Доклады и презентации

Преобразователи тока ППТ и ВПТ

Сегодня во многих странах работают свыше 120 электропередач и вставок постоянного тока (ППТ и ВПТ), и многие десятки этих объектов запланированы к сооружению (рис.1).

Рис. 1
Некоторые объекты постоянного тока в мировой энергетике.


ППТ и ВПТ используются для решения ряда специфических задач:
- создание протяжённых линий электропередачи большой мощности, межсистемных и межгосударственных связей;
- объединение энергосистем с разными стандартами частоты и с различными законами регулирования и управления;
- создание связей энергосистем, разделённых водными преградами;
- снижение вредных экологических воздействий;
- повышение живучести объединяемых энергосистем.

Особенно стремительный рост числа введённых в эксплуатацию объектов постоянного тока наблюдается с появлением мощных высоковольтных тиристоров (1960 г.) как основной элементной базы вентильных преобразователей с увеличивающимся уровнем напряжения и мощностью.

Анализ технических решений по ППТ и ВПТ показывает во многом их идентичность и достаточно высокое совершенство, подтверждающееся их успешной длительной эксплуатацией. Это может свидетельствовать о том, что технические решения приближаются к типовым. Использование этих решений позволит отказаться при разработке и создании объектов от рассмотрения их как эксклюзивных, а многие виды оборудования поставить на поточное производство. Это позволит снизить стоимость оборудования, сократить сроки разработки и создания ППТ и ВПТ, повысить конкурентоспособность объектов постоянного тока в сравнении с линиями электропередачи переменного тока. Конечно, при этом необходимо будет вносить коррективы, учитывающие параметры объекта (мощность, напряжение и др.) и особые условия и требования.

Схема преобразования двухподстанционной ППТ представлена на рис. 2.

Рис. 2
Главная схема преобразовательной подстанции:
1 – преобразователь; 2 – трансформатор; 3 – фильтр гармоник; 4 – линейный реактор; 5 – фильтр гармоник в ВЛ; 6 – СТК; 7 – выключатель.


Рассмотрим далее основные технические решения применительно к преобразовательным ПС ППТ и ВПТ, не касаясь линейной части ППТ.

Общепринято каскадное соединение трёхфазных преобразовательных мостов по схеме Ларионова В.П., с питанием мостов со сдвигом фазных напряжений на 30 Оэл. (вентильные обмотки соединены в Y и Δ), что обеспечивает двенадцатипульсный режим преобразования.

Не допускается одиночная работа преобразовательных мостов (из-за появления канонических гармоник 6-пульсного режима).

Для ППТ обеспечивается в нормальной схеме биполярный режим с заземлением средней точки на одной или обеих преобразовательных подстанциях (с выносной заземляющей или заводняющей линией). В зарубежных ВПТ, как правило, выполняется заземление непосредственно одного из полюсов преобразователя.

Преобразователи Выборгской ВПТ заземлены в средней точке 6-пульсных мостов через резистор 60 кОм. При таком заземлении снижается уровень изоляции преобразователя.

Максимальное напряжение ВЛ ППТ ±800 кВ (Китай).

ВПТ имеют блочное построение с размещением в отдельных зданиях. Как правило, обеспечен реверсивный режим.

Преобразовательные трансформаторы


При мощности блочного преобразователя до 500 МВт трансформаторы трёхфазные или однофазные с групповым соединением. При большей мощности применяется только групповое соединение.

В большинстве случаев преобразовательные трансформаторы только двухобмоточные (сетевая, схемная одиночная или схемная с расщеплёнными обмотками). Трансформаторы Выборгской преобразовательной подстанции имеют дополнительную обмотку для подключения фильтровых устройств.

Трансформаторы только наружной установки, выводы схемных обмоток выполняют также роль вводов в здание и расположены, как правило, с торца трансформатора горизонтально или с подъёмом относительно горизонта.

РПН имеются на трансформаторах и выпрямителя, и инвертора. Как правило, диапазон переключений симметричен и имеет по 15 ступеней.

Трансформаторы оснащены системами измерений контроля и мониторинга.

Высоковольтные вентили

Применяется только последовательное соединение тиристоров. Тиристоры традиционные (на напряжение до 8–10 кВ и ток до 3 кА) и, начиная с конца прошлого века, фототиристоры со встроенными внутренними защитами.

Избыточность по тиристорам 3–5%.

