Hoogspannings Gelijkstroom (HVDC) Systeemconfiguraties

Hoogspannings Gelijkstroom, meestal afgekort als HVDC, is een zeer efficiënte methode voor langeafstands energieoverdracht, die aanzienlijk minder energieverlies kent in vergelijking met traditionele wisselstroom (AC) overdracht. Het HVDC-systeem kan in verschillende configuraties worden geïmplementeerd, elk aangepast aan specifieke operationele eisen. Dit artikel geeft een beknopt overzicht van de belangrijkste types HVDC-systeemconfiguraties.

Back-to-Back HVDC Systemen

In een back-to-back (B2B) HVDC-configuratie zijn zowel de rechthoekigheid en de omvormer, die belangrijke componenten van de converter zijn, gehuisvest in dezelfde terminalstation. Deze twee converter-elementen zijn direct back-to-back met elkaar verbonden. De primaire functie van deze configuratie is het verbinden van twee aparte AC-stroomsystemen. Dit wordt bereikt door eerst de binnenkomende AC-stroom om te zetten in DC via de rechthoekigheid en vervolgens de DC-stroom onmiddellijk weer om te zetten in AC met behulp van de omvormer.

Back-to-Back HVDC Systemen (vervolg)

De back-to-back HVDC-opstelling is geïnstalleerd in één ruimte en dient om twee asynchrone AC-stroomsystemen met elkaar te verbinden. Gezien de directe back-to-back verbinding van de rechthoekigheid en de omvormer, is er geen behoefte aan een DC-overdrachtslijn. Om het aantal thyristors dat in serie is verbonden te minimaliseren, wordt de tussenliggende DC-spanning doelbewust op een laag niveau gehouden. Tegelijkertijd kan de stroomwaarde van deze configuratie enkele duizenden amperes bereiken.

Dit type HVDC-systeem is bijzonder nuttig voor het verbinden van twee asynchrone AC-stroomsystemen in de volgende scenario's:

• Wanneer de twee AC-systemen of -netwerken op verschillende frequenties werken.

• Wanneer de twee systemen dezelfde frequentie hebben, maar een faseverschil vertonen.

Tweeterminal HVDC Systeem

In een tweeterminal HVDC-configuratie zijn er twee afzonderlijke terminalstations, elk fungerend als converterstation. Een station huisvest een rechthoekigheid, terwijl het andere een omvormer bevat. Deze twee terminals zijn verbonden door een HVDC-overdrachtslijn, waardoor elektrische energie efficiënt over grote afstanden kan worden overgedragen. Deze opstelling is ontworpen om de beperkingen van traditionele AC-overdracht voor langeafstands energietransport te overwinnen, gebruikmakend van de voordelen van DC-stroom om energieverliezen te minimaliseren en de overdrachtefficiëntie over uitgestrekte geografische gebieden te verhogen.

Het tweeterminal HVDC-systeem heeft een directe verbinding tussen twee punten zonder parallelle overdrachtslijnen of tussentijdse aftakkingen langs de overdrachtslijn. Deze karakteristiek leidt tot zijn alternatieve naam, punt-naar-punt energieoverdracht. Het is ideaal geschikt voor toepassingen waarbij energie wordt geleverd tussen twee locaties die geografisch ver van elkaar verwijderd zijn.

Een van de opmerkelijke voordelen van het tweeterminal HVDC-systeem is dat het geen HVDC-schakelaar nodig heeft. Bij onderhoud of bij het elimineren van storingen kunnen de AC-schakelaars aan de AC-kant worden gebruikt om de DC-lijn te de-energizeren. In vergelijking met DC-schakelaars hebben AC-schakelaars een eenvoudiger ontwerp en komen ze tegen lagere kosten, waardoor het tweeterminal HVDC-systeem economischer en gemakkelijker te onderhouden is.

Multi-Terminal DC (MTDC) Systeem

Het Multi-Terminal DC (MTDC) systeem vertegenwoordigt een meer complexe HVDC-configuratie. Het maakt gebruik van meerdere overdrachtslijnen om verbindingen te leggen tussen meer dan twee punten. Deze opstelling bestaat uit verschillende terminalstations, elk uitgerust met zijn eigen converter, allemaal verbonden door een HVDC-overdrachtslijnnetwerk. Binnen dit netwerk functioneren sommige converters als rechthoekigheden, die AC-stroom omzetten in DC, terwijl anderen als omvormers werken, die DC-stroom weer omzetten in AC voor distributie naar belastingen. Een fundamenteel principe van het MTDC-systeem is dat de totale energie die door de rechthoekigheden wordt geleverd gelijk moet zijn aan de gecombineerde energie die door de omvormer (belasting) stations wordt ontvangen, waardoor een evenwichtig en efficiënt energiegebruik over het verbonden netwerk wordt gewaarborgd.

