Konfiguracje systemów wysokiego napięcia przemiennego (HVDC)

Systemy wysokiego napięcia przemiennego, często skrótowo nazywane HVDC, to bardzo efektywna metoda transmisji energii elektrycznej na duże odległości, znacznie redukująca straty energii w porównaniu z tradycyjną transmisją prądu przemiennego (AC). System HVDC może być realizowany w różnych konfiguracjach, każda dostosowana do określonych wymagań operacyjnych. Ten artykuł przedstawia zwięzły przegląd głównych typów konfiguracji systemów HVDC.

Systemy HVDC typu back-to-back

W konfiguracji HVDC typu back-to-back (B2B) zarówno prostownik, jak i inwerter, które są kluczowymi elementami konwertera, są umieszczone w tym samym stacji końcowej. Te dwa elementy konwertera są bezpośrednio połączone ze sobą. Głównym zadaniem tej konfiguracji jest łączenie dwóch odrębnych systemów prądu przemiennego. Osiąga to poprzez najpierw przekształcenie napływającego prądu przemiennego w prąd stały za pomocą prostownika, a następnie szybkie przekształcenie prądu stałego z powrotem w prąd przemienny przy użyciu inwertera.

Systemy HVDC typu back-to-back (ciąg dalszy)

Układ HVDC typu back-to-back jest instalowany w jednym pomieszczeniu i służy do łączenia dwóch asynchronicznych systemów prądu przemiennego. Z uwagi na bezpośrednie połączenie prostownika z inwerterem, nie ma potrzeby linii transmisyjnej DC. Aby zminimalizować liczbę thyristorów połączonych szeregowo, poziom pośredni napięcia DC jest celowo utrzymywany na niskim poziomie. W międzyczasie, wartość prądu tego układu może osiągnąć kilka tysięcy amperów.

Ten typ systemu HVDC jest szczególnie przydatny do łączenia dwóch asynchronicznych systemów prądu przemiennego w następujących scenariuszach:

• Gdy dwa systemy AC lub sieci energetyczne działają z różnymi częstotliwościami.

• Gdy dwa systemy mają tę samą częstotliwość, ale występuje różnica fazowa.

Dwustanowy system HVDC

W dwustanowej konfiguracji HVDC istnieją dwie odrębne stacje końcowe, każda funkcjonująca jako stacja konwertera. Jedna stacja zawiera prostownik, podczas gdy druga zawiera inwerter. Te dwie stacje są połączone linią transmisyjną HVDC, umożliwiając efektywną transmisję energii elektrycznej na duże odległości. Ta konfiguracja jest zaprojektowana, aby przezwyciężyć ograniczenia tradycyjnej transmisji AC dla długodystansowych transferów mocy, wykorzystując zalety prądu stałego, aby zminimalizować straty mocy i zwiększyć efektywność transmisji na dużych obszarach geograficznych.

Dwustanowy system HVDC cechuje się bezpośrednim połączeniem między dwoma punktami bez żadnych równoległych linii transmisyjnych lub pośrednich odgałęzień wzdłuż linii transmisyjnej. Ta charakterystyka nadaje mu alternatywną nazwę, transmisja punkt-punkt. Jest on idealnie przystosowany do zastosowań w dostawie energii między dwoma lokalizacjami, które są od siebie geograficznie oddalone.

Jedną z zauważalnych zalet dwustanowego systemu HVDC jest brak potrzeby obwodu wyłącznika HVDC. W przypadku konserwacji lub usuwania uszkodzeń, można użyć wyłączników obwodowych po stronie AC, aby rozładować linię DC. W porównaniu do wyłączników DC, wyłączniki AC mają prostszą konstrukcję i są tańsze, co czyni dwustanowy system HVDC bardziej ekonomicznym i łatwiejszym w utrzymaniu.

System wielostanowy DC (MTDC)

System wielostanowy DC (MTDC) reprezentuje bardziej złożoną konfigurację HVDC. Wykorzystuje wiele linii transmisyjnych do ustanowienia połączeń między więcej niż dwoma punktami. Ta konfiguracja składa się z kilku stacji końcowych, każda wyposażona w własny konwerter, wszystkie połączone siecią linii transmisyjnych HVDC. W ramach tej sieci niektóre konwertery działają jako prostowniki, przekształcające prąd przemienny w stały, podczas gdy inne działają jako inwertery, przekształcające prąd stały z powrotem w prąd przemienny do dystrybucji do obciążeń. Podstawowym zasądkiem systemu MTDC jest, że całkowita moc dostarczana przez stacje prostownicze musi być równa sumie mocy odbieranej przez stacje inwerterowe (obciążenia), zapewniając zrównoważony i efektywny przepływ mocy w złączonej sieci.

