Преобразователь HVDC - HVDC converter

An Преобразователь HVDC обращает электроэнергия из высокое напряжение переменный ток (AC) в постоянный ток высокого напряжения (HVDC) или наоборот. HVDC используется как альтернатива переменному току для передачи электроэнергии на большие расстояния или между энергосистемами переменного тока разных частот.^[1] Преобразователи HVDC с возможностью преобразования до двух гигаватт (ГВт)^[2] и с номинальным напряжением до 900 киловольт (кВ)^[3] были построены, и даже более высокие рейтинги технически возможны. Полный преобразовательная станция может содержать несколько таких преобразователей, включенных последовательно и / или параллельно, для достижения общего номинального напряжения системы постоянного тока до 1100 кВ.

Символ преобразователя HVDC

Почти все преобразователи HVDC по своей природе двунаправлены; они могут преобразовывать переменный ток в постоянный (исправление) или из постоянного в переменный (инверсия). Полная система HVDC всегда включает в себя как минимум один преобразователь, работающий как выпрямитель (преобразование переменного тока в постоянный) и по крайней мере один, работающий как инвертор (преобразование постоянного тока в переменный). Некоторые системы HVDC в полной мере используют это свойство двунаправленности (например, системы, предназначенные для трансграничной торговли электроэнергией, такие как Кросс-канал ссылка между Англия и Франция ).^[4] Другие, например, предназначенные для экспорта энергии с удаленного электростанция такой как Итайпу схема в Бразилия,^[5] может быть оптимизирован для потока мощности только в одном предпочтительном направлении. В таких схемах поток мощности в нежелательном направлении может иметь пониженную пропускную способность или более низкий КПД.

Типы преобразователей HVDC

Преобразователи HVDC могут иметь несколько различных форм. Ранние системы HVDC, построенные до 1930-х годов, были эффективно роторные преобразователи и использовал электромеханический преобразование с мотор -генератор наборы, подключенные последовательно на стороне постоянного тока и параллельно на стороне переменного тока. Однако все системы HVDC, построенные с 1940-х годов, использовали электронный (статические) преобразователи.

Электронные преобразователи для HVDC делятся на две основные категории. Преобразователи с линейной коммутацией (HVDC classic) сделаны с электронным переключатели это можно только включить. Преобразователи с питанием от источника напряжения выполнены с переключающими устройствами, которые можно включать и выключать. Используемые преобразователи с линейной коммутацией (LCC) ртутно-дуговые клапаны до 1970-х годов^[6] или же тиристоры с 1970-х годов до наших дней. Преобразователи источника напряжения (VSC), которые впервые появились в HVDC в 1997 году,^[7] использовать транзисторы, обычно Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT).

По состоянию на 2012 год важны технологии как с линейной коммутацией, так и с источниками напряжения, при этом преобразователи с линейной коммутацией используются в основном там, где требуется очень высокая емкость и эффективность, а преобразователи с источниками напряжения используются в основном для соединения слабых систем переменного тока, для подключения больших шкала ветровая энергия к сети или для соединений HVDC, которые, вероятно, будут расширены, чтобы стать Мульти-терминал Системы HVDC будущего. Рынок преобразователей напряжения постоянного тока HVDC быстро растет, отчасти за счет увеличения инвестиций в оффшорная ветроэнергетика, с одним конкретным типом преобразователя, модульным многоуровневым преобразователем (MMC)^[8] становясь лидером.

