Користувач:Alessot/Високовольтна лінія постійного струму
В основі перетворювальної підстанції ВЛПС обладнання, яке виконує перетворення між змінним і постійним струмом. Майже всі перетворювачі ВЛПС за своєю суттю здатні перетворювати змінний струм на постійний (випрямлення) і з постійного на змінний (інвертування), хоча в багатьох системах ВЛПС система в цілому оптимізована для потоку електроенергії лише в одному напрямку. Незалежно від того, як сконструйований сам перетворювач, підстанція, яка працює (у певний момент часу) з потоком потужності зі змінного струму у постійний, називається випрямлячем, а підстанція, яка працює з потоком потужності з постійного струму у змінний, називається інвертором.
Ранні системи ВЛПС використовували електромеханічне перетворення (система Турі), але всі системи ВЛПС, побудовані з 1940-х років, використовували електронні (статичні) перетворювачі. Електронні перетворювачі для ВЛПС діляться на дві основні категорії:
- Лінійно-комутовані перетворювачі (LCC)
- Перетворювачі-джерела напруги, або перетворювачі-джерела струму.
Більшість систем ВЛПС, що працюють сьогодні, базуються на лінійно-комутованих перетворювачах.
У базовій конфігурації лінійно-комутованого перетворювача використовується трифазний мостовий випрямляч або шестиімпульсний міст, що містить шість електронних вентилів, кожен з яких підключає одну з трьох фаз до однієї з двох шин постійного струму. Повний комутаційний елемент зазвичай називають вентилем, незалежно від його конструкції. Однак, якщо фаза змінюється лише кожні 60°, при такому розташуванні на клемах постійного та змінного струму виникають значні гармонійні спотворення.
Удосконалення конструкція використовує 12 вентилів у дванадцятиімпульсному мосту. Змінний струм перед перетворенням розділяється на дві окремі трифазні джерела. Потім одна з вторинних обмоток з'єднується «зіркою», а інша — «трикутником», через що виникає різниця фаз у 30° між двома наборами з трьох фаз. Завдяки дванадцяти вентилям, які з’єднують кожен із двох наборів із трьох фаз до двох шин постійного струму, відбувається зміна фази кожні 30°, і гармоніки значно зменшуються. З цієї причини дванадцятиімпульсна система стала стандартом для більшості лінійно-комутованих перетворювальних систем ВЛПС, створених з 1970-х років.
У лінійно-комутованих перетворювачах існує має лише один ступінь свободи – кут відкриття, який представляє часову затримку між напругою на вентилі, яка стає позитивною (у цей момент вентиль почав би проводити струм, якби він був зроблений з діодів) і включенням тиристорів. Вихідна напруга постійного струму перетворювача поступово стає менш додатною, оскільки кут відкриття збільшується: кути відкриття до 90° відповідають випрямленню та призводять до позитивних напруг постійного струму, тоді як кути запалювання понад 90° відповідають інвертуванню та призводять до негативних напруг постійного струму. Практична верхня межа для кута відкриття становить приблизно 150–160°, оскільки вище цього значення у вентиля буде недостатньо часу на запирання.
Ранні системи лінійно-комутовані системи використовували ртутно-дугові вентилі, які були міцними, але потребували ретельного обслуговування. Через це багато систем ВЛПС з ртутно-дуговими вентилями були побудовані з байпасним розподільним пристроєм через кожен шестиімпульсний міст, щоб схема ВЛПС могла працювати в шестиімпульсному режимі протягом коротких періодів технічного обслуговування. Остання ртутно-дугова система була закрита в 2012 році.
Тиристорний вентиль вперше був використаний у системах ВЛПС у 1972 році. Тиристор — це твердотільний напівпровідниковий пристрій, подібний до діода, але з додатковим керуючим виводом, який використовується для ввімкнення пристрою в певний момент під час циклу змінного струму. Через те, що напруги в системах ВЛПС до 800 кВ у деяких випадках значно перевищують напругу пробою використовуваних тиристорів, тиристорні вентилі ВЛПС побудовані з використанням великої кількості тиристорів, з’єднаних послідовно. До кожного тиристора необхідно підключити паралельно додаткові пасивні компоненти, такі як конденсатори та резистори, щоб забезпечити рівномірний розподіл напруги у вентилі між тиристорами. Тиристор разом із його допоміжним обладнанням називається тиристорним рівнем.
Кожен тиристорний вентиль зазвичай містить десятки або сотні тиристорних рівнів, кожен з яких працює з різним (високим) потенціалом відносно землі. Тому командну інформацію для ввімкнення тиристорів не можна просто надіслати за допомогою дротяного з’єднання, рівні потрібно ізолювати. Метод ізоляції може бути магнітним, але зазвичай є оптичним. Використовуються два оптичних методи: непрямий і прямий оптичний тригер. У методі непрямого оптичного запуску електроніка низької напруги посилає світлові імпульси вздовж оптичних волокон до електроніки високого рівня, яка живиться від напруги на кожному тиристорі. Альтернативний метод прямого оптичного запуску обходиться без більшості високочастотної електроніки, натомість використовує світлові імпульси від керуючої електроніки для перемикання тиристорів, що запускаються світлом (LTT), хоча для захисту вентиля може знадобитися невеликий блок контрольної електроніки.