Система управления ВТВ на традиционных тиристорах комбинированная: электрический импульс на потенциале земли, световой импульс, идущий по волоконным световодам на потенциалы ячеек вентиля, электрический импульс на ЭУ тиристора. Питание собственных нужд ячеек – путём отбора мощности от схемы ВТВ. Фототиристоры управляются мощными, малой длительности, импульсами, поступающими по волоконным каналам с потенциала земли.

Защита ВТВ от перенапряжений с помощью ОПН с достаточно низким защитным уровнем.

Конструкция ВТВ – модульная. Охлаждение, как правило, глубоко химочищенной водой. Есть сведения о применении этиленгликолевого контура.

Конструкция, как правило, подвесного типа (рис. 3) со сдвоенными или учетверёнными вентилями мостов (квадрита). Хорошо выполнены противокоронная защита вентилей и дизайн.

Вентили внутренней установки в вентильных залах преобразователей.

Рис. 3
Преобразователи на ПС Talcher, Индия.


Фильтро-компенсирующие устройства

Фильтры переменного тока, как правило, пассивного типа, одно- и двухступенчатые, устанавливаемые на отправных и приёмных шинах. Комбинация узконастроенных и широкополосных звеньев.

Фильтры постоянного тока, обычно пассивного типа.

Нерегулируемые компенсирующие устройства – фильтровые и шунтовые конденсаторные батареи со ступенчатыми отключением и включением. Регулируемые компенсирующие устройства – СТК и СК.

На ВПТ Дюрнрор (на границе Австрии и Чехии) была реализована схема, использующая регулировочные возможности преобразователей. По техническим требованиям перетоки реактивной мощности по отправным и приёмным линиям 420 кВ были в пределах 0 – ±60 Мвар.

При минимальных нагрузках ВПТ имеет возможность регулирования перетока реактивной мощности изменением углов и δ с помощью регулятора реактивной мощности. На рис. 4 показана зависимость потока реактивной мощности в ВЛ от передаваемой активной мощности вплоть до её минимального значения 0,2 отн.ед. (110 МВт).

Рис. 4
Баланс реактивных мощностей на государственной границе Австрия–Чехия при напряжении сети 400 кВ в функции от передаваемой мощности (ВПТ Дюрнрор):
1– граница минимальных нагрузок; 2 – расчётная минимальная нагрузка (110 МВт); 3 – номинальная нагрузка (550 МВт); 4 – максимально допустимая нагрузка; 5 – регулирование потребления реактивной мощности изменением углов
α и δ; 6 – включён фильтр 13-й гармоники; 7 – включён фильтр 11-й гармоники; 8 – включена шунтовая конденсаторная батарея.


Коммутационная аппаратура

В основном в качестве выключателей используются элегазовые аппараты без ограничения числа коммутаций при эксплуатации. Во всех случаях, когда требуются быстродействующие коммутаторы постоянного тока (автоматические выключатели в цепи металлического возврата тока, заземляющие выключатели в нулевой точке, переключатели шин и переключатели в цепи возврата тока через землю), используются также элегазовые аппараты.

Принципы управления и защиты ППТ


Реализация их осуществляется с помощью современных программно-технических комплексов. Система характеризуется высокой эффективностью, небольшим объёмом обслуживания, очень мощной средой программирования и хорошими возможностями интеграции в системы диспетчерского управления, сбора информации. Система позволяет диспетчерским центрам осуществлять удалённый доступ к информации о состоянии каждой преобразовательной подстанции. Эти центры обладают возможностью осуществлять дистанционное управление и могут регулировать электропередачу с использованием наземной оптоволоконной линии связи. Ресурсы линий связи используются для диспетчерских функций коммерческих целей.

Данные по перегрузочной способности некоторых ППТ

Проектом каждой из двух ППТ 3GC и 3GG (три ущелья, Китай) перегрузка при максимальной наружной температуре окружающего воздуха и работающем охлаждении допускается в пределах, МВт

Номинальная мощность 3000

Продолжительно 3150

В пределах 2 часов 3390

В пределах 10 с 4230

В пределах 5 с 4500.

Перегрузочная способность ППТ 1500 МВт Rihand-Dadri (Индия), МВт

В пределах 2 ч 1650

В пределах 5 с 2000.

Относительно потерь в оборудовании ППТ сведения весьма скудные.

