Konfiguracije sistema visokonaponskog prenosa jednosmernog struja (HVDC)

Visokonaponski prenos jednosmernog struja, često skraćen kao HVDC, predstavlja izuzetno efikasnu metodu za prenos snage na daleke udaljenosti, značajno smanjujući gubitke snage u odnosu na tradicionalni prenos struje promenljive (AC). Sistem HVDC može biti implementiran u različitim konfiguracijama, svaka prilagođena specifičnim operativnim zahtevima. Ovaj članak pruža sažetak glavnih tipova konfiguracija sistema HVDC.

Sistemi HVDC povratne veze

U konfiguraciji HVDC povratne veze (B2B), rektifikator i inverzor, koji su ključni komponenti pretvarača, smješteni su unutar iste terminalne stanice. Ove dvije komponente pretvarača direktno su povezane povratnom vezom. Primarna funkcija ove konfiguracije je da poveže dva odvojena sistema AC snage. To postiže tako što najprije pretvara dolaznu AC snagu u DC putem rektifikatora, a zatim odmah transformiše DC snagu natrag u AC koristeći inverzor.

Sistemi HVDC povratne veze (Nastavak)

Postavka HVDC povratne veze instalirana je unutar jedne sobe i služi za međusobno povezivanje dva asinhrona sistema AC snage. Zbog direktnog povezivanja povratnom vezom rektifikatora i inverzora, nema potrebe za DC linijom prenosa. Da bi se smanjio broj tireistora povezanih serijalno, srednja DC napona namjerno se održava na niskoj razini. Umeđutim, jačina struje ove konfiguracije može doseći nekoliko hiljada ampera.

Ovaj tip sistema HVDC posebno je koristan za povezivanje dva asinhrona sistema AC snage u sljedećim scenarijima:

• Kada dva AC sistema ili mreže rade na različitim frekvencijama.

• Kada dva sistema imaju istu frekvenciju ali pokazuju faznu razliku.

Dvosmerni sistem HVDC

U dvosmernoj konfiguraciji sistema HVDC postoje dve odvojene terminalne stanice, svaka funkcionira kao stanica pretvarača. Jedna stacija sadrži rektifikator, dok druga sadrži inverzor. Ove dvije terminalne stanice povezane su HVDC linijom prenosa, omogućujući efikasan prenos električne snage na daleke udaljenosti. Ova postavka dizajnirana je da prevaziđe ograničenja tradicionalnog prenosa AC snage za prenos snage na daleke udaljenosti, iskoristi prednosti DC snage kako bi se smanjili gubitci snage i poboljšala efikasnost prenosa kroz velike geografske područja.

Dvosmerni sistem HVDC ima direktnu vezu između dvije tačke bez paralelnih linija prenosa ili međuprepodnjaka duž linije prenosa. Ova karakteristika dovodi do njegovog alternativnog naziva, točka-do-točka prenos snage. Idealno je pogodan za primene prenosa snage između dvije lokacije koje su geografski udaljene jedna od druge.

Jedna od značajnih prednosti dvosmernog sistema HVDC jeste da ne zahteva HVDC prekidnik. U slučaju održavanja ili čišćenja grešaka, AC prekidnici na strani AC mogu se koristiti za deenergizaciju DC linije. U usporedbi s DC prekidnicima, AC prekidnici imaju jednostavnije dizajn i niže troškove, čime se dvosmerni sistem HVDC čini ekonomičnijim i lakšim za održavanje.

Višeterminalni DC (MTDC) sistem

Višeterminalni DC (MTDC) sistem predstavlja složeniju konfiguraciju sistema HVDC. Koristi više linija prenosa kako bi se uspostavile veze između više od dvije tačke. Ova postavka sastoji se od nekoliko terminalnih stanica, svaka opremljena svojim pretvaračem, sve povezane mrežom HVDC linija prenosa. Unutar ove mreže, neki pretvarači funkcioniraju kao rektifikatori, pretvarajući AC snagu u DC, dok drugi funkcioniraju kao inverzori, transformirajući DC snagu natrag u AC za raspodjelu na opterećenja. Temeljna princip MTDC sistema jest da ukupna snaga koju dostavlja rektifikatorske stanice mora biti jednaka kombinovanoj snazi koju primaju inverzorske (opterećene) stanice, osiguravajući balansiran i efikasan protok snage kroz povezanu mrežu.

