Преобразовательная станция HVDC (или просто преобразовательная станция ) — это специализированный тип подстанции , которая образует оконечное оборудование для линии передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC). [1] Он преобразует постоянный ток в переменный или наоборот. Помимо преобразователя , станция обычно содержит:
Преобразователь обычно устанавливается в здании, называемом вентильным залом . В ранних системах HVDC использовались ртутно-дуговые клапаны , но с середины 1970-х годов стали использоваться твердотельные устройства, такие как тиристоры . Преобразователи, использующие тиристоры или ртутно-дуговые вентили, известны как преобразователи с линейной коммутацией . В преобразователях на основе тиристоров множество тиристоров соединены последовательно, образуя тиристорный вентиль, и каждый преобразователь обычно состоит из шести или двенадцати тиристорных вентилей. Тиристорные клапаны обычно группируются парами или группами по четыре человека и могут стоять на изоляторах на полу или свисать на изоляторах с потолка.
Преобразователям с линейной коммутацией для коммутации требуется напряжение от сети переменного тока, но с конца 1990-х годов преобразователи с источником напряжения начали использоваться для HVDC. В преобразователях напряжения вместо тиристоров используются биполярные транзисторы с изолированным затвором , которые могут обеспечивать питание обесточенной системы переменного тока.
Почти все преобразователи, используемые для HVDC, по своей природе способны работать с преобразованием мощности в любом направлении. Преобразование мощности из переменного тока в постоянный называется выпрямлением , а преобразование из постоянного тока в переменный — 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 до 1 Гн. Сглаживающий реактор может иметь либо воздушный, либо железный сердечник. Катушки с железным сердечником выглядят как масляные трансформаторы высокого напряжения. Сглаживающие катушки с воздушным сердечником напоминают дроссельные катушки несущей частоты в линиях электропередачи высокого напряжения, но значительно больше их и поддерживаются изоляторами . Преимущество воздушных катушек заключается в том, что они создают меньше акустического шума, чем катушки с железным сердечником, они устраняют потенциальную опасность для окружающей среды, связанную с разливом масла, и не насыщаются в условиях кратковременного сильноточного повреждения . В этой части завода также будут размещены приборы для измерения постоянного тока и напряжения.
Для устранения высокочастотных помех используются специальные фильтры постоянного тока. Такие фильтры необходимы, если в линии электропередачи для связи и управления будут использоваться методы связи по линиям электропередачи 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, который выдает сигнал, не совпадающий по фазе с сигналом помех в 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 питания переменного тока, что устраняет многочисленные гармонические составляющие тока. Изоляция обмоток трансформатора должна быть специально разработана, чтобы выдерживать большой потенциал постоянного тока относительно земли. Преобразовательные трансформаторы могут быть собраны в виде единого блока мощностью до 300 мегавольт-ампер ( МВт ). Трансформаторы большей мощности перевозить нецелесообразно, поэтому, когда требуются большие мощности, несколько отдельных трансформаторов соединяют 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.
Трансформаторы преобразователя работают с ступенями мощности с высоким потоком в четырех ступенях преобразователя за цикл и поэтому производят больше акустического шума, чем обычные трехфазные силовые трансформаторы. Этот эффект следует учитывать при выборе места для преобразовательной станции HVDC. Могут быть установлены шумопоглощающие кожухи.
При использовании преобразователей с линейной коммутацией преобразовательной подстанции потребуется от 40% до 60% ее номинальной мощности в качестве реактивной мощности. Это может быть обеспечено батареями переключаемых конденсаторов или синхронными конденсаторами , или, если подходящая электростанция расположена рядом со статической инверторной установкой, генераторами на электростанции. Потребность в реактивной мощности можно снизить, если преобразовательные трансформаторы будут иметь переключатели ответвлений под нагрузкой с достаточным диапазоном отводов для управления напряжением переменного тока. Часть необходимой реактивной мощности может быть обеспечена с помощью компонентов фильтра гармоник.
Преобразователи напряжения могут генерировать или поглощать как реактивную, так и активную мощность, при этом дополнительное оборудование для реактивной мощности обычно не требуется.
Фильтры гармоник необходимы для устранения гармонических волн и производства реактивной мощности на линейных преобразовательных станциях. На станциях с шестью импульсными коммутируемыми преобразователями 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 12 импульсных преобразовательных станциях в результате получаются 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 частоты гармоник и состоят из последовательных комбинаций конденсаторов и катушек индуктивности.
Преобразователи с источником напряжения обычно производят гармоники меньшей интенсивности, чем преобразователи с сетевой коммутацией. В результате фильтры гармоник обычно имеют меньшие размеры или могут вообще отсутствовать.
Помимо фильтров гармоник, также предусмотрено оборудование для устранения побочных сигналов в диапазоне частот несущего оборудования линий электропередачи от 30 кГц до 500 кГц. Эти фильтры обычно располагаются рядом с клеммой переменного тока статического инверторного трансформатора. Они состоят из катушки, пропускающей ток нагрузки, и параллельного конденсатора, образующего резонансный контур.
В особых случаях возможно использование исключительно машин для выработки реактивной мощности. Это реализуется на терминале ВПТ Волгоград-Донбасс, расположенном на Волжской ГЭС .
Распредустройство трехфазного переменного тока преобразовательной подстанции аналогично подстанции переменного тока. Он будет содержать автоматические выключатели для защиты от сверхтоков преобразовательных трансформаторов, разъединители, заземлители и измерительные трансформаторы для управления, измерения и защиты. На станции также будут установлены грозовые разрядники для защиты оборудования переменного тока от грозовых перенапряжений в системе переменного тока.
Площадь, необходимая для преобразовательной подстанции, намного больше, чем у обычного трансформатора, например, площадка с мощностью передачи 600 мегаватт и напряжением передачи 400 кВ составляет примерно 300 х 300 метров (1000 х 1000 футов). Для установок с более низким напряжением может потребоваться несколько меньшая площадь земли, поскольку потребуется меньше воздушного пространства вокруг наружного высоковольтного оборудования.
Преобразовательные станции создают акустический шум. Преобразовательные станции могут создавать серьезные радиочастотные помехи, поэтому предусмотрите конструктивные особенности для контроля этих излучений. Стены могут обеспечивать 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.