Multi-Terminal DC (MTDC) Systeem (vervolg)

Het MTDC-netwerk is analoog aan een AC-netwerk qua flexibiliteit, maar biedt een uniek voordeel: de mogelijkheid om de energiestroom binnen het verdeelde DC-netwerk nauwkeurig te controleren. Echter, deze verhoogde functionaliteit gaat gepaard met een toename in complexiteit, waardoor het MTDC-systeem aanzienlijk ingewikkelder is dan een tweeterminal HVDC-configuratie.

In een MTDC-opstelling is het niet haalbaar om te vertrouwen op AC-schakelaars aan de AC-kant. In tegenstelling tot in een tweeterminal systeem zou het gebruik van een AC-schakelaar het hele DC-netwerk de-energizeren in plaats van alleen de defecte of onderhoudsbenodigde lijn isoleren. Om dit te verhelpen, vereist het MTDC-systeem meerdere DC-schakelapparatuurcomponenten, zoals schakelaars. Deze gespecialiseerde DC-schakelaars zijn ontworpen om circuits veilig te de-energizeren of specifieke secties tijdens onderhoudsoperaties of bij het elimineren van storingen te isoleren, waardoor de stabiliteit en betrouwbaarheid van het netwerk worden gewaarborgd.

Het handhaven van systeembrede balans is cruciaal in een MTDC-systeem. De totale stroom die door de rechthoekigheden wordt geleverd, moet precies overeenkomen met de stroom die door de omvormer stations wordt verbruikt. Wanneer er plotseling een piek in de energievraag optreedt bij een van de omvormer stations, moet de DC-energieproductie overeenkomstig worden verhoogd om aan de verhoogde belasting te voldoen. Tijdens dit proces is het essentieel om zowel de geleverde spanning als de werking van de omvormers nauwlettend te monitoren en te reguleren om overbelasting te voorkomen, die kan leiden tot systeemuitval.

Een van de belangrijkste sterke punten van MTDC-systemen is hun betrouwbaarheid tijdens gedwongen uitval. In geval van een onverwachte stroomuitval bij een van de generatiestations, kan het systeem snel energie herverdelen via alternatieve converterstations, waardoor de onderbreking van de algemene energielevering wordt geminimaliseerd.

Toepassingen van MTDC

• Integratie van hernieuwbare energie: Faciliteert de verbinding van meerdere DC-gebaseerde hernieuwbare energieparken met verschillende energienetwerken, waardoor de efficiënte distributie van schone energie mogelijk wordt.

• Offshore windenergie: Maakt de verbinding mogelijk van meerdere offshore windparken met het landelijke energienetwerk, waarmee de uitdagingen worden overwonnen die gepaard gaan met het overbrengen van grote hoeveelheden energie over lange afstanden vanaf afgelegen offshore locaties.

• Grootvolume energieoverdracht: Stelt de overdracht van grootvolume energie mogelijk van meerdere afgelegen AC-generatiestations naar meerdere belastingscentra, waardoor de energiedistributie over uitgestrekte gebieden wordt geoptimaliseerd.

• Netwerkinterconnectie: Permiteert de interconnectie tussen twee asynchrone AC-stroomsystemen, waardoor de netwerkstabiliteit en de energie-uitwisselcapaciteiten worden versterkt.

• Energieherverdeling: Maakt energieleveringsherverdeling mogelijk in geval van energieuitval bij individuele generatiestations, waardoor continue energielevering aan consumenten wordt gewaarborgd.

• Ondersteuning van AC-netwerken: Kan extra energie leveren aan zwaar belaste AC-netwerken door middel van een enkele rechthoekigheid en meerdere omvormers om energie in het AC-netwerk in te spuiten, waardoor congestie wordt verminderd en de algehele netwerkprestaties worden verbeterd.

• Vlexibele energieafname: Biedt de flexibiliteit om energie af te nemen op meerdere punten binnen het netwerk, waardoor aan diverse energievragen en -distributie-eisen kan worden voldaan.

MTDC-systemen kunnen worden ingedeeld in twee hoofdcategorieën:

Serie MTDC Systeem

In een serie MTDC-configuratie zijn meerdere converterstations in serie verbonden, vergelijkbaar met componenten in een elektrisch seriecircuit. Een kenmerkend aspect van deze opstelling is dat de stroom die door elk converterstation stroomt identiek blijft, omdat deze wordt ingesteld door een van de stations. Echter, de spanning valt verdeeld over de converterstations, met elk station een deel van de totale spanning over het serieverbonden netwerk ervarend.

Serie MTDC Systeem (vervolg)

Het serie MTDC-systeem kan worden beschouwd als een uitgebreide versie van het tweeterminal HVDC-systeem, met meerdere converterstations in serie verbonden, zoals getoond in de bijgevoegde afbeelding. Meestal hebben de converterstations in een serie MTDC-opstelling een lagere capaciteit vergeleken met die in parallelle MTDC-systemen.

Dit systeem maakt meestal gebruik van monopolaire DC-verbindingen, waarbij de DC-lijn slechts op één specifiek punt is aangesloten. Ter bescherming tegen tijdelijke elektrische pieken kan een grondkapacitor op andere punten langs de lijn worden geïnstalleerd als extra beschermingsmaatregel.

Isolatiecoördinatie in het serie MTDC-systeem brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee vanwege de variërende DC-spanningen op elk station. Het mechanisme voor stroomregeling in het serie MTDC-systeem is ingewikkelder vergeleken met dat in het parallelle MTDC-systeem. In een parallel MTDC-systeem kan de stroomregeling worden geregeld door stroom in te spuiten in specifieke lijnen, terwijl in het serie MTDC-systeem de stroomregeling afhankelijk is van het aanpassen van de spanning op elk terminalstation.

Stroomomkeer in een serie MTDC-systeem kan gemakkelijk worden bereikt met zowel Spanningsbronconverter (VSC) als Stromingsbronconverter (CSC). Echter, wanneer er een storing optreedt of gepland onderhoud nodig is voor een specifieke lijn, zal het hele DC-netwerk een black-out ervaren. Net als in het tweeterminal HVDC-systeem worden AC-zijde schakelaars gebruikt om het DC-netwerk te de-energizeren. Uitbreiding van het serie MTDC-systeem brengt ook moeilijkheden met zich mee. Het installeren van nieuwe terminalstations vereist een volledige black-out van het netwerk, omdat het ringvormige DC-netwerk moet worden gesplitst op het installatiepunt, waardoor de energielevering naar alle andere stations langs het pad wordt onderbroken.

Parallel MTDC Systeem

In een parallel MTDC-systeem zijn meerdere converterstations die functioneren als omvormers of belastingsstations verbonden met één converterstation dat fungeert als rechthoekigheid. Dit rechthoekigheid station levert energie aan het hele DC-netwerk. Vergelijkbaar met een parallel elektrisch circuit, blijft de spanning constant over alle omvormer- of belastingsstations, met zijn waarde ingesteld door een van de converterstations. Daarentegen varieert de stroomtoevoer afhankelijk van de energiebehoefte op elk station. Om een evenwichtige stroomtoevoer te handhaven, wordt de stroom dynamisch aangepast in reactie op de energiebehoeften van individuele belastingsstations. Over het algemeen hebben de terminalstations in een parallel MTDC-systeem een hogere capaciteit dan die in een serie MTDC-netwerk.

Parallel MTDC Systeem (vervolg)

Stroomomkeer in een parallel MTDC-systeem kan worden bereikt door middel van spanningsomkeer of stroomomkeer. Bij spanningsomkeer, wat meestal wordt geassocieerd met Stromingsbronconverter (CSC) gebaseerde terminalstations, heeft dit effect op alle converterstations. Hierdoor moet een uiterst geavanceerd controle- en communicatiesysteem tussen deze converters worden geïmplementeerd om dit effect te beheren. Aan de andere kant, als stroomomkeer wordt bereikt door middel van de stroomomkeertechniek, die vaak wordt geassocieerd met Spanningsbronconverter (VSC) gebaseerde terminalstations, is het proces veel eenvoudiger uit te voeren. Dit is de belangrijkste reden waarom VSC's worden verkozen boven CSC's in parallel MTDC-systemen.

In een VSC-gebaseerd MTDC-systeem, aangezien de spanning constant blijft, wordt de vermogensclassificatie van het terminalstation bepaald door de stroomclassificaties van de valveconverter. Deze configuratie biedt een aanzienlijk voordeel in termen van stroomregeling binnen het DC-netwerk. Het kan de stroomprecies reguleren door stroom in te spuiten in specifieke lijnen, wat een gemakkelijkere benadering is vergeleken met het vermogenscontrolemechanisme in seriesystemen dat afhankelijk is van spanningscontrole op elk station.