Электромеханические преобразователи

Уже в 1880-х годах преимущества передачи постоянного тока на большие расстояния стали очевидными, и было введено в действие несколько коммерческих систем передачи электроэнергии.^[1] Наиболее успешные из них использовали систему, изобретенную Рене Тюри и основывались на принципе последовательного соединения нескольких мотор-генераторных установок на стороне постоянного тока. Самый известный пример - 200 км, Схема передачи постоянного тока Лион-Мутье в Франция, который работал в коммерческих целях с 1906 по 1936 год, передавая энергию от гидроэлектростанции Мутье в город Лион.^[9]Kimbark^[10] сообщает, что данная система работала достаточно надежно; однако общая сквозная эффективность (около 70%) была низкой по сегодняшним стандартам. Начиная с 1930-х годов,^[6] начали проводиться обширные исследования статических альтернатив с использованием газонаполненные трубки - в основном ртутно-дуговые клапаны но также тиратроны - которые обещали значительно более высокую эффективность. Очень маленькие механические роторные преобразователи продолжали использоваться для узкоспециализированных приложений в неблагоприятных условиях, например, в самолетах и ​​транспортных средствах, в качестве метода преобразования энергии от аккумуляторов в высокое напряжение, необходимое для радио и радаров, пока 1960-е и эпоха транзисторов.

Преобразователи с линейной коммутацией

Большинство действующих сегодня систем HVDC основаны на преобразователях с линейной коммутацией (LCC). Период, термин линейный указывает, что процесс преобразования зависит от линейного напряжения системы переменного тока, к которой подключен преобразователь, чтобы обеспечить коммутация от одного коммутационного устройства к его соседу.^[11] В преобразователях с линейной коммутацией используются неуправляемые коммутационные устройства (например, диоды ) или который может быть включен (не выключен) только управляющим действием, например тиристоры. Хотя преобразователи HVDC в принципе могут быть построены из диодов, такие преобразователи могут использоваться только в режиме выпрямления, и отсутствие возможности управления постоянным напряжением является серьезным недостатком. Следовательно, на практике все системы LCC HVDC используют либо управляемую сетью ртутно-дуговые клапаны (до 1970-х годов) или тиристоров (до наших дней).

В преобразователе с сетевой коммутацией постоянный ток не меняет своего направления; он протекает через большую индуктивность и может считаться почти постоянным. Со стороны переменного тока преобразователь ведет себя примерно как источник тока, подавая в сеть переменного тока токи сетевой частоты и гармонические токи. По этой причине преобразователь с линейной коммутацией для HVDC также рассматривается как преобразователь тока.^[11] Поскольку направление тока не может быть изменено, изменение направления потока мощности (где это необходимо) достигается путем изменения полярности постоянного напряжения на обеих станциях.

Шестиимпульсный мост с линейной коммутацией

В базовой конфигурации LCC для HVDC используется трехфазный Graetz мостовой выпрямитель или же шестипульсный мост, содержащий шесть электронных переключателей, каждый из которых соединяет одну из трех фаз с одной из двух клемм постоянного тока.^[12] Полный переключающий элемент обычно называют клапан, независимо от конструкции. Обычно два клапана в мосту работают в любое время: один к фазе в верхнем ряду и один (из 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 токопроводящими, выходное напряжение постоянного тока определяется напряжением фазы 1 минус напряжение фазы 3.

Из-за неизбежной (но полезной) индуктивности в источнике переменного тока переход от одной пары проводящих клапанов к другой не происходит мгновенно. Скорее короткое перекрывать период, когда два клапана в одном ряду моста работают одновременно. Например, если клапаны V1 и V2 первоначально проводят ток, а затем клапан V3 включен, проводимость переходит от V1 к V3, но на короткий период оба этих клапана проводят одновременно.^[11] 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 током нагрузки, но обычно составляет около 20 ° при полной нагрузке.

Трехфазная двухполупериодная (Гретца) мостовая схема выпрямителя с использованием тиристоры как переключающие элементы

Объяснение процесса коммутации. Когда только клапаны 1 и 2 являются проводящими, постоянное напряжение формируется из двух из трех фазных напряжений. В течение периода перекрытия постоянное напряжение формируется из всех трех фазных напряжений.

