Högspännings likströms (HVDC) systemkonfigurationer

Högspännings likström, vanligtvis förkortat som HVDC, är en mycket effektiv metod för långdistansöverföring av el, vilket reducerar strömförluster betydligt jämfört med traditionell växelströmsöverföring. Ett HVDC-system kan implementeras i olika konfigurationer, var och en anpassad till specifika driftsbehov. Denna artikel ger en kort översikt över de huvudsakliga typerna av HVDC-systemkonfigurationer.

Back-to-back HVDC-system

I en back-to-back (B2B) HVDC-konfiguration är både rektifieraren och inverteraren, som är viktiga komponenter i omvandlaren, placerade inom samma terminalstation. Dessa två omvandlardelelement är direkt kopplade back-to-back med varandra. Det primära syftet med denna konfiguration är att koppla ihop två separata växelströmsnät. Det uppnår detta genom att först omvandla den inkommande växelströmmen till likström via rektifieraren och sedan omedelbart omvandla likströmmen tillbaka till växelström med hjälp av inverteraren.

Back-to-back HVDC-system (fortsättning)

Den back-to-back HVDC-uppsättningen installeras inom ett enda rum och fungerar för att koppla ihop två asynkrona växelströmsnät. Eftersom rektifieraren och inverteraren är direkt kopplade back-to-back, finns det ingen behov av en likströmsöverföringsledning. För att minimera antalet thyristorer som är kopplade i serie, bibehålls mellanlikströmsvolten medvetet på ett lågt nivå. Samtidigt kan strömbelastningen för denna konfiguration nå flera tusen amperer.

Denna typ av HVDC-system är särskilt användbar för att länka två asynkrona växelströmsnät i följande scenarier:

• När de två växelströmsnäten eller energinät opererar på olika frekvenser.

• När de två systemen har samma frekvens men visar en fasförsprång.

Tvåterminalig HVDC-system

I en tvåterminalig HVDC-konfiguration finns det två distinkta terminalstationer, där varje station fungerar som en omvandlingsstation. En station innehåller en rektifierare, medan den andra innehåller en inverterare. Dessa två terminaler är kopplade med en HVDC-överföringsledning, vilket möjliggör effektiv överföring av elektrisk kraft över långa avstånd. Denna uppställning är utformad för att övervinna begränsningarna hos traditionell växelströmsöverföring för långdistanstransport, genom att dra nytta av likströmsfördelarna för att minimera strömförluster och förbättra överföringsverkningsgraden över stora geografiska områden.

Det tvåterminaliga HVDC-systemet har en direkt anslutning mellan två punkter utan några parallella överföringsledningar eller mellanledningar längs överföringsledningen. Denna egenskap ger upphov till dess alternativa namn, punkt-till-punkt-strömförsörjning. Det passar idealiskt för strömförsörjningsapplikationer mellan två platser som är geografiskt avlägsna från varandra.

En av de märkbara fördelarna med det tvåterminaliga HVDC-systemet är att det inte kräver en HVDC-brytare. Vid underhåll eller vid borttagning av fel kan växelströmsbrytarna på växelströmsidan användas för att avenergisera likströmslinjen. Jämfört med likströmsbrytare har växelströmsbrytare en enklare design och kommer till ett lägre pris, vilket gör det tvåterminaliga HVDC-systemet mer ekonomiskt och lättare att underhålla.

Flerterminalig DC (MTDC)-system

Flerterminalig DC (MTDC)-system representerar en mer komplex HVDC-konfiguration. Det använder flera överföringsledningar för att etablera anslutningar mellan mer än två punkter. Denna uppställning består av flera terminalstationer, var och en utrustad med sin egen omvandlare, alla interkopplade av ett nätverk av HVDC-överföringsledningar. Inuti detta nätverk fungerar vissa omvandlare som rektifierare, som omvandlar växelström till likström, medan andra fungerar som inverterare, som omvandlar likström tillbaka till växelström för distribution till belastningar. Ett grundläggande princip för MTDC-systemet är att den totala effekten som levereras av rektifieringsstationerna måste vara lika med den kombinerade effekten som tas emot av inverterings (belastnings) stationerna, vilket säkerställer en balanserad och effektiv effektflöde över det interkopplade nätverket.

