Передачи постоянного тока и силовая электроника

ОБЗОР ДОКЛАДОВ, ПРЕДСТАВЛЕННЫХ НА 43-Й СЕССИИ МЕЖДУНАРОДНОЙ
КОНФЕРЕНЦИИ СИГРЭ ПО ТЕМАТИКЕ ИК В4
«ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА И СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»

Исследовательский комитет  В4 СИГРЭ существует с 2002 г. взамен ИК14, который в 1966 г. сменил своего учрежденного в 1945 г. предшественника — ИК10. Комитет был создан в связи с широким внедрением  в мировой электроэнергетике начиная с середины ХХ века высоковольтных  электропередач постоянного  тока (ППТВН). Сейчас сфера деятельности комитета распространяется  не только на электропередачи  постоянного тока и вентильное оборудование для них, но и на преобразовательные  устройства силовой электроники для гибких электропередач  переменного тока (ГЭПТ), возобновляемых источников электроэнергии (ветровые и солнечные электростанции) и преобразователей для их интеграции в системы переменного тока. В настоящее время в рамках комитета работают четыре консультативные группы и 17 рабочих  групп по основным вопросам перспективного развития и проблемам  преобразовательной техники больших мощностей.

Всего по тематике ИК В4 на 43-й сессии СИГРЭ было представлено 26 докладов, которые разбиты на три группы в соответствии с объявленными  заранее предпочтительными темами.

1. Разработки в области технологии электропередач постоянного тока и гибких электропередач переменного тока:
• ППТВН на напряжения 800 кВ и выше;
• новые топологии и разработки электропередач с инверторами напряжения;
• многоконцевые и смешанные конфигурации ППТВН;
• ППТВН и ГЭПТ как средство повышения  мощности, пропускной способности и эффективности энергосистем.

2. ППТВН и ГЭПТ — опыт эксплуатации и новые проекты:
• электропередачи с использованием  подземных и/или подводных кабелей и/или воздушных линий;
• введение ППТВН и ГЭПТ в сети переменного тока;
• применение возобновляемых источников энергии.

3. Разработка и применение нового оборудования силовой электроники. Доклады В4-301 — В4-306:
• вопросы защиты окружающей среды в схемах ППТВН и ГЭПТ, включая визуальное воздействие, возврат тока через землю, акустический шум, электромагнитное и ионное воздействия;
• работа энергосистем со встроенными  электропередачами постоянного  тока, включая многие точки подключения и вспомогательные службы;
• вопросы технического регулирования,  лицензирования, финансирования  проектов и технических рисков.

Ниже представлен краткий обзор докладов по первой предпочтительной  теме. В последующих выпусках журнала будет приведен обзор докладов по второй и третьей темам.

1. РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ
ТЕХНОЛОГИИ ППТВН И ГЭПТ

В рамках этой темы имеются публикации о новых разработках в области ППТВН и ГЭПТ, таких, как ППТВН ультравысокого напряжения (ППТУВН), новые топологии преобразователей напряжения и смешанных конфигураций ППТВН. Включены также новые подходы к применению ППТВН и ГЭПТ для улучшения общих характеристик эффективности сетей. По данной теме представлено 11 докладов (В4-101 — В4-111).

Доклад В4-102 «Состояние и особенности  проекта ППТУВН 800 кВ Ксянджиаба — Шанхай» (Швеция — КНР) посвящен обзору текущего состояния технологии ППТУВН 800 кВ и тому, как опыт, полученный при длительных  испытаниях, использован при разработке проекта ППТУВН Ксянджиаба — Шанхай (XS800, 800 кВ, 6400 МВт, 1935 км) в Китае. При разработке акцентировалась важность выравнивания напряжений на оборудовании, подключенном к напряжению полюса. Особое внимание уделялось проектам преобразовательных  трансформаторов, вводов и внешней изоляции. Длительные испытания обеспечили уверенность в проекте оборудования ППТУВН 800 кВ. В декабре 2009 г. преобразовательная  подстанция прошла испытания при разомкнутой линии под напряжением 800 кВ. В настоящее время в Китае в стадии реализации находится  еще два проекта ППТВН 800 кВ: YUG800 Юнань — Гуандонг*) (Yunnan — Guandong, 5000 МВт, 1418 км, совместно  с фирмой «Сименс») и JPS800 Джингпинг — Сунань (Jingping — Sunan, 7200 МВт, 1935 км), которая станет самой большой передачей в мире. Упоминается также строительство  первой связи NER/ER — NR/WR многоконцевой ППТВН NEA800 (6000 МВт, 1728 км) в Индии (см. доклад В4-103). На рис. 1 показаны схемы: примыкающей энергосистемы  и главной преобразовательной подстанции проекта XS800.