В течение периода перекрытия выходное напряжение постоянного тока ниже, чем могло бы быть в противном случае, и период перекрытия дает видимый выемка в постоянном напряжении.^[11] Важным эффектом этого является то, что среднее выходное напряжение постоянного тока уменьшается с увеличением периода перекрытия; следовательно, среднее постоянное напряжение падает с увеличением постоянного тока.

Осциллограммы напряжения и тока для шестиимпульсного моста при альфа = 20 ° с углом перекрытия 20 °

Среднее выходное напряжение постоянного тока шестиимпульсного преобразователя определяется как:^[13]

${ displaystyle {V _ { mathrm {dc}} = V _ { mathrm {av}} = { frac {3V _ { mathrm {LLpeak}}} { pi}} cos ( alpha)} - {6fL_ { mathrm {c}} Я _ { mathrm {d}}}}$

Где:

V_LLpeak - пиковое значение линейного входного напряжения (на стороне преобразователя преобразователя трансформатор ),

α - угол включения тиристора

L_c - коммутирующая индуктивность на фазу

я_d - постоянный ток

Угол открытия α представляет собой временную задержку от точки, в которой Напряжение на клапане становится положительным (в этот момент диод начинает проводить) и тиристоры включаются.^[11][14] Из приведенного выше уравнения ясно, что с увеличением угла зажигания среднее выходное напряжение постоянного тока уменьшается. Фактически, с преобразователем с линейной коммутацией угол зажигания представляет собой единственный быстрый способ управления преобразователем. Управление углом зажигания используется для непрерывного регулирования напряжений постоянного тока на обоих концах системы HVDC, чтобы получить желаемый уровень передачи мощности.

Напряжение и ток клапана для работы с инвертором 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 более 90 ° соответствуют инверсии и приводят к отрицательным напряжениям постоянного тока. .^[15] Однако угол открытия не может быть увеличен до 180 ° по двум причинам. Во-первых, необходимо сделать поправку на угол перекрытия μ, а во-вторых, на дополнительный угол угасания γ, который необходим для того, чтобы клапаны восстановили свою способность выдерживать положительное напряжение после проведения тока. Угол поглощения γ связан с величиной время выключения т_q тиристоров. Типичное значение γ составляет 15 °. α, γ и μ взаимосвязаны таким образом:

${ Displaystyle гамма = 180- альфа - му}$ (в градусах)

Двенадцатиимпульсный мост с линейной коммутацией

При изменении фазы только каждые 60 ° при использовании шестиимпульсной схемы на выводах постоянного и переменного тока возникают значительные гармонические искажения. Для восстановления синусоидальной формы сигнала необходимы большие фильтрующие компоненты. Усовершенствованная конструкция моста с шестью импульсами использует 12 клапанов в двенадцатипульсный мост.^[11] Двенадцатиимпульсный мост фактически представляет собой два шестиимпульсных моста, соединенных последовательно на стороне постоянного тока и расположенных со смещением 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 преобразователя. трансформаторы с двумя разными вторичными обмотками (или обмотки клапана). Обычно одна из обмоток клапана соединяется звездой (звездой), а другая - треугольником.^[16] С двенадцатью клапанами, соединяющими каждый из двух наборов по три фазы с двумя шинами постоянного тока, фаза изменяется 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 коммутацией линий, хотя системы HVDC, построенные с ртутными дуговыми клапанами, предусматривают временную работу с обходом одной из двух шестиимпульсных групп.