Flerterminalig DC (MTDC)-system (fortsättning)

MTDC-nätverket är analogt till ett växelströmsnät i fråga om flexibilitet, men det erbjuder en unik fördel: möjligheten att exakt kontrollera effektflödet inom det distribuerade likströmsnätet. Dock kommer denna förbättrade funktionalitet med ökad komplexitet, vilket gör MTDC-systemet betydligt mer intrigerande än en tvåterminalig HVDC-konfiguration.

I en MTDC-uppsättning är det inte möjligt att förlita sig på växelströmsbrytare på växelströmsidan. I motsats till i ett tvåterminaligt system skulle användning av en växelströmsbrytare avenergisera hela likströmsnätet istället för att isolera endast den felaktiga eller underhållsbenävna linjen. För att hantera detta krävs flera likströmsbrytarutrustningar i MTDC-systemet, såsom brytare. Dessa specialiserade likströmsbrytare är utformade för att säkert avenergisera kretsar eller isolera specifika delar under underhållsoperationer eller vid borttagning av fel, vilket säkerställer stabilitet och tillförlitlighet i nätverket.

Att upprätthålla systembalans är avgörande i ett MTDC-system. Den totala strömmen som levereras av rektifieringsstationerna måste exakt matcha den ström som konsumeras av inverteringsstationerna. När det plötsligt uppstår en ökning i effektbehovet från någon inverteringsstation behöver likströmseffekten ökas i enlighet med det ökade belastningen. Under denna process är det viktigt att noggrant övervaka och styra både den levererade spänningen och inverterarnas drift för att undvika överbelastning, vilket kan leda till systemfel.

Ett av de viktigaste starka sidorna med MTDC-system är deras tillförlitlighet vid tvingade avbrott. Vid ett oväntat strömförsorgsmisslyckande vid en av genereringsstationerna kan systemet snabbt omdirigera ström genom alternativa omvandlingsstationer, vilket minimerar avbrottet i den totala strömförsörjningen.

Tillämpningar av MTDC

• Integration av förnybar energi: Möjliggör anslutningen av flera DC-baserade förnybara energiparker till olika energinät, vilket möjliggör effektiv distribution av ren energi.

• Havsbaserad vindkraft: Möjliggör anslutningen av flera havsbaserade vindkraftsparkar till landbaserade energinät, vilket övervinner utmaningarna med att överföra stora mängder energi över långa avstånd från avlägsna havsbaserade platser.

• Massiv effektöverföring: Möjliggör överföring av storskalig effekt från flera avlägsna växelströmsgenereringsstationer till flera belastningscentrum, vilket optimerar effektutsättningen över stora regioner.

• Nätverkskoppling: Tillåter koppling mellan två asynkrona växelströmsnät, vilket förbättrar nätstabillitet och effektexterningsförmågor.

• Effektomfördelning: Möjliggör effektomfördelning vid strömförsorgsmisslyckanden vid enskilda genereringsstationer, vilket säkerställer kontinuerlig effektleverans till kunder.

• Stöd för växelströmsnät: Kan tillhandahålla ytterligare effekt till tungt belastade växelströmsnät genom att använda en enda rektifierare och flera inverterare för att injicera effekt i växelströmsnätet, vilket lindrar överbelastning och förbättrar det totala nätverkets prestanda.

• Flexibel effektavtagning: Erbjuder flexibilitet att avtag effekt vid flera punkter inom nätverket, anpassar sig till diverse effektbehov och distributionskrav.

MTDC-system kan indelas i två huvudtyper:

Serie-MTDC-system

I en serie-MTDC-konfiguration är flera omvandlingsstationer kopplade i serie, precis som komponenter i en elektrisk seriekrets. En definierande egenskap hos denna uppställning är att strömmen som flödar genom varje omvandlingsstation är identisk, eftersom den är inställd av en av stationerna. Emellertid är spänningsfallet fördelat mellan omvandlingsstationerna, med varje station som upplever en del av det totala spänningsfallet över det seriekopplade nätverket.

Serie-MTDC-system (fortsättning)

Serie-MTDC-systemet kan betraktas som en utökad version av det tvåterminaliga HVDC-systemet, som inkluderar flera omvandlingsstationer kopplade i serie, som illustreras i den bifogade figuren. Vanligtvis har omvandlingsstationerna i en serie-MTDC-uppsättning en lägre kapacitet jämfört med de som används i parallella MTDC-system.

Detta system använder ofta monopolära likströmskopplingar, där likströmslinjen är jordad vid endast en specifik punkt. För att skydda mot tillfälliga elektriska överslag kan en jordningskondensator installeras vid andra punkter längs linjen som ett ytterligare skyddsmått.

Isoleringssamordning i serie-MTDC-systemet innebär betydande utmaningar på grund av de varierande likströmsspänningarna vid varje station. Effektflödeskontrollmekanismen i serie-MTDC-systemet är mer komplicerad jämfört med den i parallella MTDC-system. I ett parallellt MTDC-system kan effektflödet regleras genom att injicera ström i specifika linjer, medan i serie-MTDC-systemet beror effektflödeskontrollen på justering av spänningen vid varje terminalstation.

Effektflödesinvertering i ett serie-MTDC-system kan enkelt uppnås genom att använda både spänningskälla omvandlare (VSC) och strömkälla omvandlare (CSC). Men när ett fel uppstår eller schemalagt underhåll krävs för en specifik linje, kommer hela likströmsnätet att erfara ett strömavbrott. Liksom i det tvåterminaliga HVDC-systemet används växelströmsbrytare på växelströmssidan för att avenergisera likströmsnätet. Utvidgning av serie-MTDC-systemet innebär också svårigheter. Installation av nya terminalstationer kräver en fullständig strömavbrott av nätet, eftersom det ringformade likströmsnätet måste delas vid installationspunkten, vilket stör strömförsörjningen till alla andra stationer längs vägen.

Parallellt MTDC-system

I ett parallellt MTDC-system är flera omvandlingsstationer som fungerar som inverterare eller belastningsstationer anslutna till en enda omvandlingsstation som fungerar som en rektifierare. Denna rektifieringsstation levererar effekt till hela likströmsnätet. Analogt med en parallell elektrisk krets är spänningen konstant över alla inverterare eller belastningsstationer, med dess värde inställt av en av omvandlingsstationerna. I motsats till detta varierar strömningsförsörjningen beroende på effektbehoven vid varje station. För att upprätthålla en balanserad strömningsförsörjning justeras strömmen dynamiskt i respons till effektbehoven vid individuella belastningsstationer. Generellt sett har terminalstationerna i ett parallellt MTDC-system en högre kapacitet än de i ett seriellt MTDC-nätverk.

Parallellt MTDC-system (fortsättning)

Effektinvertering i ett parallellt MTDC-system kan åstadkommas genom antingen spänningsinvertering eller ströminvertering. När man använder spänningsinvertering, vilket vanligtvis är associerat med strömkälla omvandlare (CSC)-baserade terminalstationer, har det en effekt på alla omvandlingsstationer. Som en konsekvens av detta måste ett mycket sofistikerat kontroll- och kommunikationssystem implementeras mellan dessa omvandlare för att hantera denna effekt. Å andra sidan, om effektinvertering uppnås genom ströminverteringsteknik, vilket ofta är associerat med spänningskälla omvandlare (VSC)-baserade terminalstationer, är processen mycket enklare att utföra. Detta är den primära anledningen till att VSC-favoriseras framför CSC i parallella MTDC-system.

I ett VSC-baserat MTDC-system, eftersom spänningen är konstant, bestäms terminalstations effektklass av strömningsklasserna för växeln. Denna konfiguration erbjuder en betydande fördel i fråga om effektflödeskontroll inom likströmsnätet. Det kan exakt reglera effektflödet genom att injicera ström i specifika linjer, vilket är en bekvämare metod jämfört med effektstyrmechanismen i seriensystem som beror på spänningskontroll vid varje station.

En av de mest framträdande egenskaperna hos parallellt MTDC-system är dess motståndskraft mot fel. Om ett fel uppstår i någon av terminalstationerna, påverkar det inte resten av likströmsnätet. Men för att isolera de specifika likströmslinjerna som är associerade med den defekta stationen, krävs en separat likströmsbrytare. Dessutom, under utvidgningen av likströmsnätet, finns det ingen behov av att avbryta strömförsörjningen. Detta eftersom nya terminalstationer kan installeras parallellt med de befintliga linjerna, vilket säkerställer en sömlös integration utan att störa den pågående strömförsörjningen.

En annan fördel med parallellt MTDC-system är dess relativt enkla isoleringssamordning jämfört med ett seriellt system. På grund av den konstanta spänningen i nätverket, är isoleringskraven enklare att hantera.

Parallellt MTDC-system kan vidare indelas i två kategorier:

Radialt MTDC-system

Radialt MTDC-system är en specifik typ av parallellt MTDC-konfiguration. I denna uppställning, om det uppstår en brytning i en överföringsledning eller borttagning av en länk, kommer det att leda till avbrott i strömförsörjningen till en eller flera omvandlingsstationer. Denna egenskap gör det radiala MTDC-systemet ganska sårbara för single-point-of-failure-scenarier, eftersom eventuella avbrott i överföringsledningen kan ha en direkt inverkan på strömförsörjningen till vissa delar av nätverket.

Den bifogade figuren illustrerar en konfiguration där fyra inverteringsstationer är anslutna till en enda rektifieringsstation. I denna uppställning är det uppenbart att om det uppstår en brytning i någon av linjerna, kommer det oundvikligen att leda till avbrott i strömförsörjningen till minst en terminalstation. Denna sårbarhet gör det radiala MTDC-systemet mindre tillförlitligt jämfört med Mesh eller Ring-typ MTDC-system.

Mesh (Ring) MTDC-system

I ett Mesh eller Ring MTDC-system är inverterings (belastnings) stationerna interkopplade med en enda rektifieringsstation i en mesh eller ringliknande formation. En av de viktigaste fördelarna med denna konfiguration är att även om det uppstår en brytning i en enda överföringsledning eller borttagning av en länk, leder det inte till avbrott i strömförsörjningen till någon av inverteringsstationerna. Den efterföljande figuren visar tydligt ett sådant mesh eller ring MTDC-system. Denna inbyggda motståndskraft mot linjefel gör det Mesh eller Ring MTDC-systemet till en mer tillförlitlig valmöjlighet för strömförsörjning och distribution i vissa applikationer, eftersom det bättre kan stå emot avbrott och säkerställa kontinuerlig strömförsörjning till de anslutna belastningsstationerna.

Som illustrerat, i ett mesh eller ringtyp MTDC-system, leder inte borttagningen av en enda länk till avbrott i strömförsörjningen till någon omvandlingsstation. Istället omdirigeras elektrisk effekt automatiskt genom alternativa länkar inom nätverket. Denna sömlösa omdirigering möjliggörs av den interkopplade naturen av mesh eller ringkonfigurationen. Det är dock viktigt att notera att dessa alternativa länkar måste noggrant designas för att hantera den ökade effektöverföringen samtidigt som effektavbrott minimeras.

Avsaknaden av strömförsörjningsavbrott i mesh-typ MTDC-systemet är en betydande fördel. Det säkerställer en kontinuerlig och stabil strömförsörjning, även i ansikte av oväntade länkfel. Därför erbjuder ett parallellt kopplat mesh-typ MTDC-system superiör tillförlitlighet jämfört med dess parallellt kopplade radiella motsvarighet. Radiella systemets sårbarhet för strömafbrudd på grund av enstaka länkdisruptioner bleknar i jämförelse med mesh-systemets robusta förmåga att upprätthålla effektflöde under liknande omständigheter, vilket gör mesh eller ringtyp MTDC-system till ett föredraget val för applikationer där kontinuerlig effektleverans är av yttersta vikt.