Опубликованы такие данные по ППТ 3GC и 3GG (РН = 3000 МВт, L = 1060 км, UdH = ±500 кВ):
потери на преобразовательной ПС, % 1,3
потери на ВЛ ППТ, % 5,8.

По компактной элегазовой ВПТ ЭПРИ (США) получены такие эксплуатационные данные:
Потери в преобразователе, включая потери на собственные нужды, составляют – 1,77%.
Примерно половина их приходится на преобразовательный трансформатор 820 кВт из суммарных – 1770 кВт.

На ВПТ Дюрнрор с пропускной мощностью 550 МВт был зафиксирован суммарный КПД в преобразователе (шина-шина) на уровне 98,5%.

Подобные данные могут служить ориентиром при разработке отечественных объектов постоянного тока как мировых достижений.

Возможность и пути улучшения технико-экономических характеристик преобразователей электропередач и вставок постоянного тока.

Безусловно, ещё имеются пути улучшения технических и экономических характеристик оборудования мощных высоковольтных преобразователей путём инноваций и использования достижений в разработке новых изоляционных и обмоточных материалов, железа для сердечников трансформаторов, новых полупроводниковых силовых приборов для комплектации ВТВ, вычислительной техники нового поколения и др.

Схема преобразования

Совершенствование главной схемы должно позволить уменьшить последствия двух органических недостатков преобразователей:
- генерирование высших гармоник тока и напряжения в сеть переменного тока и наличие высших гармоник в выпрямленном токе и выпрямленном напряжении;
- потребление реактивной мощности преобразователями.

Первые две проблемы могут быть в определённой мере решены применением мало исследованных схем преобразования:
- схема с конденсаторным присоединением преобразовательных мостов к вентильным обмоткам трансформаторов. Её применение позволяет повысить устойчивость коммутаций тока при сниженных ОКЗ (меньше 2), меньшее потребление реактивной мощности, меньшая опасность возникновения перенапряжений в питающей линии, вызванных колебательными процессами в контурах «фильтры – преобразовательный трансформатор – сеть переменного тока». Однако появление опасных перенапряжений на конденсаторах не позволяло раньше надеяться на успешное применение этой схемы. Прогресс в конденсаторостроении и производстве ОПН позволит, возможно, применять эту схему;
- улучшить технико-экономические показатели преобразователей ППТ и ВПТ возможно применением схемы, приведённой на рис. 5.

Рис. 5
Схема квази-24-пульсного преобразователя.


Наличие шунтовых конденсаторов в этой схеме, во-первых, позволяет уменьшить углы коммутации и снизить потребление реактивной мощности преобразователем, ограничить перенапряжения в нём и улучшить качество сетевого тока. Улучшается форма анодного напряжения вентилей и возможна работа преобразователей с минимальными углами включения α.

Во-вторых, сдвигом импульсов включения α на преобразователе 1П и 2П таким, чтобы они были равными α1=α–7,5О и α2=α+7,5О, достигается квазидвадцатипульсный режим преобразования с содержанием гармоник тока в сетевом токе, коэффициент искажения синусоидальности сетевого тока Кu не превышает 0,7%. Не требуются фильтровые конденсаторные батареи.

Но радикальным, как сейчас представляется, средством решения обоих недостатков преобразователя на традиционных тиристорах является применение преобразователя напряжения на полностью управляемых вентилях (ПУВ). ПУВ отпирается как традиционный тиристор, а запереть его возможно импульсом отрицательной полярности подачей его на тот же электрод управления. Полная управляемость вентиля позволяет в четырёх квадрантах системы координат «ток – напряжение» (рис. 6) осуществлять выпрямление и инвертирование тока с потреблением и выдачей реактивной мощности за счёт опережающего тока. Более того, в течение времени проводимости можно с определённой частотой и по определённому закону многократно включать и отключать ПУВ, добиваясь малого искажения тока и напряжения в сети питания. Преобразователь на ПУВ способен, кроме того, устойчиво работать на сеть с малым ОКЗ и даже в автономном режиме.

Система координат «ток-напряжение».

Рис. 6
Возможности работы преобразователя на ПУВ.


