Использование тиристоров в системах передачи энергии Hvdc

Глобальный переход к возобновляемой энергии и необходимость надежного обмена электроэнергией на большие расстояния позиционировали передачу постоянного тока высокого напряжения (HVDC) как краеугольный камень современной электрической инфраструктуры. В основе этой технологии лежит удивительно надежное и прочное полупроводниковое устройство: тиристор. В то время как новые технологии, такие как биполярный транзистор с изолированными воротами (IGBT), получили тягу в конкретных приложениях, тиристор остается бесспорной рабочей лошадкой для передачи сыпучих мощностей, обработки напряжений и токов, которые раздвигают границы физики твердого тела. Понимание точной функции, неотъемлемых преимуществ и эксплуатационных ограничений тиристоров в системах HVDC - это не просто академическое упражнение; это необходимые знания для инженеров, разработчиков проектов и лиц, принимающих решения, формирующих будущее глобальной сети.

Основы передачи HVDC

Перед тем, как исследовать сам тиристор, важно понять систему, которую он обеспечивает. Трансмиссия HVDC предлагает различные технические и экономические преимущества по сравнению с обычными системами переменного тока высокого напряжения (HVAC) для конкретных применений. В отличие от AC, передача постоянного тока не страдает от реактивных потерь мощности, эффекта кожи или необходимости строгой синхронизации между взаимосвязанными сетями. Это делает HVDC единственной жизнеспособной технологией для пересечений подводных кабелей длиной более 50 километров и расстояниями надземной линии, превышающими 600 километров.

Почему стоит выбрать HVDC вместо HVAC?

Решение о развертывании HVDC над HVAC обусловлено четкой инженерной экономикой. Для передачи большой мощности на большие расстояния более низкие потери линии постоянного тока на километр компенсируют более высокую начальную стоимость преобразователей. Кроме того, линии HVDC по своей сути обеспечивают межсетевой интерфейс между асинхронными сетями переменного тока. Эта возможность имеет решающее значение для взаимосвязанных сетей, работающих на разных частотах (например, 50 Гц и 60 Гц) или для стабилизации слабой сети переменного тока от помех, исходящих от сильной соседней системы. Возможность точно контролировать поток мощности вдоль линии HVDC также предоставляет системным операторам мощный инструмент для демпфирования межзоновых колебаний и управления перегруженностью в сети переменного тока.

Анатомия системы HVDC

Классическая система HVDC состоит из трёх основных компонентов: выпрямительной станции, линии передачи или кабеля и инверторной станции. Станция выпрямителя преобразует мощность переменного тока от передающей сети в мощность постоянного тока. Затем мощность постоянного тока передается по линии. На приемном конце инверторная станция преобразует мощность постоянного тока обратно в мощность переменного тока для распределения. Критическую работу внутри как выпрямительной, так и инверторной станций выполняют клапаны преобразователя, представляющие собой сложные сборки полупроводниковых переключателей большой мощности. В линейном коммутируемом преобразователе (LCC) HVDC, который доминирует над установленной базой высокопроизводительных звеньев, эти переключатели являются исключительно тиристорами.

Thyristors: Semiconductor Power Switch (недоступная ссылка)

Тиристор представляет собой четырехслойное трехконтактное полупроводниковое устройство (структура PNPN) с внешним затворным терминалом. Он часто описывается как защелкивающий переключатель . В своей наиболее распространенной форме в HVDC, Phase Controlled Thyristor (PCT), устройство может блокировать напряжение в обоих направлениях, когда в выключенном состоянии. Когда положительное напряжение подается от анода к катоду и короткий импульс тока вводится в затвор, устройство переходит в состояние на включенном, становясь полностью проводящим.
После защелкивания затвор теряет управление, и тиристор остается в проводящем состоянии, пока передний ток не упадет ниже определенного порогового уровня, известного как удерживающий ток. В приложениях HVDC этот процесс выключения обычно вынуждается естественным разворотом напряжения в системе переменного тока, процесс, называемый естественной коммутацией.

Физика Тиристорской Валвы

Индивидуальный тиристор имеет определенный предел блокировки напряжения, обычно в диапазоне от 5 до 8 кВ. Для обработки чрезвычайно высоких напряжений системы передачи - часто от 200 кВ до 800 кВ, с некоторыми системами сверхвысокого напряжения (UHVDC), превышающими 1100 кВ - сотни отдельных тиристоров должны быть соединены последовательно. Эта сборка известна как тиристорный клапан .

Проектирование тиристорного клапана представляет огромные инженерные проблемы. Серийный стек должен обеспечивать одновременное и равное распределение напряжения на каждом устройстве во время выключения. Это требует сложных схем снуббера (сети резистора-конденсатора) и высокоточных приводных блоков затвора, которые запускают все тиристоры в стек с точностью до микросекунды. Вся конструкция клапана подвешена внутри большого зала, изолирована от земли и охлаждена циркулирующей деионизированной водой для управления огромным теплом, генерируемым потерями проводимости и переключения.

