Konfiguracije sistema visokonapetostnega enosmerne struje (HVDC)

Visokonapetostna enosmerna struja, običajno okrajšana kot HVDC, je zelo učinkovit način prenosa električne energije na daleč razdalje, ki znatno zmanjša izgube energije v primerjavi s tradicionalnim prenosom z alternerostrujo (AC). Sistem HVDC se lahko implementira v različnih konfiguracijah, vsaka prilagojena specifičnim operativnim zahtevam. Ta članek ponuja navedbo glavnih vrst konfiguracij sistema HVDC.

Sistemi HVDC tipa nazaj-v-nazaj

V konfiguraciji HVDC tipa nazaj-v-nazaj (B2B) sta ključni komponenti pretvornika, rektifikator in inverzor, nameščeni v istem terminalnem stanicu. Ti dve elementi pretvorbe sta neposredno povezani nazaj-v-nazaj med seboj. Osnovna funkcija te konfiguracije je povezava dveh ločenih sistemov AC struje. To doseže tako, da najprej pretvori vhodno AC strujno energijo v DC preko rektifikatorja in nato hitro spremeni DC strujno energijo nazaj v AC preko inverzorja.

Sistemi HVDC tipa nazaj-v-nazaj (Nadaljevanje)

Postavitev HVDC tipa nazaj-v-nazaj je nameščena v eni sobi in služi za povezavo dveh asinhronih sistemov AC struje. Glede na neposredni nazaj-v-nazaj povezave rektifikatorja in inverzorja ni potrebe za DC prenosno linijo. Za zmanjšanje števila tiristorjev, povezanih v serijo, je medsebna napetost DC namerno ohranjena na nizki ravni. Hkrati pa lahko tok ta postavitev doseže več tisoč amperov.

Ta vrsta sistema HVDC je zlasti uporabna za povezovanje dveh asinhronih sistemov AC struje v naslednjih situacijah:

• Ko delujeta dva sistema AC ali omrežji pri različnih frekvencah.

• Ko imata dva sistema enako frekvenco, toda prikazujeta fazni razliko.

Dvo-terminalni sistem HVDC

V dvo-terminalni konfiguraciji sistema HVDC obstajata dva ločena terminalna stanica, vsak deluje kot stanica pretvornika. V eni stanici je rektifikator, v drugi inverzor. Ti dva terminala sta povezana z prenosno linijo HVDC, kar omogoča učinkovit prenos električne energije na daleč razdalje. Ta postavitev je zasnovana za premočenje omejitev tradicionalnega prenosa AC za dolgočasni prenos energije, ki izkorišča prednosti DC energije za zmanjšanje izgub energije in izboljšanje učinkovitosti prenosa na velikih geografskih površinah.

Dvo-terminalni sistem HVDC ima neposredni povezavo med dvema točkama brez vzporednih prenosnih linij ali medsebnih odvodov po prenosni liniji. Ta karakteristika mu prinaša tudi alternativno ime, točka-do-točke prenos energije. Je idealno primern za oskrbo z energijo med dvema lokacijama, ki sta geografsko oddaljeni druga od druge.

Eno od značilnih prednosti dvo-terminalnega sistema HVDC je, da ne zahteva preklopnika HVDC. V primeru vzdrževanja ali odpravljanja napak se lahko uporabijo preklopniki AC na strani AC za deenergiziranje DC linije. Preklopniki AC so enostavnejši in cenejši v primerjavi s preklopniki DC, kar dvo-terminalni sistem HVDC naredi bolj ekonomičnega in lažje vzdržljivega.

Večterminalni sistem DC (MTDC)

Večterminalni sistem DC (MTDC) predstavlja bolj kompleksno konfiguracijo sistema HVDC. Uporablja več prenosnih linij za vzpostavitev povezav med več kot dvema točkama. Ta postavitev vključuje več terminalnih stanica, vsaka opremljena z lastnim pretvornikom, vse povezane z omrežjem prenosnih linij HVDC. V tem omrežju delujejo nekateri pretvorniki kot rektifikatorji, ki pretvarjajo AC energijo v DC, drugi pa kot inverzorji, ki pretvarjajo DC energijo nazaj v AC za distribucijo na opterečbe. Temeljni načel MTDC sistema je, da mora skupna moč, ki jo zagotavljajo stanice rektifikatorjev, biti enaka kombinirani moči, ki jo prejmejo stanice inverzorjev (opterečbe), kar zagotavlja uravnotežen in učinkovit pretok energije po povezanem omrežju.

