Stacja przekształtnikowa HVDC
| Część serii dotyczącej |
| Energetyki |
|---|
| Konwersja energii elektrycznej |
| Infrastruktura elektroenergetyczna |
| Elementy systemów elektroenergetycznych |
Stacja przekształtnikowa HVDC (lub po prostu stacja przekształtnikowa ) to wyspecjalizowany typ podstacji , która stanowi wyposażenie końcowe dla linii przesyłowej prądu stałego wysokiego napięcia (HVDC). Zamienia prąd stały na prąd przemienny lub odwrotnie. Oprócz konwertera stacja zawiera zazwyczaj:
- trójfazowa rozdzielnica prądu zmiennego
- transformatory
- kondensatory lub kondensatory synchroniczne dla mocy biernej
- filtry do tłumienia harmonicznych i
- rozdzielnica prądu stałego.
składniki
Przetwornik
Przetwornica jest zwykle instalowana w budynku zwanym halą zaworów . Wczesne systemy HVDC wykorzystywały zawory rtęciowe , ale od połowy lat 70. XX wieku stosowano urządzenia półprzewodnikowe, takie jak tyrystory . Przetwornice wykorzystujące tyrystory lub zawory rtęciowe są znane jako przetwornice z komutacją liniową . W przetwornicach tyrystorowych wiele tyrystorów jest połączonych szeregowo, tworząc zawór tyrystorowy, a każda przetwornica zwykle składa się z sześciu lub dwunastu zaworów tyrystorowych. Zawory tyrystorowe są zwykle zgrupowane w parach lub grupach po cztery i mogą stać na izolatorach na podłodze lub zwisać z izolatorów pod sufitem.
Przetwornice z komutacją liniową wymagają do komutacji napięcia z sieci prądu przemiennego, ale od późnych lat 90. XX wieku w HVDC zaczęto stosować przetwornice zasilane napięciem. Przetwornice zasilane napięciem wykorzystują tranzystory bipolarne z izolowaną bramką zamiast tyrystorów, które mogą dostarczać energię do pozbawionego napięcia systemu prądu przemiennego.
Prawie wszystkie przetwornice używane w HVDC są z natury rzeczy zdolne do pracy z konwersją mocy w dowolnym kierunku. Konwersja mocy z prądu przemiennego na prąd stały nazywa się prostowaniem , a konwersja z prądu stałego na prąd przemienny nazywa się inwersją .
Sprzęt prądu stałego
Sprzęt prądu stałego często zawiera cewkę (zwaną dławikiem ), która dodaje indukcyjność szeregowo z linią prądu stałego, aby pomóc wygładzić prąd stały. Indukcyjność zwykle wynosi od 0,1 H do 1 H. Reaktor wygładzający może mieć rdzeń powietrzny lub rdzeń żelazny. Cewki z rdzeniem żelaznym wyglądają jak wypełnione olejem transformatory wysokiego napięcia. Cewki wygładzające z rdzeniem powietrznym przypominają, ale są znacznie większe niż cewki dławikowe częstotliwości nośnej w liniach przesyłowych wysokiego napięcia i są wsparte na izolatorach . Cewki powietrzne mają tę zaletę, że generują mniejszy hałas akustyczny niż cewki z rdzeniem żelaznym, eliminują potencjalne zagrożenie dla środowiska spowodowane rozlanym olejem i nie nasycają się w przejściowych warunkach wysokiego prądu . W tej części zakładu znajdą się również przyrządy do pomiaru prądu stałego i napięcia.
W celu wyeliminowania zakłóceń o wysokiej częstotliwości stosowane są specjalne filtry prądu stałego. Takie filtry są wymagane, jeśli linia przesyłowa będzie wykorzystywać komunikacji linii elektroenergetycznej do komunikacji i sterowania lub jeśli linia napowietrzna będzie przebiegać przez obszary zaludnione. Filtry te mogą być pasywnymi LC lub filtrami aktywnymi, składającymi się ze wzmacniacza sprzężonego przez transformatory i kondensatory ochronne, które przekazują sygnał w przeciwfazie do sygnału zakłócającego na linii, tym samym go znosząc. Taki system zastosowano w Baltic Cable HVDC.
Transformator przetwornicy
Transformatory przekształtnikowe podwyższają napięcie sieci zasilającej AC. Wykorzystując połączenie uzwojeń transformatora gwiazda-trójkąt lub gwiazda-trójkąt , przetwornica może pracować z 12 impulsami na każdy cykl zasilania AC, co eliminuje liczne składowe harmoniczne prądu. Izolacja uzwojeń transformatora musi być specjalnie zaprojektowana, aby wytrzymać duży potencjał prądu stałego do ziemi. Transformatory przekształtnikowe mogą być budowane tak duże, jak 300 Megawolt amperów ( MW ) jako pojedyncza jednostka. Transport większych transformatorów jest niepraktyczny, więc gdy wymagane są większe wartości znamionowe, kilka pojedynczych transformatorów jest połączonych ze sobą. Można zastosować dwie jednostki trójfazowe lub trzy jednostki jednofazowe. W tym ostatnim wariancie stosowany jest tylko jeden typ transformatora, dzięki czemu dostawa rezerwowego transformatora jest bardziej ekonomiczna.