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

12-импульсный преобразователь HVDC с тиристорными вентилями

Объясните концепцию квадроцикла с помощью HVDC

Клапаны дуговые ртутные

А 150-киловольт, 1800 А ртутно-дуговый клапан в Система передачи постоянного тока на реке Нельсон в Манитоба, Канада

Используемые ранние системы LCC ртутно-дуговые клапаны, с конструкцией, которая произошла от тех, которые используются в промышленных выпрямителях большой мощности.^[17] Чтобы сделать такие клапаны пригодными для HVDC, потребовался ряд адаптаций, в частности, использование электродов для регулирования анодного напряжения, чтобы минимизировать риск дуга при очень высоких обратных напряжениях, наблюдаемых в HVDC.^[18] Большая часть новаторских работ в этой области была выполнена в Швеция от доктора Уно Ламм, который широко считается «отцом HVDC» и во имя которого IEEE представила «Премию Уно Ламма» за выдающийся вклад в области HVDC.^[19] Очень длинные анодные колонны, необходимые для высоковольтных приложений, ограничивали ток, который мог безопасно проходить через каждый анод, поэтому в большинстве ртутно-дуговых вентилей для HVDC использовалось несколько (чаще всего четыре) анодных колонны параллельно на каждый клапан.^[6]

Обычно каждое плечо каждого шестиимпульсного моста состояло только из одного ртутно-дугового клапана, но два проекта, построенные в первом. Советский союз использовались два или три ртутно-дуговых клапана последовательно на каждое плечо, без параллельного соединения анодных колонн.^[20]

Ртутные дуговые клапаны для HVDC были прочными, но требовали серьезного обслуживания. Из-за этого большинство систем HVDC с ртутной дугой было построено с байпасным распределительным устройством через каждый шестиимпульсный мост, так что схема HVDC могла работать в шестиимпульсном режиме в течение коротких периодов технического обслуживания.^[16][21]

Были изготовлены ртутные дуговые клапаны с номиналами до 150 кВ, 1800 А. Последней (и самой мощной) установленной ртутной дуговой системой была система Система передачи постоянного тока на реке Нельсон в Канада, который использовал шесть анодных колонн параллельно на каждый клапан и был завершен в 1977 году.^[22][23] Последняя действующая ртутная дуговая система ( HVDC между островами связь между Северным и Южным островами Новая Зеландия ) был остановлен в 2012 году. Ртутные дуговые клапаны также использовались в следующих проектах HVDC:^[24]

• В Эльба проект в Берлин, Германия
• В Москва – Кашира проект в Россия^[20]
• Первый этап Готланд проект в Швеция
• Оригинальный (160 МВт) Перекрестный канал проект между Англия и Франция
• В Волгоград – Донбасс привязка проекта Россия и Украина^[20]
• Первый этап Конти – Скан ссылка между Швеция и Дания
• В Сакума преобразователь частоты в Япония
• Первый этап Италия – Корсика – Сардиния связь
• Первый этап Остров Ванкувер ссылка в Канада
• Первый этап Pacific DC Intertie из Орегон к Лос-Анджелес в Соединенные Штаты
• В Kingsnorth ссылка в Лондон, Англия
• Первый этап Система передачи постоянного тока на реке Нельсон в Канада

Тиристорные клапаны

В тиристор клапан был впервые использован в системах HVDC в 1972 году на Конвертерная станция на реке Угорь в Канада.^[23] Тиристор твердотельный. полупроводник устройство, похожее на диод, но с дополнительным терминалом управления, который используется для включения устройства в определенный момент. Потому что тиристоры имеют напряжения пробоя Тиристорные вентили HVDC построены с использованием большого количества тиристоров, соединенных последовательно, всего на несколько киловольт каждый. Дополнительные пассивные компоненты, такие как выставление оценок конденсаторы и резисторы должны быть подключены параллельно с каждым тиристором, чтобы гарантировать, что напряжение на клапане равномерно распределяется между тиристорами. Тиристор с его схемами градуировки и другим вспомогательным оборудованием известен как тиристорный уровень.

Двенадцатиимпульсный тиристорный преобразователь для 2-го полюса HVDC между островами между Северным и Южным островами Новая Зеландия. Человек внизу дает представление о масштабе.