System wielostanowy DC (MTDC) (ciąg dalszy)

Sieć MTDC jest podobna do sieci AC pod względem elastyczności, ale oferuje unikalną zaletę: możliwość precyzyjnego sterowania przepływem mocy w sieci DC. Jednak ta zwiększa funkcjonalność wiąże się z większą złożonością, co czyni system MTDC znacznie bardziej złożonym niż dwustanowy system HVDC.

W konfiguracji MTDC oparcie się na wyłącznikach obwodowych po stronie AC nie jest możliwe. W przeciwieństwie do systemu dwustanowego, użycie wyłącznika obwodowego AC rozładowałoby całą sieć DC, a nie tylko uszkodzoną lub wymagającą konserwacji linię. Aby to rozwiązać, system MTDC wymaga wielu elementów przełączników DC, takich jak wyłączniki. Te specjalistyczne wyłączniki DC są zaprojektowane do bezpiecznego rozładowania obwodów lub izolacji określonych sekcji podczas operacji konserwacyjnych lub usuwania uszkodzeń, zapewniając stabilność i niezawodność sieci.

Zachowanie równowagi systemu jest kluczowe w systemie MTDC. Całkowity prąd dostarczany przez stacje prostownicze musi dokładnie odpowiadać prądowi zużywanemu przez stacje inwerterowe. Gdy wystąpi nagły wzrost popytu na moc z jakiejś stacji inwerterowej, moc DC musi być odpowiednio zwiększana, aby spełnić wzrost obciążenia. W trakcie tego procesu niezbędne jest ścisłe monitorowanie i kontrolowanie zarówno dostarczanego napięcia, jak i działania inwerterów, aby zapobiec przeciążeniu, które mogłoby prowadzić do awarii systemu.

Jedną z kluczowych zalet systemów MTDC jest ich niezawodność podczas wymuszonych przerw w dostawie. W przypadku nieoczekiwanej awarii zasilania w jednej z stacji generacyjnych, system może szybko przekierować moc przez alternatywne stacje konwerterowe, minimalizując zakłócenia w ogólnej dostawie energii.

Zastosowania systemów MTDC

• Integracja energii odnawialnej: Ułatwia łączenie wielu farm energetycznych opartych na DC z różnymi sieciami energetycznymi, umożliwiając efektywne dystrybuowanie czystej energii.

• Energia wiatrowa morska: Umożliwia łączenie wielu farm wiatrowych morskich z siecią lądową, pokonując trudności związane z transmisją dużych ilości mocy na duże odległości z odległych lokalizacji morskich.

• Transfer masy mocy: Pozwala na transfer mocy na dużą skalę z wielu zdalnych stacji generacyjnych AC do wielu centrów obciążenia, optymalizując dystrybucję mocy na dużych obszarach.

• Łączenie sieci: Umożliwia łączenie dwóch asynchronicznych systemów prądu przemiennego, zwiększając stabilność sieci i możliwości wymiany mocy.

• Realokacja mocy: Umożliwia realokację dostawy mocy w przypadku awarii w poszczególnych stacjach generacyjnych, zapewniając ciągłą dostawę mocy do konsumentów.

• Wsparcie sieci AC: Może dostarczać dodatkową moc do silnie obciążonych sieci AC, używając pojedynczego prostownika i wielu inwerterów, aby wprowadzać moc do sieci AC, łagodząc zatorowość i poprawiając ogólną wydajność sieci.

• Elastyczne pobieranie mocy: Oferuje elastyczność pobierania mocy w wielu punktach sieci, dostosowując się do różnorodnych wymagań energetycznych i potrzeb dystrybucji.

Systemy MTDC można podzielić na dwa główne typy:

Szeregowy system MTDC

W szeregowym układzie MTDC wiele stacji konwerterowych jest połączonych szeregowo, podobnie jak komponenty w szeregowym obwodzie elektrycznym. Charakterystyczną cechą tego układu jest to, że prąd płynący przez każdą stację konwerterową pozostaje identyczny, ponieważ jest ustawiany przez jedną z stacji. Jednak spadek napięcia jest rozłożony między stacjami konwerterowymi, z każdą stacją doświadczającą częściowego spadku napięcia w szeregowo połączonej sieci.

Szeregowy system MTDC (ciąg dalszy)

Szeregowy system MTDC można uważać za rozszerzoną wersję dwustanowego systemu HVDC, obejmującą wiele stacji konwerterowych połączonych szeregowo, jak pokazano na dołączonym rysunku. Zwykle stacje konwerterowe w układzie szeregowym MTDC mają niższą pojemność w porównaniu do tych używanych w układach równoległych MTDC.

Ten system często wykorzystuje monopolarne połączenia DC, gdzie linia DC jest zazemblowana tylko w jednym konkretnym punkcie. Aby chronić przed chwilowymi przepięciami elektrycznymi, można zainstalować kondensator zazemlający w innych miejscach wzdłuż linii jako dodatkową miarę ochronną.

Koordynacja izolacji w szeregowym systemie MTDC stanowi istotne wyzwanie ze względu na różne napięcia DC w każdej stacji. Mechanizm kontroli przepływu mocy w szeregowym systemie MTDC jest bardziej złożony w porównaniu do układu równoległego. W układzie równoległym przepływ mocy można regulować poprzez wprowadzanie prądu do określonych linii, podczas gdy w szeregowym systemie MTDC kontrola przepływu mocy polega na dostosowywaniu napięcia w każdej stacji końcowej.

Odwrócenie przepływu mocy w szeregowym systemie MTDC może być łatwo osiągnięte zarówno za pomocą konwerterów źródła napięcia (VSC), jak i konwerterów źródła prądu (CSC). Jednak w przypadku awarii lub planowanej konserwacji określonej linii, cała sieć DC doświadczy zaciemnienia. Podobnie jak w dwustanowym systemie HVDC, wyłączniki obwodowe po stronie AC są wykorzystywane do rozładowania sieci DC. Rozszerzanie szeregowego systemu MTDC również stanowi trudności. Instalacja nowych stacji końcowych wymaga pełnego zaciemnienia sieci, ponieważ pierścień sieci DC musi być rozbity w punkcie instalacji, przerywając dostawę energii do wszystkich innych stacji wzdłuż ścieżki.

Równoległy system MTDC

W równoległym układzie MTDC wiele stacji konwerterowych działających jako inwertery lub stacje obciążeniowe jest połączonych z pojedynczą stacją konwerterową działającą jako prostownik. Ta stacja prostownicza dostarcza energię do całej sieci DC. Analogicznie do równoległego obwodu elektrycznego, napięcie pozostaje stałe we wszystkich stacjach inwerterowych lub obciążeniowych, z wartością ustawioną przez jedną z stacji konwerterowych. Z kolei, dostawa prądu zmienia się w zależności od zapotrzebowania na moc w każdej stacji. Aby zachować zbilansowaną dostawę prądu, prąd jest dynamicznie dostosowywany w odpowiedzi na wymagania mocowe indywidualnych stacji obciążeniowych. Zazwyczaj stacje końcowe w równoległym układzie MTDC mają większą pojemność niż te w sieci szeregowego układu MTDC.

Równoległy system MTDC (ciąg dalszy)

Odwrócenie przepływu mocy w równoległym układzie MTDC może być osiągnięte za pomocą metod odwracania napięcia lub prądu. W przypadku odwracania napięcia, które jest zwykle związane ze stacjami końcowymi opartymi na konwerterach źródła prądu (CSC), ma to wpływ na wszystkie stacje konwerterowe. W związku z tym, należy zaimplementować bardzo zaawansowany system sterowania i komunikacji między tymi konwerterami, aby zarządzać tym efektem. Z drugiej strony, jeśli odwrócenie mocy jest osiągane za pomocą metody odwracania prądu, która jest często związana ze stacjami końcowymi opartymi na konwerterach źródła napięcia (VSC), proces ten jest znacznie prostszy do wykonania. To jest główna przyczyna, dla której VSC są preferowane nad CSC w równoległych układach MTDC.

W systemie MTDC opartym na VSC, ponieważ napięcie pozostaje stałe, moc stacji końcowej jest określana przez prądy walcowe konwertera. Ta konfiguracja oferuje istotną zaletę w zakresie kontroli przepływu mocy w sieci DC. Można dokładnie regulować przepływ mocy, wprowadzając prąd do określonych linii, co jest bardziej wygodnym podejściem w porównaniu do mechanizmu kontroli mocy w układach szeregowych, które polegają na kontroli napięcia w każdej stacji.

Jedną z najbardziej zauważalnych cech równoległego układu MTDC jest jego odporność na uszkodzenia. Jeśli wystąpi uszkodzenie w dowolnej stacji końcowej, reszta sieci DC pozostaje nienaruszona. Jednak, aby izolować konkretne linie DC związane z uszkodzoną stacją, wymagany jest osobny wyłącznik DC. Ponadto, podczas rozszerzania sieci DC nie ma potrzeby przerwania dostawy energii. Nowe stacje końcowe mogą być instalowane równolegle do istniejących linii, zapewniając bezproblemową integrację bez przerywania bieżącej dystrybucji energii.

Inną zaletą równoległego układu MTDC jest stosunkowo prosta koordynacja izolacji w porównaniu do układu szeregowego. Ze względu na stałe napięcie w sieci, wymagania dotyczące izolacji są łatwiejsze do zarządzania.

Równoległy układ MTDC można dalej sklasyfikować na dwa kategorie:

Radialny układ MTDC

Radialny układ MTDC to specyficzna konfiguracja równoległego układu MTDC. W tym układzie, jeśli wystąpi przerwa w linii transmisyjnej lub usunięcie jednego połączenia, spowoduje to przerwanie dostawy energii do jednej lub więcej stacji konwerterowych. Ta cecha sprawia, że radialny układ MTDC jest do pewnego stopnia narażony na scenariusze awarii w jednym punkcie, ponieważ jakiekolwiek zakłócenie w linii transmisyjnej może mieć bezpośredni wpływ na dostawę energii do niektórych części sieci.

Na dostarczonym rysunku przedstawiona jest konfiguracja, w której cztery stacje inwerterowe są połączone z pojedynczą stacją prostowniczą. W tym układzie jest oczywiste, że jeśli wystąpi przerwa w jednej z linii, nieuchronnie spowoduje to przerwanie dostawy energii do co najmniej jednej stacji końcowej. Ta podatność sprawia, że radialny układ MTDC jest mniej niezawodny w porównaniu z układami typu Mesh lub Ring.

Układ MTDC typu Mesh (Ring)

W układzie MTDC typu Mesh lub Ring stacje inwerterowe (obciążeniowe) są połączone z pojedynczą stacją prostowniczą w formie siatki lub pierścienia. Jedną z kluczowych zalet tej konfiguracji jest to, że nawet jeśli wystąpi przerwa w jednej linii transmisyjnej lub usunięcie jednego połączenia, nie prowadzi to do przerwania dostawy energii do żadnej z stacji inwerterowych. Następny rysunek jasno ilustruje taki układ MTDC typu Mesh lub Ring. Ta wrodzona odporność na awarie linii sprawia, że układ MTDC typu Mesh lub Ring jest bardziej niezawodną opcją do transmisji i dystrybucji energii w niektórych zastosowaniach, ponieważ lepiej radzi sobie z zakłóceniami i zapewnia ciągłą dostawę energii do podłączonych stacji obciążeniowych.

Jak pokazano, w układzie MTDC typu Mesh lub Ring, usunięcie jakiejkolwiek jednej linii nie przerywa dostawy energii do żadnej stacji konwerterowej. Zamiast tego energia elektryczna jest automatycznie przekierowywana przez alternatywne połączenia w sieci. To bezproblemowe przekierowanie jest możliwe dzięki złączonemu charakterowi konfiguracji siatki lub pierścienia. Jednak ważne jest, aby zauważyć, że te alternatywne połączenia muszą być starannie zaprojektowane, aby obsługiwać zwiększoną transmisję mocy, jednocześnie minimalizując straty mocy.

Brak przerw w dostawie energii w układzie MTDC typu Mesh jest istotną zaletą. Zapewnia on ciągłą i stabilną dostawę energii, nawet w obliczu nieoczekiwanych awarii połączeń. W konsekwencji, równolegle połączony układ MTDC typu Mesh oferuje wyższą niezawodność w porównaniu z równolegle połączonym układem typu Radial. Podatność układu Radial na przerwy w dostawie energii spowodowane awarią jednego połączenia jest słabsza w porównaniu z mocną zdolnością układu Mesh do utrzymania przepływu mocy w podobnych okolicznościach, co czyni układ MTDC typu Mesh lub Ring preferowanym wyborem dla zastosowań, w których nieprzerwana dostawa energii jest najważniejsza.