Transformatory przekształtnikowe działają ze stopniami mocy o wysokim strumieniu w czterech krokach przekształtnika na cykl, a zatem wytwarzają więcej hałasu akustycznego niż zwykłe trójfazowe transformatory mocy. Efekt ten należy uwzględnić przy lokalizacji stacji przekształtnikowej HVDC. Istnieje możliwość zastosowania obudów wygłuszających.
Reaktywna moc
Gdy używane są przekształtniki z komutacją sieciową, stacja przekształtnikowa będzie wymagać od 40% do 60% swojej mocy znamionowej jako mocy biernej. Można to zapewnić za pomocą baterii przełączanych kondensatorów lub kondensatorów synchronicznych lub, jeśli odpowiednia elektrownia znajduje się w pobliżu statycznej instalacji inwerterowej, generatorów w elektrowni. Zapotrzebowanie na moc bierną można zmniejszyć, jeśli transformatory przekształtnikowe są wyposażone w przełączniki zaczepów pod obciążeniem z wystarczającym zakresem zaczepów do sterowania napięciem przemiennym. Część zapotrzebowania na moc bierną może być zapewniona w elementach filtra harmonicznych.
Przetwornice zasilane napięciem mogą generować lub absorbować zarówno moc bierną, jak i rzeczywistą, a dodatkowe urządzenia do zasilania biernego na ogół nie są potrzebne.
Filtry harmoniczne
Filtry harmoniczne są niezbędne do eliminacji harmonicznych oraz do produkcji mocy biernej w stacjach przekształtnikowych z komutacją sieciową. W instalacjach z sześcioma przetwornicami komutowanymi linią impulsową konieczne są złożone filtry harmonicznych, ponieważ po stronie prądu przemiennego wytwarzane są nieparzyste harmoniczne rzędu 6 n + 1 i 6 n - 1 , a po stronie prądu stałego parzyste harmoniczne rzędu 6 n . Na 12 stacjach przetwornic impulsowych tylko harmoniczne napięć lub prądów rzędu 12 n + 1 i 12 n - 1 (po stronie AC) lub 12 n (po stronie DC). Filtry są dostrojone do oczekiwanych częstotliwości harmonicznych i składają się z kombinacji szeregowych kondensatorów i cewek indukcyjnych.
Przetwornice zasilane napięciem generalnie wytwarzają harmoniczne o niższym natężeniu niż przetwornice z komutacją liniową. W rezultacie filtry harmonicznych są na ogół mniejsze lub można je całkowicie pominąć.
Oprócz filtrów harmonicznych przewidziano również urządzenia eliminujące sygnały niepożądane w zakresie częstotliwości urządzeń nośnych linii elektroenergetycznych w zakresie od 30 kHz do 500 kHz. Filtry te znajdują się zwykle w pobliżu zacisku prądu przemiennego statycznego transformatora inwertera. Składają się z cewki, która przepuszcza prąd obciążenia, z równoległym kondensatorem tworzącym obwód rezonansowy.
W szczególnych przypadkach możliwe jest wykorzystanie wyłącznie maszyn do wytwarzania mocy biernej. Jest to realizowane na terminalu HVDC Wołgograd-Donbas, znajdującym się na Wołżańskiej Elektrowni Wodnej .
Rozdzielnica AC
Trójfazowa rozdzielnica prądu przemiennego stacji przekształtnikowej jest podobna do rozdzielni prądu przemiennego. Znajdą się w nim wyłączniki nadprądowe transformatorów przekształtnikowych, odłączniki, uziemniki oraz przekładniki kontrolno-pomiarowe i zabezpieczające. Stacja będzie również wyposażona w odgromniki do ochrony urządzeń prądu przemiennego przed przepięciami piorunowymi w systemie prądu przemiennego.
Inni
Wymagany obszar
Powierzchnia wymagana dla stacji przekształtnikowej jest znacznie większa niż w przypadku konwencjonalnego transformatora, na przykład miejsce o mocy przesyłowej 600 megawatów i napięciu przesyłowym 400 kV ma wymiary około 300 x 300 metrów (1000 x 1000 stóp). Instalacje o niższym napięciu mogą wymagać nieco mniejszej powierzchni gruntu, ponieważ wokół zewnętrznych urządzeń wysokiego napięcia wymagana byłaby mniejsza przestrzeń powietrzna.
Czynniki lokalizacji
Stacje przekształtnikowe wytwarzają hałas akustyczny. Stacje przekształtnikowe mogą generować poważne zakłócenia o częstotliwości radiowej, dlatego należy uwzględnić w nich elementy konstrukcyjne, które pozwolą kontrolować te emisje. Ściany mogą zapewniać ochronę przed hałasem. Podobnie jak w przypadku wszystkich podstacji prądu przemiennego, należy zapobiegać zanieczyszczeniu wód gruntowych przez olej z urządzeń w przypadku rozlania. Dla napowietrznych linii przesyłowych może być wymagana znaczna powierzchnia, ale można ją zmniejszyć, jeśli używany jest kabel podziemny.