В преобразовательных трансформаторах возможно:
- уменьшить потери примерно на 1% за счёт применения для изготовления магнитопроводов аморфных сплавов, для обмоток транспонированных проводов и других мероприятий;
- выводы схемных обмоток расположить с торцевой стороны;
- в системе охлаждения применить малошумящие вентиляторы;
- оснастить РПН преобразовательные трансформаторы выпрямителя и инвертора;
- трансформаторы должны быть оборудованы электронными системами управления, которые позволят обеспечить анализ и учёт всех операций, а также интеллектуальное управление вентиляторами охлаждения для уменьшения потерь электроэнергии в системе собственных нужд.

Высоковольтные тиристорные вентили (ВТВ)

Организацией защиты ВТВ на традиционных тиристорах от перенапряжений и ещё более глубоким ограничением с помощью ОПН напряжений на всех элементах преобразователя можно уменьшить число последовательно соединённых тиристоров и тем самым снизить его стоимость, упростить схему и конструкцию, уменьшить потери и повысить КПД преобразователя. Эти эффекты, естественно, достигаются и применением тиристоров с более высокими напряжениями.

Применение вместо традиционных тиристоров фототиристоров со встроенными защитами (рис. 7) позволит предельно упростить схему и конструкцию ВТВ. И если изготовление фототиристоров позволяет, как это следует из рекламных материалов, получить приборы с лучшими (большими) характеристиками по напряжению, то такой вентиль значительно выиграет по сравнению с ВТВ на традиционных тиристорах. В таком вентиле исчезнут цепочки защиты тиристоров «по аноду», не нужны будут цепи отбора мощности для собственных нужд в тиристорных ячейках, уменьшится количество полупроводниковых приборов, повысится надёжность ВТВ.

Рис. 7
Фототиристор с частично разобранным корпусом.


Фильтрация высших гармонических


Наиболее радикальным способом снижения в ВЛ ППТ гармоник от преобразователей с помощью фильтров является применение гибридного фильтра, состоящего из пассивного фильтра, настроенного на две наиболее выраженные гармоники, и активного фильтра, включённого между нейтралью преобразователя и нижним выводом пассивного фильтра (рис. 8).

Рис. 8
Схема гибридного фильтра высших гармоник в полюсе ППТ:
1 – преобразователь; 2 – пассивный фильтр гармоник; 3 – активная часть фильтра (управляемый источник); 4 – трансформатор тока; 5 – разрядник; 6 – линейный реактор.


В активном фильтре источником (генератором) может служить преобразователь частоты, выполненный на ПУВ. Преобразователь работает с ШИМ с частотой, которая позволяет подавить гармоники с частотой 300–3000 Гц.

Компенсация реактивной мощности с использованием регулируемых источников типа СТК и СТАТКОМ

Схема и оборудование СТК, позволяющего как потреблять, так и выдавать реактивную мощность, хорошо известна. Это комбинация регулируемой или нерегулируемой конденсаторной батареи и тиристорно регулируемых реакторов. Исследования НИИПТ [2] показали, что применение СТК расширяет область апериодической устойчивости инвертора.

В настоящее время опытный образец СТАТКОМ мощностью 50 МВА и напряжением 15,75 кВ проходит испытания на ПС «Выборгская». Считается, что он является прототипом СТАТКОМ для комплектации преобразователей ВИП после реконструкции ПС «Выборгская». Применение СТАТКОМ как регулируемого источника реактивной мощности для ППТ – дело будущего.


Литература
1. Худяков В.В. Электропередачи и вставки постоянного тока в энергосистемах мира. Применение статических компенсаторов./ Сб. «Планирование развития энергосистем. Передача энергии постоянным током высокого напряжения. Энергоатомиздат.
1986. Москва.
2. Крайчик Ю.С. Практический критерий устойчивости напряжений в электрической сети с инвертором // Известия НИИ постоянного тока. 2001. № 58.


Реферат
УДК 621.311.019
Преобразователи тока ППТ и ВПТ/ Балыбердин Л.Л., канд. техн. .наук., Кощеев Л.А., докт. техн. наук, Лозинова Н.Г., канд. техн. наук. - ОАО «НИИПТ
Показана тенденция в развитии технологии преобразователей тока для передач и вставок постоянного тока.

Abstracts
UDC 621.311.019
The current source converter for HVDC transmissions and back-to-back stations / L.L. Balyberdin,Ph.D., L.A. Koscheev,Ph.D., N.G. Lozinova, Ph.D., - NIIPT.
The trend of current source converter (CSC) technological development for HVDC transmissions and back-to-back stations are shown.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно