Гомополярная

Гомополярная схеме фактически является аналогом монополярной с удвоенной мощностью. Основным преимуществом использования подобных схем является наличие резервного канала передачи мощности (хотя и со сниженными показателями) при отказе одного из полюсов.

Системы с линиями электропередачи

Самая общая конфигурация линии HVDC это две преобразовательные станции инвертор/выпрямитель, связанные воздушной линией. Такая же конфигурация обычно используется в соединении несинхронизированных энергосистем, в передаче энергии на большие расстояния, и в случае использования подводных кабелей.

Мультитерминальная HVDC линия, соединяющая более двух пунктов, редка. Конфигурация мультитерминальной системы может быть последовательной, параллельной, или гибридной (последовательно-параллельной). Параллельная конфигурация чаще используется для передачи энергии от больших электростанций, а последовательная — от менее мощных электростанций. Например, система Quebec-New England мощностью 2000 МВт, открытая в 1992, в настоящее время является крупнейшей мультитерминальной HVDC системой в мире. 

Трехполярная

Недавно запатентованная схема (в 2004 году) предназначена для перевода существующих линий электропередачи переменного тока на HVDC. Два из трех проводников схемы работают в биполярном режиме. Третий проводник используется как параллельный монополь, оборудованный реверсными вентилями (параллельными вентилями, включенными в обратной полярности). Параллельный монополь периодически уменьшает ток от одного полюса или другого, переключая полярность на несколько минут. Без изменения полярности в системе с параллельным монополем, который был бы загружен на +/-100 % по нагреву, биполярные проводники были бы нагружены или на 137 % или на 37 %. В случае с изменяющейся полярностью, суммарный среднеквадратичный тепловой эффект такой же, как и в случае, если бы каждый из проводников работал при номинальном токе. Это позволяет пропускать большие токи по биполярным проводникам, и наиболее полно использовать третий проводник для передачи энергии. Даже когда энергопотребление низкое, высокие токи могут циркулировать по проводам линии для удаления с них льда.

Преобразование существующей линии переменного тока в трехполярную систему позволяет передавать до 80 % больше мощности при том же самом фазном напряжении с использованием той же самой линии передачи, опор и проводников. Некоторые линии переменного тока не могут быть нагружены до их теплового предела из-за проблем устойчивости системы, надежности и реактивной мощности, которые не существуют в HVDC линии.

Трехполярная система работает без обратного провода. Так как авария одного полюса преобразователя или проводника приводит только к малой потере производительности, а обратный ток, протекающий в земле, не возникает, надежность этой схемы высока, без времени, требуемого на переключение.

На 2005 не было преобразований существующих линий переменного тока в трехполярную систему, хотя линия электропередачи в Индии была преобразована в биполярную HVDC.

Оборудование подстанции

В состав оборудования подстанции постоянного тока входят:

• высоковольтный выключатель (AC breaker) для проведения коммутационных операций и защитных отключений;

• фильтры на стороне переменного тока (AC filters) для уменьшения гармоник, передаваемых в линию переменного тока от работающего преобразователя;

• преобразовательные трансформаторы (converter transformers) для согласования уровней напряжения между линией переменного тока и линией постоянного тока;

• преобразовательные мосты (выпрямители или инверторы), осуществляющие преобразование переменного тока в постоянный (или наоборот);

• сглаживающий реактор (Smoothing reactor) – индуктивность в звене постоянного тока для обеспечения работы передачи в качестве источника тока;

• фильтры постоянного тока (DC filters) для улучшения формы тока и напряжения и уменьшения воздействия на оборудование.

Рис.3.Типовой состав оборудования подстанции линии постоянного тока

В настоящее время на большинстве передач постоянного тока в качестве преобразовательного моста используется схема следующего вида (рис.4).

Рис.4.Выпрямительно-инверторный мост линии постоянного тока

Недостатки

Недостатки HVDC в преобразовании, переключении и управлении. Работающая схема HVDC требует хранения многих запасных частей, которые могут быть использованы исключительно в одном устройстве, поскольку устройства HVDC менее стандартизированы, чем устройства переменного тока и используемая технология быстро изменяется.

