Преобразовательная станция HVDC ( или просто преобразовательная станция ) — это специализированный тип подстанции , которая образует конечное оборудование для линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC). [1] Она преобразует постоянный ток в переменный ток или наоборот. Помимо преобразователя , станция обычно содержит:
Преобразователь обычно устанавливается в здании, называемом вентильным залом . Ранние системы HVDC использовали ртутно-дуговые вентили , но с середины 1970-х годов стали использоваться твердотельные устройства, такие как тиристоры . Преобразователи, использующие тиристоры или ртутно-дуговые вентили, известны как преобразователи с коммутацией линий . В преобразователях на основе тиристоров множество тиристоров соединены последовательно, образуя тиристорный вентиль, и каждый преобразователь обычно состоит из шести или двенадцати тиристорных вентилей. Тиристорные вентили обычно группируются парами или группами по четыре и могут стоять на изоляторах на полу или висеть на изоляторах на потолке.
Преобразователи с линейной коммутацией требуют напряжения от сети переменного тока для коммутации, но с конца 1990-х годов преобразователи с источником напряжения начали использоваться для HVDC. Преобразователи с источником напряжения используют биполярные транзисторы с изолированным затвором вместо тиристоров, и они могут обеспечивать питание обесточенной системы переменного тока.
Почти все преобразователи, используемые для HVDC, изначально способны работать с преобразованием мощности в любом направлении. Преобразование мощности из переменного тока в постоянный называется выпрямлением , а преобразование из постоянного тока в переменный называется инверсией .
Оборудование постоянного тока часто включает в себя катушку (называемую реактором ), которая добавляет индуктивность последовательно с линией постоянного тока, чтобы помочь сгладить постоянный ток. Индуктивность обычно составляет от 0,1 Гн до 1 Гн. Сглаживающий реактор может иметь как воздушный, так и железный сердечник. Катушки с железным сердечником выглядят как масляные высоковольтные трансформаторы. Сглаживающие катушки с воздушным сердечником напоминают, но значительно больше, дроссельные катушки несущей частоты в высоковольтных линиях электропередачи и поддерживаются изоляторами . Воздушные катушки имеют преимущество в том, что создают меньше акустического шума, чем катушки с железным сердечником, они устраняют потенциальную опасность для окружающей среды от разлитого масла и не насыщаются в условиях кратковременных сильных токовых замыканий . Эта часть установки также будет содержать приборы для измерения постоянного тока и напряжения.
Специальные фильтры постоянного тока используются для устранения высокочастотных помех. Такие фильтры требуются, если линия электропередачи будет использовать методы связи по линиям электропередач для связи и управления или если воздушная линия будет проходить через населенные пункты. Эти фильтры могут быть пассивными LC- фильтрами или активными фильтрами, состоящими из усилителя, соединенного через трансформаторы и защитные конденсаторы, что дает сигнал, не совпадающий по фазе с сигналом помехи на линии, тем самым подавляя его. Такая система использовалась в проекте Baltic Cable HVDC.
Преобразовательные трансформаторы повышают напряжение сети переменного тока. Используя соединение обмоток трансформатора «звезда-треугольник» или « звезда-треугольник », преобразователь может работать с 12 импульсами за каждый цикл в сети переменного тока, что устраняет многочисленные гармонические составляющие тока. Изоляция обмоток трансформатора должна быть специально спроектирована, чтобы выдерживать большой потенциал постоянного тока относительно земли. Преобразовательные трансформаторы могут быть построены до 300 мегавольт-ампер (МВА) как единое целое. Транспортировка более крупных трансформаторов нецелесообразна, поэтому, когда требуются более высокие номинальные характеристики, несколько отдельных трансформаторов соединяются вместе. Можно использовать либо два трехфазных блока, либо три однофазных блока. В последнем варианте используется только один тип трансформатора, что делает поставку запасного трансформатора более экономичной.