Каждый тиристорный клапан обычно содержит десятки или сотни тиристорных уровней, каждый из которых работает при разном (высоком) потенциале относительно земли.^[16] Таким образом, командную информацию на включение тиристоров нельзя просто отправить по проводному соединению - ее необходимо изолировать. Метод изоляции может быть магнитным (с использованием импульсного трансформаторы ) но обычно оптический. Используются два оптических метода: косвенный и прямой оптический запуск. В методе непрямого оптического запуска низковольтная управляющая электроника посылает световые импульсы вдоль оптические волокна к высокая сторона управляющая электроника, которая получает питание от напряжения на каждом тиристоре. Альтернативный метод прямого оптического запуска обходится без большей части электроники верхнего плеча, вместо этого для переключения используются световые импульсы от управляющей электроники. световые тиристоры (LTTs),^[25] хотя для защиты клапана все же может потребоваться небольшой блок контрольной электроники.

По состоянию на 2012 год тиристорные клапаны использовались более чем в 100 схемах HVDC, и многие другие все еще строятся или планируются. Наивысшая номинальная мощность любого отдельного преобразователя HVDC (двенадцатиимпульсный мост) в эксплуатации составляла 2000 МВт в 2010 г. по схеме ± 660 кВ Ниндун – Шаньдун в г. Китай. По два таких преобразователя предусмотрены на каждом конце схемы, имеющей обычную биполярную конструкцию.^[2] С 2007 г. максимальное номинальное напряжение одного преобразователя HVDC составляет ± 450 кВ. NorNed схема связывания Норвегия к Нидерланды, который имеет только один преобразователь на каждом конце в расположении, необычном для схемы LCC HVDC.^[3]

Преобразователи напряжения-источники

Поскольку тиристоры (и ртутные выпрямители) могут быть включены (не выключены) только с помощью управляющего воздействия и зависят от внешней системы переменного тока для осуществления процесса выключения, система управления имеет только одну степень свободы - когда в цикле включить тиристор.^[11] Это ограничивает полезность HVDC в некоторых случаях, поскольку это означает, что система переменного тока, к которой подключен преобразователь HVDC, всегда должна содержать синхронные машины, чтобы обеспечить синхронизацию коммутируемого напряжения - преобразователь HVDC не может подавать мощность в пассивную систему. Это не проблема с подачей дополнительной энергии в сеть, которая уже находится под напряжением, но не может использоваться в качестве единственного источника энергии.

С другими типами полупроводниковых устройств, такими как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно контролировать время включения и выключения, что дает вторую степень свободы. В результате IGBT могут использоваться для изготовления самокоммутируемые преобразователи которые ближе к большому инвертор в действии. 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 преобразователь напряжения (или же преобразователь с источником напряжения^[26]). Дополнительная управляемость дает много преимуществ, в частности, возможность многократно включать и выключать IGBT за цикл для улучшения гармонических характеристик, а также тот факт, что преобразователь (будучи самокоммутируемым) больше не полагается на синхронные машины в сети переменного тока. система для его работы. Таким образом, преобразователь с источником напряжения может подавать питание в сеть переменного тока, состоящую только из пассивных нагрузок, что невозможно с LCC HVDC. Преобразователи напряжения также значительно компактнее преобразователей с линейной коммутацией (в основном потому, что требуется гораздо меньше фильтрации гармоник) и предпочтительнее преобразователей с линейной коммутацией в местах с ограниченным пространством, например на морских платформах.

В отличие от преобразователей HVDC с линейной коммутацией, преобразователи источника напряжения поддерживают постоянную полярность напряжения постоянного тока, а реверс мощности достигается вместо этого путем изменения направления тока. Это значительно упрощает подключение преобразователей источника напряжения к сети. Мульти-терминал Система HVDC или «Сеть постоянного тока».^[27]

В системах HVDC, основанных на преобразователях источника напряжения, обычно используется шестиимпульсное соединение, поскольку преобразователь производит намного меньше гармонических искажений, чем сопоставимый LCC, и двенадцатипульсное соединение не требуется. Это упрощает конструкцию преобразователя трансформатора. Однако существует несколько различных конфигураций преобразователя источника напряжения.^[28] и продолжаются исследования новых альтернатив.

