Конфигурации систем высоковольтного постоянного тока (HVDC)

Высоковольтный постоянный ток, обычно сокращенно называемый HVDC, является высокоэффективным методом передачи электроэнергии на большие расстояния, значительно снижая потери мощности по сравнению с традиционной передачей переменного тока (AC). Система HVDC может быть реализована в различных конфигурациях, каждая из которых предназначена для конкретных эксплуатационных требований. В данной статье приводится краткий обзор основных типов конфигураций систем HVDC.

Системы HVDC "спина к спине"

В конфигурации HVDC "спина к спине" (B2B) как выпрямитель, так и инвертор, являющиеся ключевыми компонентами преобразователя, размещены в одной и той же терминальной станции. Эти два элемента преобразователя непосредственно соединены друг с другом "спина к спине". Основная функция этой конфигурации - соединение двух отдельных систем переменного тока. Это достигается путем сначала преобразования входящего переменного тока в постоянный через выпрямитель, а затем немедленного преобразования постоянного тока обратно в переменный с помощью инвертора.

Системы HVDC "спина к спине" (продолжение)

Установка HVDC "спина к спине" размещается в одном помещении и служит для межсоединения двух асинхронных систем переменного тока. Учитывая прямое соединение "спина к спине" выпрямителя и инвертора, нет необходимости в линии передачи постоянного тока. Чтобы минимизировать количество последовательно соединенных тиристоров, промежуточное напряжение постоянного тока намеренно поддерживается на низком уровне. Тем не менее, токовая нагрузка такой конфигурации может достигать нескольких тысяч ампер.

Этот тип системы HVDC особенно полезен для соединения двух асинхронных систем переменного тока в следующих случаях:

• Когда две системы переменного тока или электросети работают на разных частотах.

• Когда две системы имеют одну и ту же частоту, но демонстрируют фазовое различие.

Двухтерминальная система HVDC

В двухтерминальной конфигурации HVDC имеются две отдельные терминальные станции, каждая из которых выполняет функцию преобразовательной станции. Одна станция содержит выпрямитель, а другая - инвертор. Эти два терминала соединены линией передачи HVDC, что позволяет эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния. Такая конфигурация предназначена для преодоления ограничений традиционной передачи переменного тока при передаче энергии на дальние расстояния, используя преимущества постоянного тока для минимизации потерь мощности и повышения эффективности передачи на огромных географических пространствах.

Двухтерминальная система HVDC имеет прямое соединение между двумя точками без параллельных линий передачи или промежуточных выводов вдоль линии передачи. Эта характеристика дает ей альтернативное название - точечная передача электроэнергии. Она идеально подходит для применения в энергоснабжении между двумя географически удаленными друг от друга местоположениями.

Одним из значимых преимуществ двухтерминальной системы HVDC является отсутствие необходимости в выключателе HVDC. При техническом обслуживании или устранении неисправностей можно использовать выключатели переменного тока на стороне AC для обесточивания линии DC. По сравнению с выключателями постоянного тока, выключатели переменного тока имеют более простую конструкцию и стоят дешевле, что делает двухтерминальную систему HVDC более экономичной и легкой в обслуживании.

Многотерминальная система постоянного тока (MTDC)

Многотерминальная система постоянного тока (MTDC) представляет собой более сложную конфигурацию HVDC. Она использует несколько линий передачи для установления соединений между более чем двумя точками. Эта конфигурация включает несколько терминальных станций, каждая из которых оснащена своим собственным преобразователем, все они соединены сетью линий передачи HVDC. В этой сети некоторые преобразователи функционируют как выпрямители, преобразуя переменный ток в постоянный, а другие работают как инверторы, преобразуя постоянный ток обратно в переменный для распределения на нагрузки. Основным принципом системы MTDC является то, что общая мощность, поставляемая выпрямительными станциями, должна равняться суммарной мощности, получаемой инверторными (нагрузочными) станциями, обеспечивая сбалансированный и эффективный поток мощности по всей взаимосвязанной сети.

Многотерминальная система постоянного тока (MTDC) (продолжение)

Сеть MTDC аналогична сетям переменного тока по своей гибкости, но она обладает уникальным преимуществом: возможностью точного управления потоком мощности в распределенной сети постоянного тока. Однако эта улучшенная функциональность сопровождается увеличением сложности, что делает систему MTDC значительно более сложной, чем двухтерминальная конфигурация HVDC.

В конфигурации MTDC использование выключателей переменного тока на стороне AC не является жизнеспособным. В отличие от двухтерминальной системы, использование выключателя переменного тока приведет к обесточиванию всей сети постоянного тока, а не только изоляции неисправной или требующей технического обслуживания линии. Для решения этой проблемы система MTDC требует множества коммутационных устройств постоянного тока, таких как выключатели. Эти специализированные выключатели постоянного тока разработаны для безопасного обесточивания цепей или изоляции определенных участков во время технического обслуживания или устранения неисправностей, обеспечивая стабильность и надежность сети.