У лінійно-комутованому перетворювачі постійний струм (зазвичай) не може змінити напрямок; він протікає через велику індуктивність і може вважатися майже постійним. На стороні змінного струму перетворювач поводиться приблизно як джерело струму, вводячи в мережу змінного струму як струм з частотою мережі, так і струми гармонік. З цієї причини лінійно- комутований перетворювач для ВЛПС також розглядається як інвертор-джерело струму.
Оскільки тиристори можна ввімкнути (не вимкнути) лише за допомогою керуючої дії, система керування має лише один ступінь свободи – коли вмикати тиристор. Це важливе обмеження за деяких обставин.
За допомогою деяких інших типів напівпровідникових пристроїв, таких як біполярний транзистор з ізольованим затвором (IGBT), можна керувати як увімкненням, так і вимиканням, що дає другий ступінь свободи. В результаті їх можна використовувати для створення самокомутованих перетворювачів. У таких перетворювачах полярність постійної напруги зазвичай фіксована, і постійна напруга, будучи згладженою великою ємністю, може вважатися постійною. З цієї причини перетворювач ВЛПС, що використовує IGBT, зазвичай називають перетворювачем-джерелом напруги. Додаткова керованість дає багато переваг, зокрема можливість вмикати та вимикати IGBT багато разів за цикл, щоб покращити характеристики гармонік. Будучи самокомутованим, перетворювач більше не покладається на синхронні машини в системі змінного струму для своєї роботи. Тому перетворювач-джерело напруги може живити мережу змінного струму, яка складається лише з пасивних навантажень, що неможливо з лінійно-комутованими перетворювачами ВЛПС.
Системи ВЛПС на основі перетворювачів-джерел напруги зазвичай використовують шестиімпульсне підключення, оскільки перетворювач виробляє набагато менше гармонійних спотворень, ніж порівнянний лінійно-комутований перетворювач, і дванадцятиімпульсне підключення непотрібне.
Більшість систем перетворювачів-джерел напруги, створених до 2012 року, базувалися на дворівневому перетворювачі, який можна розглядати як шестиімпульсний міст, у якому тиристори були замінені на IGBT із зворотно-паралельними діодами, а реактори згладжування постійного струму були замінені згладжуючими конденсаторами постійного струму. Такі перетворювачі отримали свою назву від двох дискретних рівнів напруги на виході змінного струму кожної фази, які відповідають електричним потенціалам позитивних і негативних клем постійного струму. Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) зазвичай використовується для покращення гармонійних спотворень перетворювача.
Деякі системи ВЛПС були побудовані з трьохрівневими перетворювачами, але сьогодні більшість нових систем перетворювачів-джерел напруги ВЛПС будуються з певною формою багаторівневого перетворювача, найчастіше модульного багаторівневого перетворювача (MMC), у якому кожен вентитль складається з кількох незалежних підмодулів перетворювача, кожен з яких містить свій власний накопичувальний конденсатор. IGBT у кожному підмодулі або обходять конденсатор, або підключають його до схеми, дозволяючи вентилю синтезувати ступінчасту напругу з дуже низьким рівнем гармонійних спотворень.
На стороні змінного струму кожного перетворювача банк трансформаторів, часто три фізично розділених однофазних трансформатора, ізолюють станцію від джерела змінного струму, щоб забезпечити місцеве заземлення та забезпечити правильну кінцеву напругу постійного струму. Потім вихід цих трансформаторів підключається до перетворювача.
Перетворювальні трансформатори для лінійно-комутованих схем перетворювачів ВЛПС є досить спеціалізованими через високі рівні струмів гармонік, які протікають через них, а також через те, що ізоляція вторинної обмотки відчуває постійну напругу постійного струму, що впливає на конструкцію ізоляційної структури (вентильна сторона вимагає міцнішої ізоляції) всередині бака. У лінійно-комутованих перетворювачах трансформатори також повинні забезпечувати зсув фаз на 30°, необхідний для компенсації гармонік.
Перетворювальні трансформатори для систем перетворювачів-джерел напруги зазвичай простіші та більш звичайні за конструкцією, ніж трансформатори для систем лінійно-комутованих перетворювачів.
Основним недоліком систем ВЛПС, які використовують лінійно-комутовані перетворювачі, є те, що перетворювачі за своєю суттю споживають реактивну потужність. Змінний струм, що надходить у перетворювач із системи змінного струму, відстає від напруги змінного струму, так що, незалежно від напрямку потоку активної потужності, перетворювач завжди поглинає реактивну потужність, поводячись так само, як шунтуючий реактор. Споживана реактивна потужність не менше 0,5 МВар/МВт за ідеальних умов і може бути вищою, коли перетворювач працює при вищому, ніж зазвичай, куті відкриття або запирання, або зниженій напрузі постійного струму.