Višeterminalni DC (MTDC) sistem (Nastavak)

MTDC mreža je analogna AC mreži po svojoj fleksibilnosti, ali nudi jedinstvenu prednost: mogućnost preciznog kontrole protoka snage unutar distribuirane DC mreže. Međutim, ova poboljšana funkcionalnost dolazi uz cijenu povećane kompleksnosti, čime se MTDC sistem čini značajno složenijim od dvosmernog sistema HVDC.

U postavci MTDC, ovladavanje AC prekidnicima na strani AC nije moguće. U suprotnosti sa dvosmernim sistemom, korišćenje AC prekidnika bi deenergizovalo celu DC mrežu umjesto samo izolacije greške ili linije za održavanje. Da bi se to rešilo, MTDC sistem zahteva više DC switchgear komponenti, poput prekidnika. Ovi specijalizovani DC prekidnici dizajnirani su da sigurno deenergizuju krugove ili izoliraju specifične delove tokom održavanja ili čišćenja grešaka, osiguravajući stabilnost i pouzdanost mreže.

Održavanje balansa sistema je ključno u MTDC sistemu. Ukupna struja koju dostavlja rektifikatorske stanice mora točno odgovarati struji koju potroši inverzorske stanice. Kada dođe do naglog porasta potražnje za snagom bilo kojeg inverzorskog stanice, DC izlazna snaga treba biti odgovarajuće povećana kako bi se ispunovalo povećano opterećenje. Tijekom ovog procesa, nužno je pažljivo pratiti i kontrolisati napon koji se dostavlja i rad inverzora kako bi se spriječilo preopterećenje, što bi moglo dovesti do propusta sistema.

Jedna od ključnih prednosti MTDC sistema jeste njihova pouzdanost tijekom prisilnih isključivanja. U slučaju neočekivanog padanja snage na bilo kojoj generacijskoj stanici, sistem može brzo preusmjeriti snagu kroz alternative stanice pretvarača, minimizirajući prekid ukupne snage.

Primene MTDC

• Integracija obnovljivih izvora energije: Omogućava povezivanje više DC baziranih farmi obnovljive energije s različitim mrežama snage, omogućavajući efikasnu distribuciju čiste energije.

• Pobrzina vjetra: Omogućava povezivanje više pobrzina vjetra na šire mreže, prevazilažući izazove povezani s prenosom velikih količina snage na daleke udaljenosti s udaljenih lokacija.

• Prevoz velikih količina snage: Omogućava prevoz velikih količina snage iz više udaljenih AC generatora na više centara opterećenja, optimizirajući distribuciju snage kroz velika područja.

• Međusobno povezivanje mreža: Dozvoljava međusobno povezivanje dva asinhrona sistema AC snage, poboljšavajući stabilnost mreže i sposobnosti razmjene snage.

• Realokacija snage: Omogućava realokaciju snage u slučaju propusta snage na pojedinačnim generatorima, osiguravajući neprekidnu dostavu snage potrošačima.

• Podrška AC mreži: Može pružiti dodatnu snagu teško opterećenim AC mrežama korišćenjem jednog rektifikatora i više inverzora za ubacivanje snage u AC mrežu, olakšavajući gužvu i poboljšavajući ukupnu performansu mreže.

• Fleksibilno uzimanje snage: Nudi fleksibilnost u uzimanju snage na više tačaka unutar mreže, prilagođavajući se različitim potrebama za snagu i zahtevima za distribuciju.

MTDC sistemi mogu biti kategorizirani u dva glavna tipa:

Serijalni MTDC sistem

U serijalnoj konfiguraciji MTDC, više stanica pretvarača povezanih je serijalno, kao komponente u električnom serijalnom krugu. Definirajuća karakteristika ove postavke je da struja koja teče kroz svaku stanicu pretvarača ostaje identična, jer je postavljena od strane jedne od stanica. Međutim, pad napona je distribuiran među stanicama pretvarača, gdje svaka stacija iskusava dio ukupnog pada napona duž serijalno povezane mreže.

Serijalni MTDC sistem (Nastavak)

Serijalni MTDC sistem može se smatrati proširenom verzijom dvosmernog sistema HVDC, uključujući više stanica pretvarača povezanih serijalno, kao što je prikazano na priloženoj slici. Obično, stanice pretvarača u serijalnoj postavci MTDC imaju manju kapacitetu u odnosu na one koje se koriste u paralelnim sistemima MTDC.

Ovaj sistem obično koristi monopolarne DC veze, gdje je DC linija zazemljena samo na jednoj specifičnoj tački. Zaštita od privremene elektromagnetske interferencije, kondenzator zazemljenja može biti instaliran na drugim tačkama duž linije kao dodatna zaštitna mera.

Koordincija izolacije u serijalnom MTDC sistemu predstavlja značajne izazove zbog varijabilnih DC napona na svakoj stanici. Mekhanizam kontrole protoka snage u serijalnom MTDC sistemu je složeniji u usporedbi s paralelnim MTDC sistemom. U paralelnom MTDC sistemu, protok snage može se regulirati ubacivanjem struje u specifične linije, dok u serijalnom MTDC sistemu, kontrola protoka snage zavisi o prilagođavanju napona na svakoj terminalnoj stanici.

Inverzija protoka snage u serijalnom MTDC sistemu može lako biti postignuta koristeći pretvarače izvora napona (VSC) i pretvarače izvora struje (CSC). Međutim, kada dođe do greške ili planiranog održavanja na određenoj liniji, cela DC mreža će doživeti isključenje. Slično dvosmernom HVDC sistemu, prekidnici na strani AC koriste se za deenergizaciju DC mreže. Proširenje serijalnog MTDC sistema također predstavlja izazove. Instalacija novih terminalnih stanica zahteva potpuno isključenje mreže, jer mora biti razdvojena ringovit DC mreže na tački instalacije, prekidajući snabdevanje strujom svih ostalih stanica duž puta.

Paralelni MTDC sistem

U paralelnom MTDC sistemu, više stanica pretvarača koje funkcioniraju kao inverzori ili stanice opterećenja povezane su sa jednom stanicom pretvarača koja radi kao rektifikator. Ova stacija rektifikatora snabdjevaju snagu cijeloj DC mreži. Analogno paralelnom električnom krugu, napon ostaje konstantan na svim inverzorskim ili stanicama opterećenja, sa svojom vrijednosti postavljene od strane jedne od stanica pretvarača. Suprotno tome, ponuda struje varira u skladu s potrebama za snagom na svakoj stanci. Da bi se održao balansirani protok struje, struja se dinamički prilagođava u odgovoru na potrebe pojedinačnih stanica opterećenja. Općenito, terminalne stanice u paralelnom MTDC sistemu imaju veću kapacitetu nego one u serijalnom MTDC mreži.

Paralelni MTDC sistem (Nastavak)

Inverzija protoka snage u paralelnom MTDC sistemu može biti postignuta preko metoda inverzije napona ili struje. Kada se koristi inverzija napona, koja je obično povezana sa stanicama temeljenima na pretvaračima izvora struje (CSC), utiče na sve stanice pretvarača. Stoga, mora biti implementiran vrlo sofisticirani sistem kontrole i komunikacije među ovim pretvaračima kako bi se upravljalo ovim efektom. S druge strane, ako se inverzija snage postigne korištenjem metode inverzije struje, koja je obično povezana sa stanicama temeljenima na pretvaračima izvora napona (VSC), postupak je mnogo jednostavniji za izvršenje. To je glavni razlog zašto VSC-ovi su preferirani nad CSC-ovima u paralelnim MTDC sistemima.

U VSC-baziranom MTDC sistemu, budući da napon ostaje konstantan, snaga stanice pretvarača određena je strujnim kapacitetima ventilskega pretvarača. Ova konfiguracija nudi značajan prednost u pogledu kontrole protoka snage unutar DC mreže. Može točno regulirati protok snage ubacivanjem struje u specifične linije, što je udobniji pristup u usporedbi s mehanizmom kontrole snage u serijalnim sistemima koji se oslanjaju na kontrolu napona na svakoj stanci.