Поддержание баланса системы является критически важным в системе MTDC. Общий ток, поставляемый выпрямительными станциями, должен точно соответствовать току, потребляемому инверторными станциями. При внезапном росте спроса на мощность от любой инверторной станции, выходная мощность постоянного тока должна быть соответственно увеличена, чтобы удовлетворить возросшую нагрузку. В процессе этого необходимо тщательно контролировать и регулировать как подаваемое напряжение, так и работу инверторов, чтобы предотвратить перегрузку, которая может привести к сбою системы.

Одним из ключевых преимуществ систем MTDC является их надежность при вынужденных отключениях. В случае неожиданного отключения питания на одной из генерирующих станций, система может быстро перенаправить энергию через альтернативные преобразовательные станции, минимизируя нарушения в общем энергоснабжении.

Применение систем MTDC

• Интеграция возобновляемых источников энергии: Облегчает подключение нескольких базовых ферм возобновляемых источников энергии, работающих на постоянном токе, к различным электросетям, обеспечивая эффективное распределение чистой энергии.

• Ветроэнергетика в море: Позволяет подключить несколько морских ветропарков к береговой электросети, преодолевая трудности, связанные с передачей больших объемов энергии на большие расстояния с удаленных морских месторасположений.

• Передача крупных объемов энергии: Позволяет передавать крупные объемы энергии от нескольких удаленных станций генерации переменного тока к нескольким центрам нагрузки, оптимизируя распределение энергии на огромных территориях.

• Соединение сетей: Разрешает соединение двух асинхронных систем переменного тока, повышая устойчивость сети и возможности обмена энергией.

• Перераспределение энергоснабжения: Позволяет перераспределить энергоснабжение в случае отказа отдельных генерирующих станций, обеспечивая непрерывную подачу энергии потребителям.

• Поддержка сетей переменного тока: Может предоставить дополнительную энергию для сильно загруженных сетей переменного тока, используя один выпрямитель и несколько инверторов для подачи энергии в сеть переменного тока, уменьшая заторы и улучшая общую производительность сети.

• Гибкое подключение: Предоставляет гибкость для подключения к нескольким точкам в сети, адаптируясь к разнообразным требованиям мощности и распределения.

Системы MTDC могут быть разделены на два основных типа:

Последовательная система MTDC

В последовательной конфигурации MTDC несколько преобразовательных станций соединены последовательно, как компоненты в электрической цепи. Определяющей характеристикой этой конфигурации является то, что ток, проходящий через каждую преобразовательную станцию, остается идентичным, так как он задается одной из станций. Однако падение напряжения распределяется между преобразовательными станциями, с каждой станцией испытывающей часть общего падения напряжения в последовательно соединенной сети.

Последовательная система MTDC (продолжение)

Последовательная система MTDC может рассматриваться как расширенная версия двухтерминальной системы HVDC, включающая несколько преобразовательных станций, соединенных последовательно, как показано на сопроводительной диаграмме. Обычно преобразовательные станции в последовательной конфигурации MTDC имеют меньшую мощность по сравнению с теми, которые используются в параллельных системах MTDC.

Эта система обычно использует моноопорные линии постоянного тока, где линия постоянного тока заземлена только в одной определенной точке. Для защиты от переходных электрических выбросов на других участках линии можно установить заземляющий конденсатор в качестве дополнительной защитной меры.

Согласование изоляции в последовательной системе MTDC представляет значительные трудности из-за различного напряжения постоянного тока на каждой станции. Механизм управления потоком мощности в последовательной системе MTDC более сложен по сравнению с параллельной системой. В параллельной системе MTDC поток мощности можно регулировать, вводя ток в определенные линии, тогда как в последовательной системе управление потоком мощности зависит от регулирования напряжения на каждой терминальной станции.

Обратное направление потока мощности в последовательной системе MTDC может быть легко достигнуто с использованием как преобразователей с источником напряжения (VSC), так и преобразователей с источником тока (CSC). Однако, если происходит отказ или запланированное техническое обслуживание определенной линии, вся сеть постоянного тока будет обесточена. Аналогично двухтерминальной системе HVDC, используются выключатели переменного тока на стороне AC для обесточивания сети постоянного тока. Расширение последовательной системы MTDC также представляет трудности. Установка новых терминальных станций требует полного отключения сети, так как кольцевая сеть постоянного тока должна быть разорвана в точке установки, что приводит к нарушению энергоснабжения всех остальных станций вдоль пути.

Параллельная система MTDC

В параллельной системе MTDC несколько преобразовательных станций, функционирующих как инверторы или станции нагрузки, соединены с одной преобразовательной станцией, действующей как выпрямитель. Эта выпрямительная станция обеспечивает энергией всю сеть постоянного тока. Аналогично параллельной электрической цепи, напряжение остается постоянным на всех инверторных или нагрузочных станциях, его значение задается одной из преобразовательных станций. В то время как поставка тока варьируется в зависимости от потребности в мощности каждой станции. Для поддержания сбалансированного поставки тока, ток динамически регулируется в ответ на требования мощности отдельных нагрузочных станций. Обычно терминальные станции в параллельной системе MTDC имеют большую мощность, чем те, которые используются в последовательной сети MTDC.

Параллельная система MTDC (продолжение)

Обратное направление потока мощности в параллельной системе MTDC может быть достигнуто либо путем изменения напряжения, либо путем изменения тока. При использовании метода изменения напряжения, который обычно связан с преобразовательными станциями на основе источника тока (CSC), это влияет на все преобразовательные станции. В результате, среди этих преобразователей необходимо внедрять очень сложные системы управления и связи для управления этим эффектом. С другой стороны, если обратное направление мощности достигается с использованием метода изменения тока, который часто связан с преобразовательными станциями на основе источника напряжения (VSC), процесс гораздо проще выполнить. Это основная причина, по которой VSC предпочитаются CSC в параллельных системах MTDC.

В системе MTDC на основе VSC, поскольку напряжение остается постоянным, мощность терминальной станции определяется токовыми характеристиками преобразователя. Эта конфигурация предлагает значительное преимущество в управлении потоком мощности в сети постоянного тока. Она может точно регулировать поток мощности, вводя ток в определенные линии, что является более удобным подходом по сравнению с механизмом управления мощностью в последовательных системах, который зависит от регулирования напряжения на каждой станции.

Одной из наиболее заметных особенностей параллельной системы MTDC является ее устойчивость к отказам. Если происходит отказ на любой из терминальных станций, оставшаяся часть сети постоянного тока остается не затронутой. Однако, для изоляции определенных линий постоянного тока, связанных с отказавшей станцией, требуется отдельный выключатель постоянного тока. Кроме того, при расширении сети постоянного тока нет необходимости прерывать энергоснабжение. Это потому, что новые терминальные станции могут быть установлены параллельно существующим линиям, обеспечивая бесшовную интеграцию без нарушения текущего распределения энергии.

Еще одним преимуществом параллельной системы MTDC является относительно простое согласование изоляции по сравнению с последовательной системой. Из-за постоянного напряжения в сети, требования к изоляции гораздо проще управлять.

Параллельная система MTDC может быть дополнительно классифицирована на два типа:

Радиальная система MTDC

Радиальная система MTDC является специфическим типом параллельной конфигурации MTDC. В этом варианте, если произойдет разрыв в линии передачи или удаление одного соединения, это приведет к прерыванию энергоснабжения одной или нескольких преобразовательных станций. Эта характеристика делает радиальную систему MTDC несколько уязвимой к сценариям с единственной точкой отказа, так как любое нарушение в линии передачи может直接影响电力传输的可靠性。在辐射型 MTDC 系统中，如果任何一条线路中断或移除一个连接，将导致一个或多个换流站的供电中断。这使得辐射型 MTDC 系统在单点故障情况下较为脆弱，因为传输线路中的任何中断都会直接影响网络某些部分的供电。 <图片> 提供的图示显示了四个逆变器站连接到一个整流器站的配置。在这种设置中，显然，如果任何一条线路中断，至少会有一个终端站的供电中断。这种脆弱性使得辐射型 MTDC 系统相比网状或环形 MTDC 系统的可靠性较低。 网状（环形）MTDC 系统 在网状或环形 MTDC 系统中，逆变器（负载）站以网状或环形的形式与一个整流器站互连。这种配置的一个关键优势是，即使单条传输线路中断或移除一个连接，也不会导致任何逆变器站的供电中断。后续图示清楚地展示了这种网状或环形 MTDC 系统。这种固有的抗线路故障能力使网状或环形 MTDC 系统在某些应用中成为更可靠的电力传输和分配选项，因为它能够更好地承受干扰并确保连接负载站的持续供电。 <图片> 如图所示，在网状或环形 MTDC 系统中，移除任何单一连接都不会中断任何换流站的供电。相反，电能会自动通过网络中的其他连接重新路由。这种无缝重定向得益于网状或环形结构的互连特性。然而，必须注意的是，这些替代连接必须精心设计，以处理增加的电力传输并最小化功率损耗。 网状 MTDC 系统不断电的优势是显著的。它确保了即使在意外链接故障的情况下也能持续稳定供电。因此，与并联连接的辐射型系统相比，并联连接的网状 MTDC 系统提供了更高的可靠性。辐射型系统的单链路中断易导致停电，而网状系统在类似情况下保持电力流动的能力更强，使其成为对不间断供电至关重要的应用中的首选方案。