Хоча на перетворювальних станціях ВЛПС, підключених безпосередньо до електростанцій, частина реактивної потужності може вироблятися самими генераторами, у більшості випадків реактивна потужність, споживана перетворювачем, повинна забезпечуватися батареями шунтуючих конденсаторів, підключених до клем змінного струму перетворювача. Шунтуючі конденсатори зазвичай підключаються безпосередньо до мережі, але в деяких випадках можуть підключатися до нижчої напруги через третинну обмотку трансформатора перетворювача.
Оскільки споживана реактивна потужність залежить від активної потужності, що передається, шунтуючі конденсатори зазвичай потрібно розділити на кілька підключаємих блоків (зазвичай по чотири на перетворювач), щоб запобігти генеруванню надлишку реактивної потужності при низькій потужності, що передається.
Шунтуючі конденсатори майже завжди оснащені настроювальними реакторами та, де необхідно, демпферними резисторами, щоб вони могли виконувати подвійну роль фільтрів гармонік.
З іншого боку, перетворювачі-джерела напруги можуть виробляти або споживати реактивну потужність на вимогу, в результаті чого зазвичай не потрібні окремі шунтуючі конденсатори (окрім тих, які потрібні виключно для фільтрації).
Усі силові електронні перетворювачі генерують певний ступінь гармонійних спотворень у системах змінного та постійного струму, до яких вони підключені, і перетворювачі ВЛПС не є винятком.
З нещодавно розробленим модульним багаторівневим перетворювачем (MMC) рівні гармонійних спотворень можуть бути практично незначними, але з лінійно-комутованими перетворювачами та простішими типами перетворювачів-джерел напруги значні гармонійні спотворення можуть виникати як на стороні змінного, так і на стороні постійного струму перетворювача. Як наслідок, фільтри гармонік майже завжди потрібні на клемах змінного струму таких перетворювачів, а в схемах передачі ВЛПС з використанням повітряних ліній також можуть знадобитися на стороні постійного струму.
Основним будівельним блоком лінійно-комутованого перетворювача ВЛПС є шестиімпульсний міст. Така конструкція створює дуже високі рівні гармонійних спотворень, діючи як джерело струму, вводячи гармонічні струми порядку 6n±1 у систему змінного струму та генеруючи гармонічні напруги порядку 6n, що накладаються на напругу постійного струму.
Забезпечити фільтри гармонік, здатні пригнічувати такі гармоніки, дуже дорого, тому майже завжди використовується варіант, відомий як дванадцятиімпульсний міст (що складається з двох шестиімпульсних мостів послідовно зі зсувом фази 30° між ними). У дванадцятиімпульсному мості гармоніки все ще виробляються, але лише в порядку 12n±1 на стороні змінного струму та 12n на стороні постійного струму. Завдання придушення таких гармонік все ще є складним, але керованим.
Лінійно-комутовані перетворювачі для ВЛПС зазвичай забезпечуються комбінаціями фільтрів гармонік, призначених для обробки 11-ї та 13-ї гармонік на стороні змінного струму та 12-ї гармоніки на стороні постійного струму. Іноді для обробки 23-ї, 25-ї, 35-ї, 37-ї на стороні змінного струму та 24-ї, 36-ї... на стороні постійного струму. Іноді фільтри змінного струму можуть також потребувати демпфування нехарактерних гармонік нижчого порядку, таких як 3-я або 5-та гармоніки.
Завдання проектування фільтрів гармонік змінного струму для перетворювальних станцій ВЛПС є складним, оскільки крім забезпечення відсутності неприйнятного рівня спотворення напруги в системі змінного струму, необхідно переконатися, що фільтри гармонік не резонують з деяким компонентом в іншому місці в системі змінного струму. Щоб розробити фільтри змінного струму, необхідно детально знати гармонійний опір системи змінного струму в широкому діапазоні частот.[1]
Фільтри постійного струму потрібні лише для систем передачі ВЛПС, що включають повітряні лінії. Спотворення напруги не є проблемою само по собі, оскільки споживачі не підключаються безпосередньо до клем постійного струму системи, тому основним критерієм конструкції для фільтрів постійного струму є забезпечення того, щоб струми гармонік, що протікають у лініях постійного струму, не створювали перешкод у найближчих відкритих телефонних лініях.[2] Зі зростанням цифрових мобільних телекомунікаційних систем, які набагато менш чутливі до перешкод, фільтри постійного струму стають менш важливими для систем ВЛПС.
Деякі типи перетворювачів напруги можуть створювати такі низькі рівні гармонійних спотворень, що фільтри взагалі не потрібні. Однак такі типи перетворювачів, як дворівневий перетворювач, що використовується з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ), все ще потребують певної фільтрації, хоча й меншої, ніж у системах лінійно-комутованих перетворювачів.
У таких перетворювачах спектр гармонік, як правило, зсувається в бік вищих частот, ніж у лінійно-комутованих перетворювачів. Зазвичай це дозволяє зменшити розмір фільтруючого обладнання. Домінуючі гармонічні частоти є бічними смугами частоти ШІМ і кратними їй. У ВЛПС частота ШІМ зазвичай становить близько 1 до 2 кГц.