Необходимые преобразователи дороги и имеют ограниченную перегрузочную способность. На меньших расстояниях потери в самих преобразователях могут быть больше чем в линии электропередачи переменного тока. За исключением двух все прежние ртутные выпрямители во всем мире были демонтированы или заменены тиристорными преобразователями. Схема HVDC между Северным и Южным островами Новой Зеландии все еще использует выпрямители на ртутных вентилях, как и система HVDC линии Vancouver Island в Канаде.

В отличие от систем переменного тока, реализация мультитерминальных систем сложна, так как требует расширение существующих схем до мультитерминальных. Управление перетоком мощности в мультитерминальной системе постоянного тока требует наличие хорошей коммуникации между всеми терминалами. Выключатели цепи постоянного тока высокого напряжения более сложны в изготовлении, так как требуют наличия какого-либо механизма встроенного в выключатель для обнуления тока, иначе будет образовываться дуга, и износ контакта был бы слишком большим, чтобы позволить надежное переключение.

Характеристики передач постоянного тока

Крупнейшая передача прошлого столетия Rihand – Delhi (1991)

• 1500MW, ±500 kV

• Водоохлаждаемые вентили внутренней установки

• Преобразовательные тр-ры однофазные трехобмоточные с выводом обмоток в помещение вентильного зала

• АС фильтр пассивный со встроенными предохранителями и ступенчатой регулировкой

• DC фильтр пассивный

• Трансформатор тока DC построен на основе принципа компенсации магнитного потока

• СУ располагается между двумя мостами и имеет часть аналоговых компонентов

Основные тренды развития передач и вставок постоянного тока

Несмотря на хорошо зарекомендовавшие себя решения техника не стоит на месте и в новых проектах внедряются все новые и новые технологии, позволяющие еще более повысить надежность и эффективность передач:

• Применение тиристоров с рабочими напряжениями 8-9kV и фототиристоров

• Повышение напряжения линии ±800 kV

• Применение процессоров цифровой обработки сигналов (DSP управление)

• Применение вентилей внешней установки

• Установка активных DC фильтров

• Установка настраиваемых AC фильтров

• Применение оптических измерителей тока

• Применение новые топологий схем

Оборудование современной подстанции предсталено на рис.5.

Рис.5. Примерный состав оборудования новой подстанции.

Применение схемы инвертора тока обуславливает наличие сглаживающего реактора со значительной индуктивностью (1..2 Ф). Наличие такой индуктивности в свою очередь приводит к существенному потреблению реактивной мощности. Для компенсации реактивной мощности и снижения уровня гармоник на подстанциях устанавливали дорогостоящие СТК.

Одним из современных решений является применение топологии схемы преобразователя с последовательной емкостью (рис.6). Эта емкость ставится в цепи переменного тока и призвана компенсировать реактивную мощность сглаживающего и токоограничительных реакторов.

Однако, данная схема не лишена недостатков. Основным недостатком является сложность управления особенно в нестационарных процессах.

Рис.6.Выпрямительно-инверторный мост линии постоянного тока с компенсирующей емкостью.

Принципиально другим является преобразователь, построенный на основе инвертора напряжения на полностью управляемых приборах (рис.7). В этом преобразователе осуществляется формирование не тока в звене постоянного тока, а напряжения. Появление на рынке таких преобразователей в первую очередь стало возможным благодаря развитию новых топологий инверторов напряжений на основе многоуровневых преобразователей.

Рис.6.Выпрямительно-инверторный мост линии постоянного тока на основе инвертора напряжения.

В настоящее время основным недостатком таких преобразователей является их неэкономичность, т.е. преобразователь, которому практически не нужны фильтры, тем не менее стоит существенно дороже обычных и имеет КПД хуже чем у преобразователей с инвертором тока.