Сглаживающие реакторы на стороне постоянного тока разделены пополам между полюсом и нейтралью, что предпочтительно с точки зрения изоляции мостов и поэтому стало стандартной практикой для подобных подстанций. На них предусмотрены резервные системы охлаждения помимо  штатных, обеспечивающих передачу номинальной мощности при максимально оговоренной температуре  окружающей среды. При включении резервного охлаждения при такой же температуре допускается длительная перегрузка до 105% номинального значения и в течение 2 часов — до 113%. При более низких  температурах допустимая перегрузка  увеличивается. Так, при 20оС допускается перезагрузка непрерывно до 115% и в течение 2 часов — до 131% номинальной мощности.

Особенностью проекта является возможность режима плавки гололеда. В этом режиме два 12-пульсных преобразователя на каждой подстанции соединяются параллельно и работают при напряжении 400 кВ с возможностью увеличения тока линии до 7—8 кА в зависимости от текущих условий.

В мостах преобразователей используются  тиристорные двухвентильные блоки («плечо») подвесной конструкции с воздушной изоляцией и водяным охлаждением. В каждом вентиле установлено по 56 тиристоров  типа YST130 (на шайбе 6 дюймов), специально разработанных для применения в системах с большими токами и впервые использованных в этом проекте.

В докладе В4-103 «Концепция проекта многоконцевой ППТУВН 800 кВ: для межсистемной связи 6000 МВт NER/ER-NR/WR — первый проект в Индии» (Швеция — Индия) рассматривается предварительная проработка проекта данной передачи.  Назначение передачи — сбор гидравлической энергии, вырабатываемой в Северо-Восточном регионе страны, и направление ее к центру основной нагрузки. Два выпрямителя (один — в штате Ассам и другой — в штате Западная Бенгалия) будут подключены  к одной линии постоянного тока длиной 1728 км для передачи энергии на инверторную подстанцию в Агре поблизости от Нью-Дели. Эта подстанция будет содержать два биполярных преобразователя, включенных  параллельно. В результате образуется  трехконцевая система ППТВН Nord-East Agra NEA800 (рис. 2). На рисунке не показаны сглаживающие реакторы. В докладе дано описание стратегии эксплуатации и управления: основные режимы управления, запараллеливание  и распараллеливание, координация между подстанциями и ликвидация аварийных режимов. Рассмотрены некоторые особенности проекта, такие, как определение места повреждения линии, выключатели постоянного тока, закрытое распределительное  устройство постоянного тока.

Доклад В4-105 «Техническая реализуемость  и необходимые НИР и ОКР для создания ППТУВН ±1000 кВ и выше» (Индия — Канада — Швеция) посвящен проблемам реализуемости и потребности в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах для создания ППТУВН на напряжение ±1000 кВ и выше. В докладе сформулированы следующие выводы и рекомендации:
• ППТУВН класса 1000 кВ экономически  оправданы для передачи мощностей более 7000 МВт на расстояния более 1500 км;
• для принятия решений о создании новых проектов на напряжение  постоянного тока 1000 кВ и разработке оборудования на этот класс напряжения следует проанализировать  и оценить опыт эксплуатации первых двух ППТВН 800 кВ в Китае;
• основными проблемами при разработке оборудования для преобразовательных подстанций 1000 кВ будут воздушная изоляция  тиристорных вентилей, бумажно-масляная изоляция трансформаторов, конструкции оборудования распредустройств, опорные изоляторы, причем учитываться  должны как электрические,  так и механические и тепловые напряжения;
• при проектировании опор и проводников воздушных линий передачи для минимизации стоимости системы ППТ в целом следует учесть опыт создания и эксплуатации линий 800 кВ в отношении электрических полей, плотности ионов, акустического шума, радиопомех, изоляционных расстояний и других вопросов, связанных с воздействием на окружающую среду.

Новые топологии и разработки
электропередач с инверторами напряжения

В докладе В4-101 «Trans Bay Сable — первая в мире ППТ с использованием  технологии многоуровневых преобразователей напряжения» (Германия — Италия — США) приводится информация о первой в мире кабельной ППТ Trans Bay Cable с использованием технологии многоуровневых модульных преобразователей (ММП) типа «инвертор напряжения», концепция которых была предложена фирмой «Сименс» в 2003 г . (см. ниже доклад B4-104).

Параметры передачи — пропускная  способность 400 МВт при напряжении ±200 кВ и максимальном значении постоянного тока являются на сегодня рекордными для ППТ такого  типа. Передача предназначена для электропитания городской части Сан-Франциско со стороны залива East Bay.

Благодаря способности данной ППТ поддерживать напряжения ожидается, что она позволит улучшить надежность и безопасность сети. В докладе обсуждаются конфигурация ППТ, включая схему заземления и оборудование ММП. Далее рассматривается поведение ММП при несимметрии в сети переменного  тока и во время коротких замыканий в ней.

В докладе В4-104 «Характеристики  и достоинства модульных многоуровневых преобразователей для ГЭПТ» (Германия) дается описание разработанного устройства ГЭПТ типа СТАТКОМ мощностью ±25 МВАр в контейнерном исполнении.

Схемотехника и принцип работы многоуровневых модульных преобразователей типа «инвертор напряжения» (ММП) были рассмотрены в более ранних докладах, представленных фирмой «Сименс» на симпозиуме по тематике ИК В4 в г. Осака в 2007 г. и на 42-й сессии СИГРЭ в 2008 г.

Преобразователь представляет собой шестиплечий трехфазный мост, каждая фаза которого образует один модуль. В каждом плече модуля последовательно  с преобразовательным реактором включено несколько субмодулей (SM). Каждый субмодуль содержит:
• полумост из двух IGBT-ключей с обратными диодами;
• накопительный конденсатор постоянного тока.

Преобразовательные реакторы, представленные на схеме рис. 3, выполняют две функции:
• демпфируют уравнительные токи между фазными модулями, включенными параллельно по стороне постоянного тока; эти токи связаны  с неидентичностью мгновенных значений напряжений на стороне  постоянного тока модулей. Реакторы снижают уравнительные  токи до очень малых значений  и делают их управляемыми за счет выбора подходящих алгоритмов управления;
• реакторы существенно снижают последствия отказов как внутри, так и снаружи преобразователя. В отличие от прежних топологий VSC даже при таких критических повреждениях, как короткое замыкание на выводах постоянного тока преобразователя, скорость нарастания тока не превышает  нескольких десятков ампер в микросекунду. Это позволяет выполнить очень эффективную и надежную защиту преобразователя.

Электроника управления ключами,  измерения напряжения на конденсаторе и связи с верхним уровнем управления на рис. 3 не показаны.

Дополнительные преимущества предложенной схемы:
• данная топология позволяет выполнить  высокомодульную структуру  преобразователя с возможностью  реализации проектов на большие напряжения и мощности;
• топология позволяет осуществлять переключение не более чем в одном уровне в каждый момент времени, при этом достигается очень низкий уровень пульсаций в постоянном напряжении преобразователя  и минимизирует гармоники на стороне переменного тока, позволяя полностью отказаться от фильтров;
• могут использоваться высоконадежные стандартные промышленные компоненты среднего класса напряжения, что позволяет получить высокую надежность проекта в целом;
• возможно применение стандартных трансформаторов;
• гармонические искажения сведены к минимуму;
• достижимая мощность преобразователя определяется, по существу, числом субмодулей и возможностями  системы управления. Данная технология позволяет получить номинальную мощность передачи 1000 МВт и выше;
• модульное построение преобразователя сокращает сроки разработки новых проектов.

Авторы указывают на такие достоинства ММП, как снижение напряжений в изоляции и высокочастотных помех, инициируемых ступенчатыми импульсами напряжения, поскольку его максимальный скачок ограничен величиной напряжения одного модуля.  При относительно скромной частоте  коммутаций отдельного модуля достигается высокая эквивалентная частота переключений, что позволяет иметь небольшие потери при минимальных  требованиях к фильтрации гармоник. Использование топологии ММП дает возможность получить компактное,  масштабируемое, надежное модульное решение. В результате устройства ГЭПТ, основанные на этой топологии, становятся сопоставимыми по стоимости с другими решениями.

В докладе В4-110 «ППТ на инверторах  напряжения с каскадными двухуровневыми преобразователями» (АББ, Швеция) представлен вариант ППТ с инверторами напряжения с вариантом топологии ММП, названным  авторами как «каскадный двухуровневый  преобразователь» (КДУ). Этот преобразователь имеет такую же топологию, что и ММП, представленный в докладах В4-101 и В4-104, только один из выводов модуля подключен к общей точке конденсатора и коллектора второго ключа, тогда как в схеме «Сименс» — к общей точке конденсатора и эмиттера первого ключа.

Плечо в каждом модуле или ячейка полумостового типа состоит из последовательно  включенных модулей IGBT и управляется своим ШИМ с типовой частотой переключений 150 Гц. На рис. 5 показана конструкция двух-вентильного модуля.

Авторы утверждают, что потери в таком преобразователе снижаются примерно до 1%. В докладе рассматриваются особенности преобразователей типа КДУ в части конфигурации главной схемы и схемы управления. Приводятся основные расчеты конденсаторов ячеек, реакторов и трансформатора,  а также самого вентиля.  Объясняется структура системы управления.

В докладе В4-111 «Новая гибридная  топология инверторов напряжения  для ППТ» (Великобритания) предлагается новая схема преобразователя  для ППТ, представляющая собой комбинацию последовательно соединенных полупроводниковых ключей, названных направляющими (director), и многоуровневых преобразовательных ячеек. Основная идея такой гибридной схемы — использование  достоинств двух отдельных топологий — двухуровневого преобразователя и ММП, который обеспечивает реализацию функции формирования кривой напряжения, а направляющие  вентили служат как основной канал передачи мощности. В модуле используется или полумостовая схема (рис. 3), или мостовая, как показано на рис. 4.

На рис. 5 приведена схема однофазного  гибридного преобразователя.  По мнению авторов, основным преимуществом гибридной схемы является то, что требуется меньше ячеек ММП и может быть снижена емкость их конденсаторов, которые в основном определяют объем и массу каждого  силового электронного модуля. В докладе сначала рассматривается общая концепция гибридного преобразователя,  затем приводятся некоторые  варианты его конструкции. Далее в форме сравнения с обычными ММП обсуждаются номинальные параметры гибридного преобразователя, потери в нем и реакция на возмущения в сети.

Многоконцевые и смешанные
конфигурации ППТВН

Доклад В4-108 «Методология исследования  надежности сетей постоянного тока» (Швеция) посвящен оценке ожидаемой надежности работы  сетей постоянного тока в сравнении  с сетями переменного тока сверхвысокого напряжения. Предложенная  методика исследования надежности вместе со статистикой аварий, полученной из открытых источников,  использованы для иллюстрации того, какие сочетания аварий и компонентов сети могут оказывать основное влияние на общую надежность  системы передачи электроэнергии. Для уяснения основных различий  в отношении характеристик надежности проведены расчеты для ряда простых связей типа точка-точка на основе линий переменного тока сверхвысокого напряжения и линий постоянного тока длиной 1000 км. В докладе рассматриваются только сети постоянного тока на основе ППТ с инверторами  при уровне напряжения 600—650 кВ и пропускной способности порядка 2500 МВт в биполярной конфигурации. Исследование надежности  фокусировалось на определении  коэффициента готовности по передаваемой мощности. Расчеты показывают, что коэффициенты готовности  для сетей переменного и постоянного  тока оказываются весьма близкими, если применяются сходные методы избыточности в виде наличия резервных трансформаторов и преобразователей.