Večterminalni sistem DC (MTDC) (Nadaljevanje)

MTDC omrežje je podobno omrežju AC glede na svojo prilagodljivost, vendar ponuja edinstveno prednost: možnost natančne kontrole pretoka energije znotraj porazdeljenega DC omrežja. Ta povečana funkcionalnost pa prinaša tudi večjo zapletenost, kar MTDC sistem naredi zelo bolj zapleten od dvo-terminalne konfiguracije sistema HVDC.

V postavitvi MTDC ni mogoče uporabiti preklopnikov AC na strani AC. V nasprotju z dvo-terminalnim sistemom bi uporaba preklopnika AC deenergizirala celotno DC omrežje namesto samo izolacije napake ali vzdrževalne linije. Da se to reši, zahteva MTDC sistem več komponent DC preklopnikov, kot so preklopniki. Ti posebni preklopniki DC so zasnovani, da varno deenergizirajo krinke ali izolirajo specifične dele med vzdrževanjem ali odpravljanjem napak, kar zagotavlja stabilnost in zanesljivost omrežja.

Ohranjanje ravnovesja sistema je ključno v sistemu MTDC. Skupni tok, ki ga zagotavljajo stanice rektifikatorjev, mora natančno ujemati s tokom, ki ga porabijo stanice inverzorjev. Ko pride do nenadnega povečanja povpraševanja po energiji na kateri koli stanici inverzorja, mora biti DC moč ustrezno povečana, da bi zadostila povečani opterečbi. Med tem procesom je ključnega pomena tesno spremljati in nadzirati zagotovljeno napetost in delovanje inverzorjev, da se prepreči preobremenitev, ki bi lahko vodila do odpovedi sistema.

Eden od ključnih prednosti sistemov MTDC je njihova zanesljivost med prisilnimi odpusti. V primeru nepričakovane odpovedi na eni izmed generacijskih stanica lahko sistem hitro preusmeri energijo preko alternativnih stanica pretvornikov, kar zmanjša motnje v celotni oskrbi z energijo.

Uporabe MTDC

• Integracija obnovljive energije: Omogoča povezavo več DC baziranih obnovljivih energetskih farm z različnimi omrežji, kar omogoča učinkovito distribucijo čiste energije.

• Vetrna energija na morju: Omogoča povezavo več vetrnih farm na morju z omrežjem na obali, premočenjuje težave, povezane z prenosom velike količine energije na daleč razdalje iz oddaljenih lokacij na morju.

• Prenos velikih količin energije: Omogoča prenos velikih količin energije iz več oddaljenih generacijskih stanica AC v več opterečbenih centrov, optimizira distribucijo energije na velikih območjih.

• Povezava omrežij: Omogoča povezavo med dvema asinhronima sistemoma AC struje, izboljša stabilnost omrežja in zmogljivosti izmenjave energije.

• Realokacija oskrbe z energijo: Omogoča realokacijo oskrbe z energijo v primeru odpovedi na posameznih generacijskih stanici, zagotavlja zvezno dostavljanje energije potrošnikom.

• Podpora omrežju AC: Lahko prinaša dodatno energijo obremenjenim omrežjem AC z uporabo enega rektifikatorja in več inverzorjev, ki vstavljajo energijo v omrežje AC, olajša preobremenjenost in izboljša skupno delovanje omrežja.

• Prilagodljivo branje energije: Ponuja prilagodljivost branja energije na več točkah znotraj omrežja, prilagaja se različnim povpraševanjam po energiji in zahtevam za distribucijo.

Sistemi MTDC se lahko razdelijo na dve glavni vrsti:

Serija MTDC

V seriji konfiguracije sistema MTDC so več stanica pretvornikov povezane v serijo, podobno komponentam v električnem serijskem vezju. Definicirajoča značilnost te postavitve je, da tok, ki teče skozi vsako stanico pretvornika, ostane enak, saj ga določi ena od stanica. Napor, ki pada, pa je porazdeljen med stanice pretvornikov, vsaka stanica doživi del skupnega padca napetosti v seriji povezanih omrežju.