Двухуровневый преобразователь

С самой первой установленной схемы VSC-HVDC ( Hellsjön экспериментальная ссылка введена в эксплуатацию в Швеция в 1997 г.^[7]) до 2012 года большинство построенных систем VSC HVDC были основаны на двухуровневый преобразователь. Двухуровневый преобразователь - это простейший тип преобразователя трехфазного источника напряжения.^[29] и может рассматриваться как шестиимпульсный мост, в котором тиристоры были заменены IGBT с обратно-параллельными диодами, а сглаживание постоянного тока реакторы были заменены сглаживанием постоянного тока конденсаторы. Такие преобразователи получили свое название от того факта, 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, что дает выходное напряжение + ½ 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 -½ U_d. Два клапана, соответствующие одной фазе, никогда не должны включаться одновременно, так как это может привести к неконтролируемой разрядке конденсатора постоянного тока, что может серьезно повредить оборудование преобразователя.

Трехфазный двухуровневый преобразователь источника 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 пилообразной формой волны (синий). Когда последнее меньше первого, сигнал ШИМ (пурпурный) находится в высоком состоянии (1). В противном случае он находится в низком состоянии (0).

Самая простая (а также с максимальной амплитудой) форма волны, которую может создать двухуровневый преобразователь, - это прямоугольная волна; однако это приведет к недопустимому уровню гармонических искажений, поэтому некоторая форма Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) всегда используется для улучшения гармонических искажений преобразователя. В результате ШИМ транзисторы IGBT включаются и выключаются много раз (обычно 20 раз) в каждом сетевом цикле.^[30] Это приводит к высокому коммутационные потери в IGBT и снижает общую передачу эффективность. Для HVDC возможно несколько различных стратегий ШИМ.^[31] но во всех случаях эффективность двухуровневого преобразователя значительно ниже, чем у LCC, из-за более высоких потерь переключения. Типичная преобразовательная подстанция LCC HVDC имеет потери мощности около 0,7% при полной нагрузке (на каждом конце, за исключением линии или кабеля HVDC), в то время как с двухуровневыми преобразователями источника напряжения эквивалентная цифра составляет 2-3% на каждом конце.

Другой недостаток двухуровневого преобразователя заключается в том, что для достижения очень высоких рабочих напряжений, требуемых для схемы HVDC, несколько сотен IGBT должны быть соединены последовательно и переключены одновременно в каждом клапане.^[32] Для этого требуются специализированные типы IGBT со сложными привод ворот цепей, и может привести к очень высокому уровню электромагнитная интерференция.

Трехуровневый преобразователь

В попытке улучшить плохие гармонические характеристики двухуровневого преобразователя некоторые системы HVDC были построены с трехуровневые преобразователи. Трехуровневые преобразователи могут синтезировать три (вместо двух) дискретных уровней напряжения на выводе переменного тока каждой фазы: + ½ U_d, 0 и -½ U_d. Распространенным типом трехуровневого преобразователя является диодно-фиксированный (или же с фиксацией в нейтральной точке) преобразователь, в котором каждая фаза содержит четыре клапана IGBT, каждый из которых рассчитан на половину линейного напряжения постоянного тока, а также два клапана с ограничивающими диодами.^[32] Конденсатор постоянного тока разделен на две последовательно соединенные ветви, при этом ограничивающие диодные вентили подключены между средней точкой конденсатора и точками четверти и трех четвертей на каждой фазе. Для получения положительного выходного напряжения (+ ½ U_d) включены два верхних клапана IGBT, чтобы получить отрицательное выходное напряжение (-½ U_d) включаются два нижних клапана IGBT, и для получения нулевого выходного напряжения включаются два средних клапана IGBT. В этом последнем состоянии два ограничивающих диодных клапана замыкают путь тока через фазу.

