преобразователь HVDC

Преобразователь HVDC преобразует электроэнергию из высокого напряжения переменного тока (AC) в постоянный ток высокого напряжения (HVDC) или наоборот. HVDC используется в качестве альтернативы переменному току для передачи электрической энергии на большие расстояния или между энергосистемами переменного тока разных частот. Преобразователи HVDC, способные преобразовывать до двух гигаватт (ГВт) и с номинальным напряжением до 900 киловольт ( кВ) построены, и технически возможны даже более высокие рейтинги. Полная преобразовательная станция может содержать несколько таких преобразователей, соединенных последовательно и/или параллельно для достижения общего номинального напряжения системы постоянного тока до 1100 кВ.

Символ преобразователя HVDC

Почти все преобразователи HVDC по своей сути являются двунаправленными; они могут преобразовывать либо переменный ток в постоянный ( выпрямление ), либо из постоянного в переменный ( инверсия ). Полная система HVDC всегда включает в себя как минимум один преобразователь, работающий как выпрямитель (преобразующий переменный ток в постоянный), и как минимум один, работающий как инвертор (преобразующий постоянный ток в переменный ток). Некоторые системы HVDC в полной мере используют это двунаправленное свойство (например, системы, предназначенные для трансграничной торговли электроэнергией, такие как линия связи между Англией и Францией ). Другие, например, предназначенные для экспорта электроэнергии с удаленной электростанции, такой как схема Итайпу в Бразилии , может быть оптимизирован для потока мощности только в одном предпочтительном направлении. В таких схемах поток мощности в непредпочтительном направлении может иметь пониженную мощность или меньшую эффективность.

Типы преобразователей HVDC

Преобразователи HVDC могут иметь несколько различных форм. Ранние системы HVDC, построенные до 1930-х годов, по сути представляли собой вращающиеся преобразователи и использовали электромеханическое преобразование с двигателями - генераторами , соединенными последовательно на стороне постоянного тока и параллельно на стороне переменного тока. Однако во всех системах HVDC, построенных с 1940-х годов, использовались электронные (статические) преобразователи.

Электронные преобразователи для HVDC делятся на две основные категории. Преобразователи с линейной коммутацией (классика HVDC) выполнены с электронными переключателями , которые можно только включить. Преобразователи напряжения изготавливаются с коммутационными устройствами, которые можно как включать, так и выключать. В преобразователях с линейной коммутацией (LCC) использовались ртутно-дуговые клапаны . до 1970-х годов или тиристоры с 1970-х годов до наших дней. Преобразователи источника напряжения (VSC), которые впервые появились в HVDC в 1997 году. используйте транзисторы , обычно биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT).

По состоянию на 2012 год важны как технологии с линейной коммутацией, так и технологии с источником напряжения: преобразователи с линейной коммутацией используются в основном там, где необходимы очень высокая мощность и эффективность, а преобразователи с источниками напряжения используются в основном для соединения слабых систем переменного тока, для подключения больших масштабировать энергию ветра в сеть или для соединений HVDC, которые, вероятно, будут расширены и в будущем станут многотерминальными системами HVDC. Рынок преобразователей напряжения HVDC быстро растет, отчасти благодаря росту инвестиций в морскую ветроэнергетику с одним конкретным типом преобразователя — модульным многоуровневым преобразователем (MMC). выйдя в лидеры.

Электромеханические преобразователи

Уже в 1880-х годах преимущества передачи постоянного тока на большие расстояния начали становиться очевидными, и было введено в эксплуатацию несколько коммерческих систем передачи электроэнергии. Наиболее успешные из них использовали систему, изобретенную Рене Тюри , и были основаны на принципе последовательного соединения нескольких мотор-генераторов на стороне постоянного тока. Самым известным примером была схема передачи постоянного тока Лион-Мутье длиной 200 км во Франции , которая работала в коммерческих целях с 1906 по 1936 год, передавая электроэнергию от гидроэлектростанции Мутье в город Лион . Кимбарк сообщает, что эта система работала достаточно надежно; однако общая сквозная эффективность (около 70%) была низкой по сегодняшним стандартам. Начиная с 1930-х годов, Начались обширные исследования статических альтернатив с использованием газонаполненных трубок - в основном ртутно-дуговых клапанов, но также и тиратронов - которые обещали значительно более высокую эффективность.Очень маленькие механические вращающиеся преобразователи продолжали использоваться в нишевых приложениях в неблагоприятных условиях, например, в самолетах и ​​транспортных средствах, в качестве метода преобразования энергии от батарей в высокое напряжение, необходимое для радио и радаров, до 1960-х годов и эры транзисторов.

Преобразователи с линейной коммутацией

Большинство эксплуатируемых сегодня систем HVDC основаны на преобразователях с линейной коммутацией (LCC). Термин «линейная коммутация» означает, что процесс преобразования зависит от линейного напряжения системы переменного тока, к которой подключен преобразователь, чтобы обеспечить коммутацию от одного коммутационного устройства к его соседу. В преобразователях с линейной коммутацией используются переключающие устройства, которые либо неуправляемы (например, диоды ), либо которые могут быть включены (не выключены) только посредством управляющего воздействия, например, тиристоры . Хотя преобразователи HVDC в принципе могут быть построены на диодах, такие преобразователи можно использовать только в режиме выпрямления, и отсутствие возможности регулирования напряжения постоянного тока является серьезным недостатком. с сеточным управлением Следовательно, на практике во всех системах LCC HVDC используются либо ртутно-дуговые клапаны (до 1970-х годов), либо тиристоры (по сей день).

В преобразователе с линейной коммутацией постоянный ток не меняет направление; он протекает через большую индуктивность и его можно считать почти постоянным. Со стороны переменного тока преобразователь ведет себя примерно как источник тока, подавая в сеть переменного тока как частоту сети, так и гармонические токи. По этой причине преобразователь с линейной коммутацией для HVDC также считается преобразователем источника тока . Поскольку направление тока изменить невозможно, изменение направления потока мощности (там, где это необходимо) достигается путем изменения полярности напряжения постоянного тока на обеих станциях.

Шестипульсный мост с линейной коммутацией

Базовая конфигурация LCC для HVDC использует трехфазный мостовой выпрямитель Греца или шестипульсный мост , содержащий шесть электронных переключателей, каждый из которых подключает одну из трех фаз к одной из двух клемм постоянного тока. Полный переключающий элемент обычно называют клапаном , независимо от его конструкции. Обычно два клапана в мосту в любой момент времени проводят ток: один на фазу в верхнем ряду и один (от другой фазы) в нижнем ряду. Два проводящих клапана последовательно подключают два из трех фазных напряжений переменного тока к клеммам постоянного тока. Таким образом, выходное напряжение постоянного тока в любой момент времени определяется последовательной комбинацией двух фазных напряжений переменного тока. Например, если клапаны V1 и V2 являются проводящими, выходное напряжение постоянного тока определяется как напряжение фазы 1 минус напряжение фазы 3.

Из-за неизбежной (но полезной) индуктивности источника переменного тока переход от одной пары проводящих ламп к другой не происходит мгновенно. Скорее, существует короткий период перекрытия , когда два клапана в одном ряду моста проводят ток одновременно. Например, если клапаны V1 и V2 изначально являются проводящими, а затем открывается клапан V3, проводимость переходит от V1 к V3, но в течение короткого периода времени оба этих клапана проводят одновременно. В течение этого периода выходное напряжение постоянного тока определяется как среднее значение напряжений фаз 1 и 2 за вычетом напряжения фазы 3. Угол перекрытия μ (или u) в преобразователе HVDC увеличивается с увеличением тока нагрузки, но обычно около 20° при полной нагрузке.

Трехфазная двухполупериодная мостовая схема (Грэтца) с использованием тиристоров в качестве переключающих элементов.

Объяснен процесс коммутации. Когда проводят ток только вентили 1 и 2, напряжение постоянного тока формируется из двух из трех фазных напряжений. В период перекрытия напряжение постоянного тока формируется из всех трех фазных напряжений.

В течение периода перекрытия выходное напряжение постоянного тока ниже, чем было бы в противном случае, и период перекрытия приводит к заметному провалу в напряжении постоянного тока. Важным эффектом этого является то, что среднее выходное напряжение постоянного тока уменьшается по мере увеличения периода перекрытия; следовательно, среднее напряжение постоянного тока падает с увеличением постоянного тока.

Осциллограммы напряжения и тока для шестипульсного моста при альфа=20° и угле перекрытия 20°

Среднее выходное напряжение постоянного тока шестиимпульсного преобразователя определяется по формуле:

${V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cos(\alpha )}-{6fL_{\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }}$

Где:

V _LLpeak — пиковое значение линейного входного напряжения (на стороне преобразователя преобразовательного трансформатора ),

α - угол открытия тиристора

L _c - коммутирующая индуктивность на фазу

I _d – постоянный ток

Угол зажигания α представляет собой временную задержку с момента, когда напряжение на клапане становится положительным (в этот момент диод начнет проводить ток) и включения тиристоров. Из приведенного выше уравнения ясно, что по мере увеличения угла открытия среднее выходное напряжение постоянного тока уменьшается. Фактически, для преобразователя с линейной коммутацией угол открытия представляет собой единственный быстрый способ управления преобразователем. Управление углом открытия используется для непрерывного регулирования напряжения постоянного тока на обоих концах системы HVDC, чтобы получить желаемый уровень передачи мощности.

Напряжение и ток клапана для работы инвертора при γ=20° и μ=20°

Выходное напряжение постоянного тока преобразователя постепенно становится менее положительным по мере увеличения угла зажигания: углы зажигания до 90 ° соответствуют выпрямлению и приводят к положительным напряжениям постоянного тока, а углы зажигания выше 90 ° соответствуют инверсии и приводят к отрицательным напряжениям постоянного тока. . Однако угол обстрела невозможно увеличить до 180° по двум причинам. Во-первых, необходимо учитывать угол перекрытия ц, а во-вторых, дополнительный угол затухания γ, который необходим для того, чтобы лампы восстановили свою способность выдерживать положительное напряжение после проведения тока. Угол затухания γ связан со временем выключения t _q тиристоров. Типичное значение γ составляет 15°. α, γ и µ взаимосвязаны таким образом:

$\gamma =180-\alpha -\mu$ (в градусах)

Двенадцатимпульсный мост с линейной коммутацией

При изменении фазы только каждые 60° при использовании шестиимпульсной схемы на клеммах постоянного и переменного тока возникают значительные гармонические искажения. Для восстановления синусоидальной формы сигнала необходимы большие фильтрующие компоненты. В усовершенствованной конструкции шестипульсного моста используется 12 ламп в двенадцатипульсном мосте . Двенадцатимпульсный мост фактически представляет собой два шестипульсных моста, соединенных последовательно на стороне постоянного тока и расположенных со сдвигом фаз между соответствующими источниками переменного тока, так что некоторые гармонические напряжения и токи подавляются.

Сдвиг фаз между двумя источниками переменного тока обычно составляет 30° и реализуется с помощью преобразовательных трансформаторов с двумя разными вторичными обмотками (или обмотками вентилей ). Обычно одна из обмоток клапана соединяется звездой (звездой), а другая – треугольником. Благодаря двенадцати клапанам, соединяющим каждую из двух групп по три фазы с двумя шинами постоянного тока, происходит изменение фазы каждые 30°, а уровни низкочастотных гармоник значительно снижаются, что значительно упрощает требования к фильтрации. По этой причине двенадцатипульсная система стала стандартной почти для всех систем HVDC с преобразователями с линейной коммутацией, хотя системы HVDC, построенные с ртутными дуговыми клапанами, предусматривают временную работу с обходом одной из двух шестипульсных групп.

12-импульсный преобразователь HVDC, использующий ртутные дуговые клапаны, с перепускным клапаном и перепускным переключателем на каждом из двух 6-пульсных мостов.

12-импульсный преобразователь HVDC с использованием тиристорных клапанов.

Объясните концепцию четырехклапанного клапана HVDC.

Ртутные дуговые клапаны

Основная статья: Ртутно-дуговой клапан

на 150 киловольт , 1800 А Ртутно-дуговой клапан в системе передачи постоянного тока Нельсон-Ривер в Манитобе , Канада.

В ранних системах LCC использовались ртутно-дуговые клапаны , конструкция которых развилась по сравнению с теми, которые используются в промышленных выпрямителях большой мощности. Чтобы сделать такие клапаны пригодными для работы в режиме высокого напряжения постоянного тока, потребовался ряд изменений, в частности, использование электродов, выравнивающих анодное напряжение, чтобы минимизировать риск возникновения обратной дуги при очень высоких обратных напряжениях, возникающих при высоком напряжении постоянного тока. Большая часть новаторской работы в этой области была выполнена в Швеции доктором Уно Ламмом , которого многие считают «отцом HVDC» и от имени которого IEEE учредил «Премию Уно Ламма» за выдающийся вклад в область HVDC. Очень длинные анодные колонны, необходимые для приложений с высоким напряжением, ограничивали ток, который мог безопасно проводить каждый анод, поэтому в большинстве ртутно-дуговых клапанов для HVDC использовалось несколько (чаще всего четыре) анодных колонн, включенных параллельно на каждый клапан.

Обычно каждое плечо каждого шестиимпульсного моста состояло только из одного ртутно-дугового клапана, но в двух проектах, построенных в бывшем Советском Союзе, использовались два или три ртутно-дуговых клапана последовательно на каждое плечо, без параллельного соединения анодных колонн.

Ртутные дуговые клапаны для систем высокого напряжения постоянного тока были прочными, но требовали серьезного обслуживания. По этой причине большинство систем HVDC с ртутной дугой были построены с байпасным распределительным устройством на каждом шестипульсном мосту, чтобы схема HVDC могла работать в шестиимпульсном режиме в течение коротких периодов технического обслуживания.

Ртутно-дуговые клапаны были построены с номиналами до 150 кВ, 1800 А. Последней (и самой мощной) установленной ртутно-дуговой системой была система передачи постоянного тока Нельсон-Ривер в Канаде , в которой на каждый клапан использовалось шесть анодных колонн, соединенных параллельно. завершено в 1977 году. Последняя действующая ртутно-дуговая система ( межостровная линия HVDC между Северными и Южными островами Новой Зеландии ) была остановлена ​​в 2012 году. Ртутно-дуговые клапаны также использовались в следующих проектах HVDC:

• Эльбский проект в Берлине , Германия.
• Проект Москва-Кашира в России.
• Первая фаза проекта Готланд в Швеции
• Оригинальный проект Cross Channel (160 МВт) между Англией и Францией.
• Проект Волгоград -Донбасс, связывающий Россию и Украину
• Первый этап линии Конти-Скан между Швецией и Данией.
• Преобразователь частоты Sakuma в Японии
• Первый этап Италия-Корсика-Сардиния линии
• Первый этап строительства линии на острове Ванкувер в Канаде.
• Первый этап Тихоокеанского маршрута округа Колумбия от Орегона до Лос-Анджелеса в США.
• Линия Кингснорт . в Лондоне , Англия
• Первая фаза системы передачи постоянного тока Нельсон-Ривер в Канаде.

Тиристорные клапаны

Тиристорный клапан был впервые использован в системах высокого напряжения постоянного тока в 1972 году на преобразовательной станции Ил-Ривер в Канаде . Тиристор представляет собой твердотельный полупроводниковый прибор, аналогичный диоду , но с дополнительным выводом управления, который используется для включения устройства в определенный момент. Поскольку напряжение пробоя тиристоров составляет всего несколько киловольт каждый, тиристорные клапаны HVDC изготавливаются с использованием большого количества тиристоров, соединенных последовательно. Дополнительные пассивные компоненты, такие как выравнивающие конденсаторы и резисторы, необходимо подключать параллельно каждому тиристору, чтобы обеспечить равномерное распределение напряжения на вентиле между тиристорами. Тиристор вместе с его регулировочными схемами и другим вспомогательным оборудованием известен как тиристорный уровень .

Двенадцатимпульсный тиристорный преобразователь для полюса 2 межостровной линии постоянного тока HVDC между Северным и Южным островами Новой Зеландии . Человек внизу дает представление о масштабе.

Каждый тиристорный клапан обычно содержит десятки или сотни тиристорных уровней, каждый из которых работает с разным (высоким) потенциалом относительно земли. Поэтому командную информацию для включения тиристоров нельзя просто передать по проводному соединению – ее необходимо изолировать. Метод изоляции может быть магнитным (с использованием импульсных трансформаторов ), но обычно оптическим . Используются два оптических метода: непрямой и прямой оптический запуск. При методе непрямого оптического запуска низковольтная управляющая электроника посылает световые импульсы по оптическим волокнам к управляющей электронике верхнего плеча , которая получает энергию от напряжения на каждом тиристоре. Альтернативный метод прямого оптического запуска обходится без большей части электроники верхнего плеча, вместо этого используются световые импульсы от управляющей электроники для переключения светоуправляемых тиристоров (LTT). хотя для защиты клапана все же может потребоваться небольшой электронный блок мониторинга.

По состоянию на 2012 год тиристорные клапаны использовались в более чем 100 схемах высокого напряжения постоянного тока, многие из которых еще строятся или планируются. Самая высокая номинальная мощность любого работающего одиночного преобразователя HVDC (двенадцатимпульсный мост) составляла 2000 МВт в 2010 году на схеме ±660 кВ Ниндун-Шаньдун в Китае . На каждом конце схемы, имеющей обычную биполярную конструкцию, предусмотрено по два таких преобразователя. С 2007 года самым высоким номинальным напряжением для одного преобразователя HVDC является схема NorNed ± 450 кВ , соединяющая Норвегию с Нидерландами , которая имеет только один преобразователь на каждом конце в схеме, необычной для схемы LCC HVDC.

Преобразователи напряжения

Поскольку тиристоры (и ртутные выпрямители) могут быть включены (не выключены) только посредством управляющего воздействия и полагаются на внешнюю систему переменного тока для осуществления процесса выключения, система управления имеет только одну степень свободы – когда в цикле включить тиристор. В некоторых обстоятельствах это ограничивает полезность HVDC, поскольку означает, что система переменного тока, к которой подключен преобразователь HVDC, всегда должна содержать синхронные машины, чтобы обеспечить синхронизацию коммутирующего напряжения - преобразователь HVDC не может подавать мощность в пассивную систему. Это не проблема, если подать дополнительную мощность в сеть, которая уже работает, но не может использоваться в качестве единственного источника энергии.

В полупроводниковых устройствах других типов, таких как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), можно контролировать время включения и выключения, что дает вторую степень свободы. В результате IGBT можно использовать для создания самокоммутируемых преобразователей , которые по работе ближе к большому инвертору . В таких преобразователях полярность постоянного напряжения обычно фиксирована и постоянное напряжение, сглаженное большой емкостью, можно считать постоянным. По этой причине преобразователь HVDC, использующий IGBT, обычно называют преобразователем источника напряжения (или преобразователем напряжения). ). Дополнительная управляемость дает множество преимуществ, в частности, возможность включать и выключать IGBT много раз за цикл для улучшения характеристик гармоник, а также тот факт, что (будучи самокоммутируемым) преобразователь больше не зависит от синхронных машин переменного тока. систему для его работы. Таким образом, преобразователь напряжения может подавать электроэнергию в сеть переменного тока, состоящую только из пассивных нагрузок, что невозможно для LCC HVDC. Преобразователи напряжения также значительно более компактны, чем преобразователи с линейной коммутацией (главным образом потому, что требуется гораздо меньшая фильтрация гармоник) и предпочтительнее преобразователей с линейной коммутацией в местах, где пространство ограничено, например, на морских платформах.

В отличие от преобразователей HVDC с линейной коммутацией, преобразователи источника напряжения поддерживают постоянную полярность постоянного напряжения, а реверс мощности вместо этого достигается за счет изменения направления тока. Это существенно упрощает подключение преобразователей напряжения к многополюсной системе HVDC или «сети постоянного тока».

В системах HVDC, основанных на преобразователях напряжения, обычно используется шестиимпульсное соединение, поскольку преобразователь производит гораздо меньше гармонических искажений, чем сопоставимый LCC, и в двенадцатипульсном соединении нет необходимости. Это упрощает конструкцию преобразовательного трансформатора. Однако существует несколько различных конфигураций преобразователя напряжения. и продолжаются исследования новых альтернатив.

Двухуровневый преобразователь

С самой первой установленной схемы VSC-HVDC ( экспериментальная линия Хеллсён , введенная в эксплуатацию в Швеции в 1997 г.) ) до 2012 года большинство построенных систем VSC HVDC были основаны на двухуровневом преобразователе . Двухуровневый преобразователь — это простейший тип трехфазного преобразователя источника напряжения. Его можно рассматривать как шестиимпульсный мост, в котором тиристоры заменены IGBT с обратно-параллельными диодами, а сглаживающие реакторы постоянного тока заменены сглаживающими конденсаторами постоянного тока . Такие преобразователи получили свое название из-за того, что напряжение на выходе переменного тока каждой фазы переключается между двумя дискретными уровнями напряжения, соответствующими электрическим потенциалам положительной и отрицательной клемм постоянного тока. Когда верхний из двух клапанов в фазе включен, выходная клемма переменного тока подключается к положительной клемме постоянного тока, в результате чего выходное напряжение + ⁠ 1 / 2 ⁠ U _d относительно потенциала средней точки преобразователя. И наоборот, когда нижний клапан в фазе включен, выходная клемма переменного тока подключается к отрицательной клемме постоянного тока, в результате чего выходное напряжение составляет — ⁠ 1 / 2 ⁠ U _d . Два вентиля, соответствующие одной фазе, ни в коем случае нельзя включать одновременно, так как это может привести к неконтролируемому разряду конденсатора постоянного тока, что может привести к серьезному повреждению оборудования преобразователя.

Трехфазный двухуровневый преобразователь напряжения для HVDC.

Принцип работы двухуровневого преобразователя, однофазное представление (Напряжение на графике: выходное напряжение относительно средней точки шины постоянного тока)

Одним из методов генерации последовательности импульсов ШИМ, соответствующей данному сигналу, является пересекающаяся ШИМ: сигнал (здесь красная синусоида) сравнивается с пилообразным сигналом (синий). Когда последний меньше первого, сигнал ШИМ (пурпурный) находится в высоком состоянии (1). В противном случае он находится в низком состоянии (0).

Самая простая (а также самая высокая амплитуда) волна, которую может создать двухуровневый преобразователь, — это прямоугольная волна ; однако это приведет к неприемлемому уровню гармонических искажений, поэтому та или иная форма широтно-импульсной модуляции для улучшения гармонических искажений преобразователя всегда используется (ШИМ). В результате ШИМ IGBT включаются и выключаются много раз (обычно 20) в каждом цикле сети. Это приводит к высоким потерям переключения в IGBT и снижает общую эффективность передачи . Для HVDC возможны несколько различных стратегий ШИМ. но во всех случаях КПД двухуровневого преобразователя значительно хуже, чем у LCC из-за более высоких коммутационных потерь. Типичная преобразовательная станция LCC HVDC имеет потери мощности около 0,7% при полной нагрузке (на каждом конце, исключая линию или кабель HVDC), тогда как для двухуровневых преобразователей источника напряжения эквивалентный показатель составляет 2–3% на каждом конце.

Еще одним недостатком двухуровневого преобразователя является то, что для достижения очень высоких рабочих напряжений, необходимых для схемы HVDC, необходимо последовательно соединить несколько сотен IGBT и одновременно включить их в каждом вентиле. Для этого требуются специализированные типы IGBT со сложными схемами управления затвором , и это может привести к очень высоким уровням электромагнитных помех .

Трехуровневый преобразователь

В попытке улучшить плохие гармонические характеристики двухуровневого преобразователя некоторые системы HVDC были построены с трехуровневыми преобразователями . Трехуровневые преобразователи способны синтезировать три (вместо только двух) дискретных уровней напряжения на выводе переменного тока каждой фазы: ⁠ 1/2 d U ⁠ , _{0 и} - ⁠ 1 / 2 ⁠ U _d . Распространенным типом трехуровневого преобразователя является преобразователь с диодным ограничением (или с фиксированием нейтральной точки ), где каждая фаза содержит четыре клапана IGBT, каждый из которых рассчитан на половину напряжения линии постоянного тока, а также два фиксирующих диодных клапана. Конденсатор постоянного тока разделен на две последовательно соединенные ветви, при этом фиксирующие диодные вентили подключены между средней точкой конденсатора и точками одной четверти и трех четвертей на каждой фазе. Для получения положительного выходного напряжения (+ ⁠ 1 / 2 ⁠ U _d ) два верхних клапана IGBT включаются, чтобы получить отрицательное выходное напряжение (- ⁠ 1 / 2 ⁠ U _d ) два нижних клапана IGBT включаются, а для получения нулевого выходного напряжения включаются два средних клапана IGBT. В этом последнем состоянии два фиксирующих диодных клапана завершают путь тока через фазу.

Трехфазный трехуровневый преобразователь напряжения с диодным ограничением для постоянного тока высокого напряжения

Принцип работы трехуровневого преобразователя с диодным ограничением, однофазное представление

В усовершенствованном преобразователе с диодным ограничением, так называемом активном преобразователе с фиксированной нейтральной точкой , фиксирующие диодные клапаны заменены клапанами IGBT, что обеспечивает дополнительную управляемость. Такие преобразователи использовались в Murraylink . проекте в Австралии и кабельную линию Cross Sound в США . Однако за скромное улучшение характеристик по гармоникам пришлось заплатить значительную цену в виде увеличения сложности, и оказалось, что конструкцию сложно масштабировать до напряжений постоянного тока выше ± 150 кВ, использованных в этих двух проектах.

Другой тип трехуровневого преобразователя, используемый в некоторых приводах с регулируемой скоростью , но никогда в HVDC, заменяет фиксирующие диодные лампы отдельным изолированным летающим конденсатором, подключенным между четвертью и тремя четвертями точек. Принцип работы аналогичен принципу преобразователя с диодным ограничением. Варианты трехуровневого преобразователя с диодным зажимом и летающим конденсатором могут быть расширены до большего количества выходных уровней (например, пяти), но сложность схемы увеличивается непропорционально, и такие схемы не считаются практичными для приложений HVDC.

Модульный многоуровневый преобразователь (MMC)

Впервые предложен для приложений HVDC в 2003 году Марквардтом. и впервые использован в коммерческих целях в проекте Trans Bay Cable в Сан-Франциско . Модульный многоуровневый преобразователь (MMC) в настоящее время становится наиболее распространенным типом преобразователя источника напряжения для HVDC.

Трехфазный модульный многоуровневый преобразователь (MMC) для постоянного тока высокого напряжения.

Принцип работы модульного многоуровневого преобразователя (MMC) для постоянного тока высокого напряжения с четырьмя последовательно соединенными субмодулями на клапан. Для ясности показана только одна фаза из трех.

Подобно двухуровневому преобразователю и шестипульсному преобразователю с линейной коммутацией, MMC состоит из шести клапанов, каждый из которых соединяет одну клемму переменного тока с одной клеммой постоянного тока. Однако там, где каждый вентиль двухуровневого преобразователя фактически представляет собой управляемый высоковольтный переключатель, состоящий из большого количества последовательно соединенных IGBT, каждый вентиль MMC сам по себе является отдельным управляемым источником напряжения. Каждый клапан MMC состоит из ряда независимых субмодулей преобразователя , каждый из которых содержит собственный накопительный конденсатор. В наиболее распространенной форме схемы, полумостовом варианте, каждый субмодуль содержит два IGBT, соединенных последовательно через конденсатор, при этом соединение средней точки и один из двух выводов конденсатора выведены в качестве внешних соединений. В зависимости от того, какой из двух IGBT в каждом субмодуле включен, конденсатор либо зашунтируется, либо включается в цепь. Таким образом, каждый субмодуль действует как независимый двухуровневый преобразователь, генерирующий напряжение либо 0, либо U _sm (где U _sm — напряжение конденсатора субмодуля). При соответствующем количестве субмодулей, соединенных последовательно, лампа может синтезировать ступенчатую форму сигнала напряжения, которая очень близка к синусоидальной волне и содержит очень низкие уровни гармонических искажений.

Клапан MMC, показывающий возможные состояния проводимости

MMC отличается от преобразователей других типов тем, что ток течет непрерывно во всех шести вентилях преобразователя на протяжении всего цикла изменения частоты сети. В результате такие понятия, как «включенное состояние» и «выключенное состояние», не имеют значения в MMC. Постоянный ток поровну делится на три фазы, а переменный ток поровну делится на верхний и нижний клапан каждой фазы. Таким образом, ток в каждом клапане связан с постоянным током I _d и переменным током I _ac следующим образом:

Верхний клапан: ${I_{\mathrm {v} }={\frac {I_{\mathrm {d} }}{3}}+{\frac {I_{\mathrm {ac} }}{2}}}$

Нижний клапан: ${I_{\mathrm {v} }={\frac {I_{\mathrm {d} }}{3}}-{\frac {I_{\mathrm {ac} }}{2}}}$

Типичный MMC для применения в системах высокого напряжения постоянного тока содержит около 300 субмодулей, соединенных последовательно в каждом клапане, и, следовательно, эквивалентен преобразователю уровня 301. Следовательно, гармонические характеристики превосходны, и обычно фильтры не требуются.Еще одним преимуществом MMC является отсутствие необходимости в ШИМ, в результате чего потери мощности намного ниже, чем у двухуровневого преобразователя, примерно 1% на каждом конце. Наконец, поскольку прямое последовательное соединение IGBT не является необходимым, приводы затвора IGBT не должны быть такими сложными, как приводы для двухуровневого преобразователя.

У MMC есть два принципиальных недостатка. Во-первых, управление гораздо сложнее, чем у 2-х уровневого преобразователя. Балансировка напряжений каждого из конденсаторов субмодуля является серьезной проблемой и требует значительных вычислительных мощностей и высокоскоростной связи между центральным блоком управления и клапаном. Во-вторых, сами конденсаторы субмодуля большие и громоздкие. MMC значительно больше, чем двухуровневый преобразователь сопоставимой мощности, хотя это может быть компенсировано экономией места из-за отсутствия фильтров.

По состоянию на 2012 год самой крупной действующей системой HVDC MMC по-прежнему является кабельная схема Trans Bay мощностью 400 МВт , но многие более крупные схемы находятся в стадии строительства, в том числе подземное кабельное соединение из Франции в Испанию, состоящее из двух параллельных линий по 1000 МВт при напряжении ±320 кВ.

Варианты

Вариант MMC, предложенный одним производителем, предполагает последовательное соединение нескольких IGBT в каждом из двух переключателей, составляющих субмодуль. Это дает форму выходного напряжения с меньшим количеством шагов, но более крупными, чем в традиционной схеме MMC. Эта схема называется каскадным двухуровневым преобразователем (CTL). Функционально он полностью эквивалентен обычному полумостовому MMC во всех отношениях, за исключением гармонических характеристик, которые немного уступают, хотя все же утверждают, что они достаточно хороши, чтобы в большинстве случаев избежать необходимости фильтрации.

Полномостовой субмодуль MMC

Другая альтернатива заменяет полумостовой описанный выше субмодуль MMC на полномостовой субмодуль, содержащий четыре IGBT в схеме H-моста вместо двух. Полномостовой вариант MMC позволяет вставлять конденсатор субмодуля в схему в любой полярности. Это обеспечивает дополнительную гибкость в управлении преобразователем и позволяет преобразователю блокировать ток повреждения, возникающий в результате короткого замыкания между положительной и отрицательной клеммами постоянного тока (что невозможно ни для одного из предыдущих типов VSC). Кроме того, это позволяет напряжению постоянного тока иметь любую полярность (как в схеме LCC HVDC), что дает возможность создавать гибридные системы LCC и VSC HVDC. Однако полномостовая схема требует вдвое больше IGBT и имеет более высокие потери мощности, чем эквивалентная полумостовая схема.

Другие типы преобразователей напряжения

Были предложены различные другие типы преобразователей, сочетающие в себе особенности двухуровневых и модульных многоуровневых преобразователей. Целью этих гибридных систем VSC является достижение низких потерь и высоких гармонических характеристик MMC при более компактной конструкции и большей управляемости, но эти концепции все еще находятся на стадии исследований.

См. также

• Высоковольтный постоянный ток
• Преобразовательная станция HVDC
• Список проектов HVDC
• выпрямитель
• Инвертор (электрический)
• Ртутно-дуговой клапан
• Тиристор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором

Дальнейшее чтение

• Аррильяга, Джос; Передача постоянного тока высокого напряжения, второе издание, Институт инженеров-электриков, ISBN   0-85296-941-4 , 1998.
• Кимбарк, Э.В., Передача постоянного тока, том 1, Wiley Interscience, 1971.
• Кори, Б.Дж., Адамсон, К., Эйнсворт, Дж.Д., Фрерис, Л.Л., Функе, Б., Харрис, Л.А., Сайкс, Дж.Х.М., Преобразователи и системы постоянного тока высокого напряжения, Macdonald & Co. (издатели) Ltd, 1965.
• Уильямс, Б.В., Силовая электроника - устройства, драйверы и приложения, Macmillan Press, ISBN   0-333-57351-X , 1992.
• Мохан Н., Унделанд Т.М., Роббинс В.П., Силовая электроника – преобразователи, приложения и проектирование, John Wiley & Sons, ISBN   0-471-58408-8 , 1995.

Внешние ссылки

• Сборник схем HVDC CIGRÉ B4, 2009 г.
• [1]