Serija MTDC (Nadaljevanje)

Sistem serije MTDC se lahko obravnava kot razširjena različica dvo-terminalnega sistema HVDC, ki vključuje več stanica pretvornikov, povezanih v serijo, kot je prikazano na priloženi shemi. Običajno imajo stanice pretvornikov v postavitvi serije MTDC manjšo kapaciteto v primerjavi z tistimi, ki se uporabljajo v vzporednih sistemih MTDC.

Ta sistem običajno uporablja monopolarne DC povezave, kjer je DC linija zazemljena le na eni specifični točki. Za zaščito pred trenutnimi električnimi udari se lahko namesti kondenzator zazemljenja na drugih točkah po liniji kot dodatna zaščitna merila.

Uskladitev izolacije v sistemu serije MTDC predstavlja veliko izzivov zaradi različnih napetosti DC v vsaki stanici. Mekhanizem nadzora pretoka energije v sistemu serije MTDC je bolj zapleten v primerjavi z mehanizmom vzporednega sistema MTDC. V vzporednem sistemu MTDC se pretok energije lahko regulira s vstavljanjem toka v specifične linije, medtem ko v sistemu serije MTDC nadzor pretoka energije temelji na prilagajanju napetosti v vsaki terminalni stanici.

Obrat pretoka energije v sistemu serije MTDC se lahko enostavno doseže z uporabo pretvornikov virev napetosti (VSC) in pretvornikov virev toka (CSC). Vendar, če se zgodi napaka ali je potrebno zakazano vzdrževanje za določeno linijo, bo celotno DC omrežje izkušalo izklop. Podobno kot v dvo-terminalnem sistemu HVDC se uporabljajo preklopniki AC na strani AC za deenergiziranje DC omrežja. Razširitev sistema serije MTDC prinaša tudi težave. Namestitev novih terminalnih stanica zahteva popoln izklop omrežja, ker mora biti krožno DC omrežje razdeljeno na mestu namestitve, kar moti oskrbo z energijo vseh drugih stanica po poti.

Vzporedni sistem MTDC

V vzporednem sistemu MTDC so več stanica pretvornikov, ki delujejo kot inverzorji ali stanice opterečbe, povezane z eno stanico pretvornika, ki deluje kot rektifikator. Ta stanica rektifikatorja zagotavlja energijo celotnemu DC omrežju. Podobno vzporednemu električnemu vezju ostane napetost konstantna v vseh stanicah inverzorjev ali opterečbe, njena vrednost pa je določena z eno od stanica pretvornikov. Na drugi strani se oskrba z tokom spreminja glede na potrebo po energiji v vsaki stanici. Za ohranjanje uravnotežene oskrbe z tokom se tok dinamično prilagaja glede na potrebe po energiji posameznih stanica opterečbe. Običajno imajo terminalne stanice v vzporednem sistemu MTDC višjo kapaciteto kot tiste v serijskem omrežju MTDC.

Vzporedni sistem MTDC (Nadaljevanje)

Obrat pretoka energije v vzporednem sistemu MTDC se lahko doseže z metodo obrata napetosti ali metoda obrata toka. Pri uporabi metode obrata napetosti, ki je običajno povezana s stanicami terminala, ki temeljijo na pretvornikih virev toka (CSC), ima vpliv na vse stanice pretvornikov. Zato mora biti implementiran zelo sofisticiran sistem nadzora in komunikacije med temi pretvorniki, da se upravlja ta učinek. Če pa se obrat energije doseže z metodo obrata toka, ki je pogosto povezana s stanicami terminala, ki temeljijo na pretvornikih virev napetosti (VSC), je postopek mnogo enostavnejši za izvedbo. To je glavni razlog, zakaj se VSC v vzporednih sistemih MTDC preferirajo pred CSC.

V vzporednem sistemu MTDC, temeljnjem na VSC, ko napetost ostane konstantna, je moč stanice terminala določena z meritvami toka ventilskega pretvornika. Ta konfiguracija ponuja značilen prednost v smislu nadzora pretoka energije znotraj DC omrežja. Pretok energije se lahko natančno regulira s vstavljanjem toka v specifične linije, kar je bolj enostaven pristop v primerjavi z mehanizmom nadzora moči v serijah, ki temelji na nadzoru napetosti v vsaki stanici.

