerben az inverter (terhelési) állomások egyetlen rektifikátorállomással kapcsolódnak mesh vagy ring formában. Ennek a konfiguráció egyik fő előnye, hogy ha egyetlen átmeneti vonalban történik szakadás vagy eltávolítanak egy linket, ez nem vezet a teljesítményellátás megszakításához semmilyen inverterállomásnál. A következő ábra jól illusztrálja ezt a mesh vagy ring MTDC rendszert. Ez a természetes ellenállóképessége a vonalhibák ellen teszi a Mesh vagy Ring MTDC rendszert megbízhatóbb opcióvá bizonyos alkalmazásokban, mivel jobban bírja a zavarokat és biztosítja a folyamatos energiaellátást a csatlakoztatott terhelési állomásoknak.

Ahogy a rajzon látható, a mesh vagy ring típusú MTDC rendszerben egyetlen link eltávolítása sem megszakítja a teljesítményellátást semmilyen konvertálóállomásnál. Ehelyett az elektromos energia automatikusan átirányítódik a hálózatban lévő alternatív linken keresztül. Ez a sima átirányítás a mesh vagy ring konfiguráció összekapcsolt természetének köszönhető. Fontos azonban, hogy ezeket az alternatív linket nagyon óvatosan kell tervezni, hogy kezeljék a növekedett energiaátvitelt, miközben minimalizálják a veszteségeket.

A mesh típusú MTDC rendszerben a teljesítményellátás megszakításának hiánya jelentős előny. Biztosítja a folyamatos és stabil energiaellátást, még váratlan linkhiba esetén is. Ennek eredményeként a párhuzamosan kapcsolt mesh típusú MTDC rendszer jelentősen megbízhatóbb, mint a párhuzamosan kapcsolt radial típusú párja. A radial rendszer sebezhetősége, ami a teljesítményellátás megszakítását ok