В докладе В4-109 «Сеть постоянного  тока континентального уровня» (Швеция) рассматриваются методика и результаты исследования на конкретном примере анализа потоков  мощности в сети постоянного тока на основе инверторов напряжения. Один из авторов этого доклада является руководителем недавно образованной  рабочей группы ИК В4 WG-B4-52 «Сети постоянного тока высокого напряжения».

В докладе обсуждаются требования  к системе управления перетоками  мощности в такой сети, представлены предложения по возможной  схеме управления для выполнения  этих требований. Схема управления со статизмом построена по концепции, аналогичной системам регулирования частоты в системах переменного тока. В работе сначала  объясняются основы управления балансом активной мощности и расчета  перетоков мощности в установившемся режиме. Делается важный вывод, что индикатором баланса мощности в такой системе является напряжение постоянного тока. При исследовании примера сети выяснилось, что использование напряжения на одной подстанции постоянного тока для регулирования напряжения во всей обширной сети постоянного  тока оказывает сильное влияние на систему переменного тока, подключенную  к данной преобразовательной  подстанции, и делает невозможным  полное использование этой подстанции. Авторы приходят к выводу, что необходима разработка новой стратегии регулирования потоков мощности больших сетей постоянного тока, таких, как сеть континентального масштаба.

Относящаяся к данной теме информация  по работе и стратегии управления многоконцевой сетью постоянного тока содержится также в докладе В4-305 «Многоконцевая сеть ППТВН для связи системы и интеграции возобновляемых источников  энергии» (Великобритания), но обсуждение там ограничивается только случаем интеграции в сеть большого района ветроэлектростанций.

ППТВН и ГЭПТ как средство повышения мощности,
пропускной способности и эффективности энергосистем

В докладе В4-106 «Статические компенсаторы реактивной мощности Viklander и Tunnsjodal — расчет, реализация проектов и влияние на использование сети» (Норвегия) представлен норвежский опыт использования  установок СКРМ для увеличения пропускной способности импорта энергии в район центральной  Норвегии, где наблюдается быстрый  рост потребления. Две новые установки с СКРМ мощностью ±250 МВАр и девять батарей шунтовых конденсаторов по 100 МВАр были введены в этом регионе в 2008 г.

В докладе рассматриваются особенности  проектов СКРМ и опыт их эксплуатации в течение первого года работы. Приведены данные по основным параметрам установок, тиристорным вентилям, системам управления и защиты. Рассматриваются некоторые особенности проектов,  связанные с демпфированием колебаний мощности и вопросами загрязнения окружающей среды. Дается информация, которая показывает  удовлетворительный опыт эксплуатации в части надежности и коэффициента готовности.

Доклад В4-107 «Использование  статических последовательных  синхронных компенсаторов (SSSC) для управления перетоками  мощности в испанских сетях передачи электроэнергии 220кВ» (Испания) начинается с обсуждения потребности в оборудовании для управления потоками мощности в указанных в названии доклада сетях,  в частности, для снижения риска  перегрузки линий 220 кВ. Рассмотрены  технические требования и соответствующий проект SSSC, включая стратегию управления. Расчетная номинальная мощность компенсатора 47 МВА обеспечивает желаемый уровень управляемости линии с номинальной мощностью 340 МВА. В преобразовательной части используется инвертор напряжения.

Проектные решения проверены моделированием с точки зрения перетоков мощности и токов короткого замыкания. Кроме того, в качестве необходимой процедуры для проектов  ГЭПТ проведен анализ выбора места включения прототипной установки.

Продолжение обзора докладов по тематике ИК В4 «Передачи постоянного тока и силовая электроника» по предпочтительным темам ППТВН и ГЭПТ — опыт эксплуатации и новые проекты и разработка и применение  нового оборудования силовой электроники — будет опубликовано в следующем номере журнала.

* В конце июня 2010 г. появилось сообщение о том, что ППТВН Yunnan — Guandong введена в работу на полную мощность.