Jedna od najznačajnijih karakteristika paralelnog MTDC sistema jeste njegova otpornost na greške. Ako dođe do greške na bilo kojoj terminalnoj stanci, ostatak DC mreže ostaje nepriznat. Međutim, za izolaciju specifičnih DC linija povezanih sa defektne stanci, potreban je odvojeni DC prekidnik. Također, tijekom proširenja DC mreže, nema potrebe za prekidom snabdevanja strujom. To je zato što nove terminalne stanice mogu biti instalirane paralelno s postojećim linijama, osiguravajući bezuslovnu integraciju bez prekida trajnog snabdevanja strujom.

Još jedan prednost paralelnog MTDC sistema jest relativno jednostavna koordinacija izolacije u usporedbi sa serijalnim sistemom. Budući da napon ostaje konstantan kroz mrežu, zahtjevi za izolacijom su jednostavniji za upravljanje.

Paralelni MTDC sistem može biti dalje klasificiran u dvije kategorije:

Radialni MTDC sistem

Radialni MTDC sistem predstavlja specifičnu vrstu paralelnog MTDC-a. U ovoj postavci, ako dođe do prekida u liniji prenosa ili uklanjanja jedne veze, to će dovesti do prekida snabdevanja strujom jedne ili više stanica pretvarača. Ova karakteristika čini radialni MTDC sistem malo ranjiv na scenarije sa jednim tačkom propusta, jer bilo kakva prekida u liniji prenosa može imati direktni uticaj na snabdevanje strujom određenih dijelova mreže.

Prikazana figura prikazuje konfiguraciju u kojoj su četiri inverzorske stanice povezane sa jednom stanicom rektifikatora. U ovoj postavci jasno je da ako dođe do prekida u bilo kojoj od linija, to neizbežno dovesti će do prekida snabdevanja strujom barem jedne terminalne stanice. Ova ranjivost čini radialni MTDC sistem manje pouzdanim u usporedbi sa mrežnim ili prstenastim MTDC sistemima.

Mrežni (Prstenasti) MTDC sistem

U mrežnom ili prstenastom MTDC sistemu, inverzorske (opterećene) stanice su povezane sa jednom stanicom rektifikatora u mrežnoj ili prstenasto formaciji. Jedna od ključnih prednosti ove konfiguracije jest da čak i ako dođe do prekida u jednoj liniji prenosa ili uklanjanja jedne veze, to ne dovede do prekida snabdevanja strujom bilo koje od inverzorskih stanica. Sljedeća figura jasno ilustrira takav mrežni ili prstenasti MTDC sistem. Ova intrinska otpornost na prekide linija čini mrežni ili prstenasti MTDC sistem pouzdanijom opcijom za prenos i distribuciju snage u određenim primenama, jer može bolje podnijeti prekide i osigurati neprekidno snabdevanje strujom povezanim stanica opterećenja.

Kao što je prikazano, u mrežnom ili prstenastom MTDC sistemu, uklanjanje bilo koje pojedinačne veze ne prekida snabdevanje strujom bilo koje stanice pretvarača. Umjesto toga, električna snaga automatski se preusmjerava kroz alternative veze unutar mreže. Ovo besprekidno preusmjeravanje omogućeno je povezanom karakteru mrežne ili prstenaste konfiguracije. Međutim, važno je napomenuti da ove alternative veze moraju biti pažljivo dizajnirane kako bi se obradile povećanu prenos struje dok minimaliziraju gubitke struje.

Odsustvo prekida snabdevanja strujom u mrežnom MTDC sistemu predstavlja značajnu prednost. Osigurava neprekidno i stabilno snabdevanje strujom, čak i u situacijama neočekivanih prekida veza. Stoga, paralelno povezani mrežni MTDC sistem nudi superiornu pouzdanost u usporedbi sa svojim paralelnim radialnim kontrapartijom. Ranjivost radialnog sistema na prekide snabdevanja strujom zbog prekida pojedinačnih veza izgleda slabija u usporedbi sa sposobnošću mrežnog sistema da održi protok struje u sličnim okolnostima, čineći mrežni ili prstenasti MTDC sistem preferiranim izborom za primene gdje je neprekidno snabdevanje strujom od najveće važnosti.