Преобразовательные трансформаторы работают с мощными ступенями потока в четырех ступенях преобразователя за цикл, и поэтому производят больше акустического шума, чем обычные трехфазные силовые трансформаторы. Этот эффект следует учитывать при размещении преобразовательной станции HVDC. Могут применяться шумоподавляющие кожухи.
При использовании преобразователей с коммутацией линии преобразовательная станция потребует от 40% до 60% своей номинальной мощности в качестве реактивной мощности. Это может быть обеспечено батареями переключаемых конденсаторов или синхронными конденсаторами , или, если подходящая электростанция расположена близко к статической инверторной установке, генераторами на электростанции. Потребность в реактивной мощности может быть снижена, если преобразовательные трансформаторы имеют переключатели ответвлений под нагрузкой с достаточным диапазоном ответвлений для управления напряжением переменного тока. Часть потребности в реактивной мощности может быть обеспечена в компонентах фильтра гармоник.
Преобразователи напряжения могут генерировать или поглощать как реактивную, так и активную мощность, и дополнительное оборудование для генерации реактивной мощности, как правило, не требуется.
Фильтры гармоник необходимы для устранения гармонических волн и для производства реактивной мощности на преобразовательных станциях с коммутацией линий. На станциях с шестью импульсными преобразователями с коммутацией линий необходимы сложные фильтры гармоник, поскольку на стороне переменного тока образуются нечетные гармоники порядков 6 n + 1 и 6 n - 1 , а на стороне постоянного тока - четные гармоники порядка 6 n . На преобразовательных станциях с 12 импульсами возникают только гармонические напряжения или токи порядка 12 n + 1 и 12 n - 1 (на стороне переменного тока) или 12 n (на стороне постоянного тока). Фильтры настраиваются на ожидаемые гармонические частоты и состоят из последовательных комбинаций конденсаторов и индукторов.
Преобразователи напряжения обычно производят гармоники меньшей интенсивности, чем преобразователи с коммутацией линии. В результате фильтры гармоник обычно меньше или могут быть вообще исключены.
Помимо фильтров гармоник, также предусмотрено оборудование для устранения ложных сигналов в диапазоне частот оборудования линии электропередачи в диапазоне от 30 кГц до 500 кГц. Эти фильтры обычно находятся вблизи клеммы переменного тока статического инверторного трансформатора. Они состоят из катушки, которая пропускает ток нагрузки, с параллельным конденсатором для формирования резонансного контура.
В особых случаях возможно использование исключительно машин для генерации реактивной мощности, что реализовано на конечной точке ВЛПТ Волгоград-Донбасс , расположенной на Волжской ГЭС .
Трехфазное распределительное устройство переменного тока преобразовательной станции похоже на распределительное устройство подстанции переменного тока. Оно будет содержать автоматические выключатели для защиты преобразовательных трансформаторов от перегрузки по току, разъединители, заземляющие выключатели и измерительные трансформаторы для управления, измерения и защиты. Станция также будет иметь молниеотводы для защиты оборудования переменного тока от грозовых перенапряжений в системе переменного тока.
Площадь, необходимая для преобразовательной станции, намного больше, чем для обычного трансформатора, например, площадка с мощностью передачи 600 мегаватт и напряжением передачи 400 кВ составляет приблизительно 300 x 300 метров (1000 x 1000 футов). Для установок с более низким напряжением может потребоваться несколько меньшая площадь земли, поскольку вокруг наружного высоковольтного оборудования потребуется меньшее воздушное пространство.
Преобразовательные станции производят акустический шум. Преобразовательные станции могут создавать серьезные уровни радиочастотных помех, поэтому включите конструктивные особенности для контроля этих излучений. Стены могут обеспечить защиту от шума. Как и на всех подстанциях переменного тока, масло из оборудования должно быть защищено от загрязнения грунтовых вод в случае разлива. Для воздушных линий электропередачи может потребоваться значительная площадь, но ее можно уменьшить, если использовать подземный кабель.