Трехфазный, трехуровневый преобразователь источника напряжения с диодной фиксацией для HVDC

Принцип работы трехуровневого преобразователя с диодной фиксацией, однофазное представление

В усовершенствованном варианте преобразователя с диодной фиксацией так называемый активная нейтральная точка зафиксирована В преобразователе фиксирующие диодные клапаны заменены клапанами на IGBT, что обеспечивает дополнительную управляемость. Такие преобразователи использовались на Murraylink проект^[33] в Австралия и Перекрестный звуковой кабель ссылка в Соединенные Штаты.^[34] Тем не менее, небольшое улучшение гармонических характеристик было достигнуто значительной ценой с точки зрения повышенной сложности, и конструкция оказалась трудной для масштабирования до напряжений постоянного тока выше, чем ± 150 кВ, используемое в этих двух проектах.

Другой тип трехуровневого преобразователя, используемый в некоторых регулируемые приводы но никогда в HVDC, заменяет зажимные диодные клапаны отдельным изолированным, летающий конденсатор подключен между точками 1/4 и 3/4.^[32] Принцип работы аналогичен принципу действия преобразователя с диодной фиксацией. Варианты трехуровневого преобразователя как с диодным фиксатором, так и с летающими конденсаторами могут быть расширены до большего числа 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 компанией Marquardt.^[8] и впервые использовался в коммерческих целях в Trans Bay Cable проект в Сан-Франциско,^[35] то Модульный многоуровневый преобразователь (MMC) в настоящее время становится наиболее распространенным типом преобразователя источника напряжения для HVDC.^[36]

Трехфазный модульный многоуровневый преобразователь (MMC) для HVDC.

Принцип работы модульного многоуровневого преобразователя (MMC) для HVDC, с четырьмя последовательно соединенными субмодулями на клапан. Для наглядности показана только одна из трех фаз.

Подобно двухуровневому преобразователю и шестиимпульсному 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 клапан двухуровневого преобразователя фактически представляет собой высоковольтный управляемый переключатель, состоящий из большого количества последовательно соединенных IGBT, каждый клапан MMC сам по себе является отдельным управляемым источником напряжения. Каждый клапан MMC состоит из нескольких независимых преобразователей подмодули, каждый из которых содержит свой накопительный конденсатор. В наиболее распространенной форме схемы полумост В варианте каждый субмодуль содержит два БТИЗ, соединенных последовательно через конденсатор, при этом соединение средней точки и одна из двух клемм конденсатора выведены как внешние соединения.^[35] В зависимости от того, какой из двух IGBT в каждом субмодуле включен, конденсатор либо шунтируется, либо подключается к цепи. Таким образом, каждый субмодуль действует как независимый двухуровневый преобразователь, генерирующий напряжение 0 или U_см (где ты_см - напряжение конденсатора субмодуля). При соответствующем количестве субмодулей, соединенных последовательно, клапан может синтезировать ступенчатую форму волны напряжения, которая очень близко приближается к синусоиде и содержит очень низкие уровни гармонических искажений.

Клапан MMC, показывающий возможные состояния проводимости

MMC отличается от других типов преобразователей тем, что ток непрерывно течет во всех шести клапанах преобразователя на протяжении всего цикла частоты сети. В результате такие понятия, как «включенное состояние» и «отключенное состояние» не имеют значения в MMC. Постоянный ток поровну делится на три фазы, а переменный ток поровну делится на верхний и нижний вентиль каждой фазы.^[35] Таким образом, ток в каждом клапане связан с постоянным током I_d и переменного тока I_ac следующее:

Верхний клапан: ${ displaystyle {I _ { mathrm {v}} = { frac {I _ { mathrm {d}}} {3}} + { frac {I _ { mathrm {ac}}} {2}}}}$