Eden najbolj značilnih prednosti vzporednega sistema MTDC je njegova odpornost na napake. Če se zgodi napaka v kateri koli stanici terminala, ostali del DC omrežja ostane nevtraliziran. Vendar, za izolacijo specifičnih DC linij, povezanih s stanico z napako, je potreben ločen preklopnik DC. Poleg tega, med razširjanjem DC omrežja, ni potrebe za prekinitev oskrbe z energijo. To zato, ker se lahko nove stanice terminala nameste vzporedno z obstoječimi linijami, kar omogoča gladko integracijo brez motenj v trajučo distribucijo energije.

Druga prednost vzporednega sistema MTDC je njegovo relativno preprosta uskladitev izolacije v primerjavi z serijo. Zaradi konstantne napetosti po omrežju so zahteve za izolacijo lažje upravljati.

Vzporedni sistem MTDC se lahko dodatno razdeli na dve kategoriji:

Radijalni sistem MTDC

Radijalni sistem MTDC je specifična vrsta vzporedne konfiguracije sistema MTDC. V tej postavitvi bo, če pride do prekinitve v prenosni liniji ali odstranitve enega povezave, došlo do prekinitve oskrbe z energijo ene ali več stanica pretvornikov. Ta značilnost radijalnega sistema MTDC ga naredi nekoliko ranljiv na scenarije z eno točko odpovedi, saj ima vsaka motnja v prenosni liniji neposredni vpliv na oskrbo z energijo določenih delov omrežja.

Prikazana slika prikazuje konfiguracijo, kjer so štiri stanice inverzorjev povezane z eno stanicijo rektifikatorja. V tej postavitvi je očitno, da bo, če pride do prekinitve katere koli od linij, to neizbežno vodilo do prekinitve oskrbe z energijo vsaj ene terminalne stanice. Ta ranljivost naredi radijalni sistem MTDC manj zanesljiv v primerjavi s sistemoma Mreža ali Prsten MTDC.

Mrežni (Prstni) sistem MTDC

V mrežnem ali prstnem sistemu MTDC so stanice inverzorjev (opterečbe) povezane z eno stanicijo rektifikatorja v mrežastem ali prstnem obliku. Eden ključnih prednosti te konfiguracije je, da tudi, če pride do prekinitve ene prenosne linije ali odstranitve enega povezave, to ne vodi do prekinitve oskrbe z energijo nobene stanice inverzorja. Naslednja slika jasno prikazuje takšen mrežni ali prstni sistem MTDC. Ta notranja odpornost na prekine prenosnih linij naredi mrežni ali prstni sistem MTDC bolj zanesljiv izbor za prenos in distribucijo energije v določenih aplikacijah, saj bolje odvrne motnje in zagotavlja zvezno oskrbo z energijo povezanim stanicam opterečbe.

Kot je prikazano, v mrežastem ali prstnem sistemu MTDC odstranitev katere koli ene povezave ne moti oskrbe z energijo nobene stanice pretvornika. Namesto tega se električna energija avtomatsko preusmeri preko alternativnih povezav znotraj omrežja. Ta gladko preusmeritev je omogočena z povezano naravo mrežastega ali prstnega oblikovanja. Vendar je ključnega pomena, da so te alternativne povezave natančno zasnovane, da bodo lahko prenašale povečano količino energije, hkrati pa minimalizirale izgube energije.

Odsotnost prekinitev oskrbe z energijo v mrežastem sistemu MTDC je značilna prednost. To zagotavlja zvezno in stabilno oskrbo z energijo, tudi v primeru nepričakovanih odpovedi povezav. Torej vzporedno povezan mrežasti sistem MTDC ponuja boljšo zanesljivost v primerjavi s vzporedno povezanim radijalnim sistemom. Radijalni sistem, ki je ranljiv na prekine oskrbe z energijo zaradi prekinitve ene povezave, je v primerjavi z močno sposobnostjo mrežastega ali prstnega sistema ohranjati pretok energije v podobnih okoliščinah, naredi mrežasti ali prstni sistem MTDC preferirani izbor za aplikacije, kjer je nesporečena dostava energije najpomembnejša.