Konfigurasjoner av høyspenning direkte strøm (HVDC) -systemer

Høyspenning direkte strøm, ofte forkortet HVDC, er en svært effektiv metode for overføring av kraft over lange avstander, som betydelig reduserer krafttap sammenlignet med tradisjonell vekselstrøm (AC) -overføring. HVDC-systemet kan implementeres i ulike konfigurasjoner, hver tilpasset spesifikke driftsbehov. Denne artikkelen gir en kort oversikt over de viktigste typene av HVDC-systemkonfigurasjoner.

Tilbake-til-tilbake HVDC-systemer

I en tilbake-til-tilbake (B2B) HVDC-konfigurasjon er både rektifiseren og inverteren, som er nøkkelkomponenter i omformeren, plassert innenfor samme terminalstasjon. Disse to omformerkomponentene er direkte koblet tilbake-til-tilbake med hverandre. Den primære funksjonen til denne konfigurasjonen er å koble sammen to separate AC-strømsystemer. Dette oppnås ved først å konvertere den innkommande AC-strømmen til DC gjennom rektifiseren, og deretter umiddelbart transformere DC-strømmen tilbake til AC ved hjelp av inverteren.

Tilbake-til-tilbake HVDC-systemer (fortsettelse)

Tilbake-til-tilbake HVDC-oppsettelser er installert innenfor et enkelt rom og tjenester til å knytte sammen to asynkrone AC-strømsystemer. Gitt den direkte tilbake-til-tilbakekoblingen av rektifiseren og inverteren, er det ikke behov for en DC-overføringslinje. For å minimere antallet thyristorer koblet i serie, blir den mellomliggende DC-spenningen bevisst holdt på et lavt nivå. Samtidig kan strømmeratingen for denne konfigurasjonen nå flere tusen amperer.

Denne typen HVDC-system er spesielt nyttig for å knytte sammen to asynkrone AC-strømsystemer i følgende situasjoner:

• Når de to AC-systemene eller kraftnettene opererer på forskjellige frekvenser.

• Når de to systemene har samme frekvens, men viser en faseforskjell.

To-terminal HVDC-system

I en to-terminal HVDC-konfigurasjon er det to distinkte terminalstasjoner, hver fungerer som en omformerstasjon. En stasjon inneholder en rektifiser, mens den andre inneholder en inverter. Disse to terminalene er koblet sammen av en HVDC-overføringslinje, som muliggjør effektiv overføring av elektrisk kraft over lange avstander. Denne oppsettet er designet for å overvinne begrensningene ved tradisjonell AC-overføring for langdistanse kraftoverføring, utnyttende fordeler ved DC-strøm for å minimere krafttap og forbedre overføringseffektiviteten over store geografiske områder.

Det to-terminal HVDC-systemet har en direkte kobling mellom to punkter uten noen parallelle overføringslinjer eller mellomkoblinger langs overføringslinjen. Dette trekket gir opphav til dens alternativ navn, punkt-til-punkt kraftoverføring. Det er ideelt egnet for kraftforsyning mellom to lokasjoner som er geografisk langt fra hverandre.

En av de merkverdige fordeler med det to-terminal HVDC-systemet er at det ikke krever en HVDC-sirkuitbryter. I tilfelle vedlikehold eller når feil skal ryddes, kan AC-sirkuitbrytere på AC-siden benyttes for å deenergisere DC-linjen. Sammenlignet med DC-sirkuitbrytere, har AC-sirkuitbrytere en enklere design og kommer til en lavere kostnad, som gjør det to-terminal HVDC-systemet mer økonomisk og lettere å vedlikeholde.

Flere-terminal DC (MTDC) -system

Flere-terminal DC (MTDC) -system representerer en mer kompleks HVDC-konfigurasjon. Det bruker flere overføringslinjer for å etablere forbindelser mellom mer enn to punkter. Dette oppsettet består av flere terminalstasjoner, hver utstyrt med sin egen omformer, alle koblet sammen av et HVDC-overføringslinjenettverk. Innenfor dette nettverket fungerer noen omformere som rektifiserer, som konverterer AC-strøm til DC, mens andre opererer som inverterer, som transformerer DC-strøm tilbake til AC for distribusjon til belastninger. Et grunnleggende prinsipp for MTDC-systemet er at den totale effekten levert av rektifiserstasjonene må være lik den kombinerte effekten mottatt av inverter (belastnings) -stasjonene, for å sikre en balansert og effektiv effektstrøm i det forbundne nettverket.

Flere-terminal DC (MTDC) -system (fortsettelse)

MTDC-nettverket er analogt til et AC-nett i form av fleksibilitet, men det tilbyr en unik fordel: evnen til å presist kontrollere effektstrøm i DC-distribuert nettverk. Imidlertid kommer denne forøkte funksjonaliteten til en pris av økt kompleksitet, som gjør MTDC-systemet betydelig mer komplisert enn et to-terminal HVDC-oppsett.

I et MTDC-oppsett er det ikke mulig å stole på AC-sirkuitbrytere på AC-siden. Ulik et to-terminal system, vil bruk av en AC-sirkuitbryter deenergisere hele DC-nettverket i stedet for bare å isolere den feilaktige eller vedlikeholdsbehovs linjen. For å løse dette, krever MTDC-systemet flere DC-switchgear-komponenter, som sirkuitbrytere. Disse spesialiserte DC-sirkuitbryterne er designet for trygt å deenergisere sirkuit eller isolere spesifikke seksjoner under vedlikehold eller når feil ryddes, for å sikre stabilitet og pålitelighet i nettverket.

Å opprettholde systembalanse er avgjørende i et MTDC-system. Den totale strømmen levert av rektifiserstasjonene må nøyaktig matche strømmen forbrukt av inverterstasjonene. Når det plutselig oppstår en økning i effektbeholdningen fra noen inverterstasjon, må DC-effekten skrus opp tilsvarende for å møte den økte belastningen. Under denne prosessen er det viktig å nøye overvåke og kontrollere både den leverte spenningen og drifta av inverterne for å unngå overbelasting, noe som kan føre til systemfeil.

En av de viktigste styrker ved MTDC-systemer er deres pålitelighet under tvunget nedetid. I tilfelle en uventet kraftnedbryting ved en av genereringsstasjonene, kan systemet raskt omdirigere kraft gjennom alternative omformerstasjoner, som minimerer forstyrrelsen av den totale kraftforsyningen.

Anvendelser av MTDC

• Integrasjon av fornybar energi: Forenkler tilkoblingen av flere DC-baserte fornybare energifarm til ulike kraftnett, som muliggjør effektiv distribusjon av ren energi.

• Offshore vindkraft: Muliggjør tilkoblingen av flere offshore vindfarm til det landbaserte kraftnett, som overvinner utfordringene knyttet til overføring av store mengder kraft over lange avstander fra fjerne offshore lokasjoner.

• Storpartsoverføring: Tillater overføring av stor-skala kraft fra flere fjerne AC-genereringsstasjoner til flere belastningsentre, som optimaliserer kraftdistribusjon over store regioner.

• Kraftnettinterkobling: Tiller for interkoblingen mellom to asynkrone AC-strømsystemer, som forbedrer nettstabilitet og evnen til kraftutveksling.

• Omfordeling av kraftforsyning: Gir mulighet for omfordeling av kraftforsyning i tilfelle kraftnedbryting ved individuelle genereringsstasjoner, som sikrer kontinuerlig kraftlevering til forbrukerne.

• Støtte til AC-nett: Kan gi ekstra kraft til tungt belasted AC-nett ved å bruke en enkelt rektifiser og flere inverter for å injisere kraft i AC-nettet, som lettet for trafikk og forbedrer total nettyktelse.

• Fleksibel effektavtapping: Gir fleksibilitet til å tappe effekt ved flere punkter i nettverket, som tilpasses diverse effektbehov og distribusjonskrav.

MTDC-systemer kan deles inn i to hovedtyper:

Serie-MTDC-system

I en serie-MTDC-konfigurasjon er flere omformerstasjoner koblet i serie, som komponenter i et elektrisk seriekrets. Et definierende trekk ved dette oppsettet er at strømmen som flyter gjennom hver omformerstasjon, forblir identisk, som det er satt av en av stasjonene. Imidlertid er spenningsfall fordelt blant omformerstasjonene, med hver stasjon som opplever en del av det totale spenningsfallet over det seriekoblet nettverket.

Serie-MTDC-system (fortsettelse)

Serie-MTDC-systemet kan betraktes som en utvidet versjon av det to-terminal HVDC-systemet, som inkluderer flere omformerstasjoner koblet i serie, som illustrert i den vedlagte figuren. Vanligvis har omformerstasjonene i et serie-MTDC-oppsett en lavere kapasitet sammenlignet med de som brukes i parallelle MTDC-systemer.

Dette systemet bruker vanligvis monopolare DC-forbindelser, der DC-linjen er jordet på bare ett spesifikt punkt. For å beskytte mot transiente elektriske overbelastninger, kan en jordingskapasitor installeres ved andre punkter langs linjen som en ekstra beskyttelsesforanstaltning.

Isolasjonkoordinering i serie-MTDC-systemet presenterer betydelige utfordringer på grunn av de varierende DC-spenninger ved hver stasjon. Effektstrømkontrollmekanismen i serie-MTDC-systemet er mer komplisert sammenlignet med den i parallelle MTDC-systemer. I et parallelle MTDC-system kan effektstrømmen reguleres ved å injisere strøm i spesifikke linjer, mens i serie-MTDC-systemet er effektstrømkontroll avhengig av justering av spenningen ved hver terminalstasjon.

Effektstrømreversering i et serie-MTDC-system kan lett oppnås ved bruk av både spenningskildeomformere (VSC) og strømkildeomformere (CSC). Imidlertid vil det, hvis det oppstår en feil eller planlagt vedlikehold er nødvendig for en spesifikk linje, føre til at hele DC-nettverket vil bli blacked out. Lignende det to-terminal HVDC-systemet, brukes AC-side sirkuitbrytere for å deenergisere DC-nettverket. Utvidelse av serie-MTDC-systemet stiller også til hinder. Installasjon av nye terminalstasjoner krever en full black-out av nettverket, da ringformede DC-nettverket må splittes ved installasjonspunktet, som forstyrrer kraftforsyningen til alle andre stasjoner langs banen.

Parallelle MTDC-system

I et parallelle MTDC-system er flere omformerstasjoner som fungerer som inverter eller laststasjoner koblet til en enkelt omformerstasjon som fungerer som en rektifiser. Denne rektifiserstasjonen leverer kraft til hele DC-nettverket. Analogt til et parallelle elektrisk krets, forblir spenningen konstant over alle inverter eller laststasjoner, med dens verdi satt av en av omformerstasjonene. I motsetning til dette, varierer strømforsyningen etter effektbehovet ved hver stasjon. For å opprettholde en balansert strømforsyning, justeres strømmen dynamisk i respons til effektbehovet ved individuelle laststasjoner. Generelt har terminalstasjonene i et parallelle MTDC-system en høyere kapasitet enn de i et serie-MTDC-nettverk.

Parallelle MTDC-system (fortsettelse)

Effektstrømreversering i et parallelle MTDC-system kan oppnås gjennom enten spenningsreversering eller strømreversering. Når spenningsreversering brukes, som typisk er assosiert med strømkildeomformer (CSC) baserte terminalstasjoner, har det en innvirkning på alle omformerstasjoner. Derfor må et svært sofistikert kontroll- og kommunikasjonssystem implementeres mellom disse omformere for å håndtere dette effekten. På den andre siden, hvis effektstrømreversering oppnås ved bruk av strømreverseringsteknikken, som ofte er assosiert med spenningskildeomformer (VSC) baserte terminalstasjoner, er prosessen mye enklere å utføre. Dette er den primære grunnen til at VSC er foretrukket fremfor CSC i parallelle MTDC-systemer.

I et VSC-basert MTDC-system, siden spenningen forblir konstant, er effektkapasiteten til terminalstasjonen bestemt av strømkapasiteten til ventilomformer. Dette oppsettet tilbyr en betydelig fordel i form av effektstrømkontroll i DC-nettverket. Det kan nøyaktig regulere effektstrømmen ved å injisere strøm i spesifikke linjer, som er en mer bekvem tilnærming sammenlignet med effektkontrollmekanismen i serie-systemer som er avhengig av spenningskontroll ved hver stasjon.

En av de mest merkverdige egenskapene ved et parallelle MTDC-system er dess motstandsdyktighet overfor feil. Hvis det oppstår en feil i noen av terminalstasjonene, forblir resten av DC-nettverket uforandret. Imidlertid kreves en separat DC-sirkuitbryter for å isolere de spesifikke DC-linjene assosiert med den defekte stasjonen. I tillegg, under utvidelsen av DC-nettverket, er det ikke nødvendig å avbryte kraftforsyningen. Dette skyldes at nye terminalstasjoner kan installeres parallelt med eksisterende linjer, som sikrer nahtod integrasjon uten å forstyrre den pågående kraftdistribusjonen.

En annen fordel med et parallelle MTDC-system er dets relativt enkle isolasjonkoordinering sammenlignet med et serie-system. På grunn av den konstante spenningen over nettverket, er isolasjonskravene enklere å administrere.

Et parallelle MTDC-system kan videre klassifiseres inn i to kategorier:

Radialt MTDC-system

Det radialt MTDC-systemet er en spesifikk type parallelle MTDC-konfigurasjon. I dette oppsettet, hvis det oppstår en bryting i en overføringslinje eller fjerning av en lenke, vil det føre til avbryting av kraftforsyningen til én eller flere omformerstasjoner. Dette trekket gjør det radialt MTDC-systemet litt sårbart for enkelt-punkt-feil-scenarier, da enhver forstyrrelse i overføringslinjen kan ha en direkte innvirkning på kraftforsyningen til visse deler av nettverket.

Den vedlagte figuren viser en konfigurasjon hvor fire inverterstasjoner er koblet til en enkelt rektifiserstasjon. I dette oppsettet er det tydelig at hvis det oppstår en bryting i noen av linjene, vil det uunngåelig føre til avbryting av kraftforsyningen til minst én terminalstasjon. Dette sårbarheten gjør det radialt MTDC-systemet mindre pålitelig sammenlignet med Mesh eller Ring-type MTDC-systemer.

Mesh (Ring) MTDC-system

I et Mesh eller Ring MTDC-system er inverter (last) -stasjonene koblet sammen med en enkelt rektifiserstasjon i et mesh eller ring-lignende format. En av de viktigste fordeler med denne konfigurasjonen er at selv om det oppstår en bryting i en enkelt overføringslinje eller fjerning av en lenke, fører det ikke til avbryting av kraftforsyningen til noen av inverterstasjonene. Den påfølgende figuren viser klart et slik mesh eller ring MTDC-system. Dette inneboende motstandsdyktigheten overfor linjefeil gjør det Mesh eller Ring MTDC-systemet til en mer pålitelig valg for kraftoverføring og distribusjon i visse anvendelser, da det bedre kan takle forstyrrelser og sikre kontinuerlig kraftforsyning til de tilkoblede laststasjonene.

Som illustrert, i et mesh eller ring-type MTDC-system, vil fjerning av en enkelt lenke ikke forstyrre kraftforsyningen til noen omformerstasjon. I stedet vil elektrisk kraft automatisk omdirigeres gjennom alternative lenker i nettverket. Denne seamless omdirigeringen er mulig gjennom det forbundne formatet av mesh eller ring-konfigurasjonen. Imidlertid er det viktig å merke seg at disse alternative lenkene må være grundig designet for å håndtere den økte kraftoverføringen samtidig som krafttap minimeres.

Fraværet av kraftavbrudd i et mesh-type MTDC-system er en betydelig fordel. Det sikrer en kontinuerlig og stabil kraftforsyning, selv i møte med uventede lenkefeil. Konsekvent, et parallelle koblet mesh-type MTDC-system tilbyr superiør pålitelighet sammenlignet med dets parallelle koblet radial-type motpart. Radialsystemets sårbarhet overfor kraftavbrudd på grunn av enkelt-lenke forstyrrelser er blekket i sammenligning med mesh-systemets robuste evne til å opprettholde effektstrøm under lignende omstendigheter, som gjør det mesh eller ring-type MTDC-systemet til en foretrukket valg for anvendelser der ubrudt kraftlevering er av ytterste viktighet.