Нижний клапан: ${ displaystyle {I _ { mathrm {v}} = { frac {I _ { mathrm {d}}} {3}} - { frac {I _ { mathrm {ac}}} {2}}}}$

Типичный MMC для приложения HVDC содержит около 300 субмодулей, последовательно соединенных в каждом клапане, и поэтому эквивалентен преобразователю уровня 301. Следовательно, характеристики гармоник превосходны, и обычно фильтры не требуются. Еще одним преимуществом MMC является то, что ШИМ не требуется, в результате чего потери мощности намного ниже, чем у двухуровневого преобразователя, около 1%. за конец.^[37][36][38] Наконец, поскольку прямое последовательное соединение IGBT не требуется, приводы затвора IGBT не должны быть такими сложными, как приводы для двухуровневого преобразователя.

У MMC есть два основных недостатка. Во-первых, управление намного сложнее, чем у двухуровневого преобразователя. Балансировка напряжений каждого из конденсаторов субмодуля представляет собой серьезную проблему и требует значительной вычислительной мощности и высокоскоростной связи между центральным блоком управления и клапаном. Во-вторых, сами конденсаторы субмодуля большие и громоздкие.^[39] MMC значительно больше, чем двухуровневый преобразователь сопоставимого номинала, хотя это может быть компенсировано экономией места из-за отсутствия фильтров.

По состоянию на 2012 год самая большая действующая система HVDC MMC по-прежнему составляет 400 МВт. Trans Bay Cable схемы, но многие более крупные схемы находятся в стадии строительства, включая подземное кабельное соединение от Франция к Испания состоящий из двух параллельно включенных звеньев по 1000 МВт на напряжение ± 320 кВ.^[40]

Варианты MMC

Вариант MMC, предложенный одним производителем, включает последовательное соединение нескольких IGBT в каждом из двух переключателей, составляющих субмодуль. Это дает форму выходного напряжения с меньшим количеством шагов большего размера, чем при использовании традиционной схемы MMC. Такое расположение называется Каскадный двухуровневый (CTL) конвертер.^[37] Функционально он в точности эквивалентен обычному полумосту MMC во всех отношениях, за исключением характеристик гармоник, которые немного уступают - хотя по-прежнему утверждают, что они достаточно хороши, чтобы избежать необходимости фильтрации в большинстве случаев.

Подмодуль Full-Bridge MMC

Другая альтернатива заменяет полумост Подмодуль MMC, описанный выше, с полный мост подмодуль, содержащий четыре IGBT в Мост H расположение, а не два.^[41] Полномостовой вариант MMC позволяет вставлять конденсатор субмодуля в схему с любой полярностью. Это дает дополнительную гибкость в управлении преобразователем и позволяет преобразователю блокировать ток короткого замыкания, который возникает из-за короткого замыкания между положительной и отрицательной клеммами постоянного тока (что невозможно с любым из предыдущих типов VSC). Кроме того, он позволяет напряжению постоянного тока иметь любую полярность (как схема LCC HVDC), что дает возможность создания гибридных систем LCC и VSC HVDC. Однако полумостовая 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 функции двухуровневого и модульного многоуровневого преобразователя.^[42] Эти гибридный Системы VSC направлены на достижение низких потерь и высоких гармонических характеристик MMC с более компактной конструкцией и большей управляемостью, но эти концепции все еще находятся на стадии исследования.^[43]

Смотрите также

• Постоянный ток высокого напряжения
• Преобразовательная подстанция HVDC
• Список проектов HVDC
• Выпрямитель
• Инвертор (электрический)
• Клапан ртутно-дуговый
• Тиристор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Arrillaga, Jos; 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, Д.Д., Фрерис, Л.Л., Функе, Б., Харрис, Л.А., Сайкс, Д.Х.М., Высоковольтные преобразователи постоянного тока и системы, Macdonald & Co. (publishers) 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 дизайн, John Wiley & Sons, ISBN  0-471-58408-8, 1995.

внешняя ссылка

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