Een van de meest opmerkelijke kenmerken van het parallel MTDC-systeem is zijn veerkracht in het aangezicht van storingen. Als er een storing optreedt in een van de terminalstations, blijft de rest van het DC-netwerk onaangetast. Echter, om de specifieke DC-lijnen die zijn gekoppeld aan het defecte station te isoleren, is een aparte DC-schakelaar vereist. Bovendien, tijdens de uitbreiding van het DC-netwerk, is er geen noodzaak om de energielevering te onderbreken. Dit komt omdat nieuwe terminalstations parallel met de bestaande lijnen kunnen worden geïnstalleerd, waardoor naadloze integratie wordt gegarandeerd zonder de lopende energiedistributie te verstoren.

Een ander voordeel van het parallel MTDC-systeem is de relatief eenvoudige isolatiecoördinatie in vergelijking met een seriesysteem. Vanwege de constante spanning in het netwerk, zijn de isolatievereisten eenvoudiger te beheren.

Het parallel MTDC-systeem kan verder worden ingedeeld in twee categorieën:

Radiale MTDC Systeem

Het radiale MTDC-systeem is een specifiek type parallel MTDC-configuratie. In deze opstelling zal een onderbreking in een overdrachtslijn of het verwijderen van één verbinding leiden tot een onderbreking van de energielevering naar één of meer converterstations. Dit kenmerk maakt het radiale MTDC-systeem enigszins kwetsbaar voor single-point-of-failure-scenario's, aangezien elke verstoring in de overdrachtslijn een directe impact kan hebben op de energielevering naar bepaalde delen van het netwerk.

De bijgevoegde figuur toont een configuratie waarin vier omvormerstations zijn verbonden met één rechthoekigheid station. In deze opstelling is het duidelijk dat als er een onderbreking optreedt in een van de lijnen, dit onvermijdelijk zal leiden tot een onderbreking van de energielevering naar ten minste één terminalstation. Deze kwetsbaarheid maakt het radiale MTDC-systeem minder betrouwbaar in vergelijking met Mesh of Ring-type MTDC-systemen.

Mesh (Ring) MTDC Systeem

In een Mesh of Ring MTDC-systeem zijn de omvormer (belasting) stations verbonden met één rechthoekigheid station in een mesh of ringachtige formatie. Een van de belangrijkste voordelen van deze configuratie is dat zelfs als er een onderbreking optreedt in een enkele overdrachtslijn of één verbinding wordt verwijderd, dit niet leidt tot een onderbreking van de energielevering naar enig omvormerstation. De volgende figuur illustreert duidelijk zo'n mesh of ring MTDC-systeem. Deze inherente veerkracht tegen lijnuitval maakt het Mesh of Ring MTDC-systeem een betrouwbaarder optie voor energieoverdracht en -distributie in bepaalde toepassingen, aangezien het beter kan omgaan met verstoringen en een continue energielevering kan garanderen naar de verbonden belastingsstations.

Zoals getoond, in een mesh of ringtype MTDC-systeem leidt het verwijderen van enige enkele verbinding niet tot een onderbreking van de energielevering naar enig converterstation. In plaats daarvan wordt de elektrische energie automatisch omgeleid via alternatieve verbindingen binnen het netwerk. Deze naadloze omleiding is mogelijk dankzij de verbonden aard van de mesh of ring-configuratie. Het is echter cruciaal om te noteren dat deze alternatieve verbindingen zorgvuldig moeten worden ontworpen om de verhoogde energieoverdracht te kunnen hanteren terwijl energieverliezen worden geminimaliseerd.

Het ontbreken van energieonderbrekingen in het meshtype MTDC-systeem is een significant voordeel. Het garandeert een continue en stabiele energielevering, zelfs in het aangezicht van onverwachte verbindinguitval. Daarom biedt een parallel aangesloten meshtype MTDC-systeem superieure betrouwbaarheid in vergelijking met zijn parallel aangesloten radiale variant. De vatbaarheid van het radiale systeem voor energieonderbrekingen door enkele verbindingonderbrekingen verbleekt in vergelijking met de robuuste vermogen van het meshsysteem om de energiestroom te handhaven onder soortgelijke omstandigheden, waardoor het meshtype of ringtype MTDC-systeem de voorkeur krijgt voor toepassingen waarbij ononderbroken energieoverdracht van groot belang is.