Защелкивание и процесс коммутации

Защелкивающее поведение тиристора является определяющей особенностью LCC-HVDC. После того, как спусковой крючок затвора применяется, устройство включается и проводит оставшуюся часть полуцикла. Ток в линии переменного тока естественным образом проходит через ноль, в этой точке тиристор выключается. В инверторной станции время спускового крючка затвора должно быть расширено до пересечения нулевого напряжения, чтобы обеспечить достаточный запас смещения. Этот запас необходим для обеспечения того, чтобы выходной клапан полностью выключился и может снова блокировать прямое напряжение до того, как будет запущен следующий клапан в последовательности. Если этот запас эрозирован - например, из-за падения напряжения переменного тока - может произойти отказ коммутации, который является наиболее распространенным рабочим нарушением в системах LCC-HVDC.

Основные функции на станциях преобразователей

Тиристорные клапаны расположены в трёхфазных мостовых конфигурациях, чаще всего 12-импульсный мост. В этой компоновке используются два 6-импульсных моста, соединенных последовательно или параллельно на стороне постоянного тока, причём один мост питается с помощью свай-вэй трансформатора, а другой — с помощью свай-дельта трансформатора. Это создаёт 30-градусный фазовый сдвиг между двумя мостами, эффективно отменяя 5-й и 7-й гармонические токи, генерируемые процессом преобразования, и упрощая требования к фильтрации переменного тока.

Обсуждение AC to DC Conversion

В выпрямительной станции тиристорные клапаны ведут себя как управляемые переключатели. Регулируя угол стрельбы (задержка между точкой, в которой клапан начинает блокировать прямое напряжение, и точкой, в которой приложен импульс затвора), оператор может управлять средним выходным напряжением постоянного тока. При нормальной работе выпрямителя угол стрельбы обычно составляет от 10 до 20 градусов. Выход напряжения постоянного тока пропорционален косинусу угла стрельбы, обеспечивая линейное и управляемое соотношение. Это управление позволяет мягко начинать линию постоянного тока и непрерывную регулировку передаваемой мощности.

Обсуждение DC to AC Conversion

В инверторной станции процесс разворачивается. Угол стрельбы выдвигается таким образом, что клапан включается перед пересечением нулевого напряжения (то есть угол стрельбы больше 90 градусов, обычно от 140 до 150 градусов). Для этого требуется источник напряжения постоянного тока выше напряжения системы переменного тока для приведения в действие потока тока против противоэмиссионного напряжения системы переменного тока. Инверторные органы управления регулируют угол вымирания (или угол маржи) для поддержания стабильной работы. Угол маржи - это время между концом проводимости и следующим пересечением нулевого напряжения; поддержание этого края имеет решающее значение для предотвращения коммутационных сбоев.

LCC vs. VSC: Thyristors vs. IGBTs (недоступная ссылка)

В технологии HVDC существует фундаментальное разделение между системами LCC с использованием тиристоров и системами преобразователя напряжения (VSC) с использованием IGBT. Каждая технология имеет различные характеристики, которые делают ее пригодной для различных применений.

Когда использовать технологию LCC-HVDC

LCC-HVDC - это технология выбора для очень высокой мощности (часто до 6400 МВт для одного биполярного соединения) и очень высокого напряжения (до 1100 кВ). Его преимущества включают в себя самые низкие потери проводимости любой полупроводниковой технологии (около 0,7% передаваемой мощности на преобразовательную станцию), проверенную надежность в течение десятилетий работы и способность обрабатывать массовые перегрузки переходным способом. LCC-HVDC является основой для передачи наземных данных на большие расстояния, межконтинентальных подводных соединений и связей между соединениями для крупных сетей переменного тока. Известные примеры включают в себя соединение Рио-Мадейра в Бразилии и соединение Сянджиаба-Шанхай в Китае.

Однако у LCC есть ограничения. Для обеспечения коммутирующего напряжения и поглощения реактивной мощности требуется относительно сильная сетка переменного тока на обоих концах. Так как тиристор не может отключить ток затвора (он только включается), преобразователь LC C потребляет реактивную мощность, требуя больших и дорогих банков фильтров переменного тока и банков конденсаторов шунтирования. Системы LCC также уязвимы для коммутационных сбоев при сбоях сети переменного тока.

Возникновение VSC и гибридных систем будущего

VSC-HVDC использует IGBT, которые могут включаться и выключаться по желанию. Это обеспечивает значительную операционную гибкость: VSC может самостоятельно управлять активной и реактивной мощностью, он может запускать мертвую сеть переменного тока, и он не требует сильной поддержки сети переменного тока. VSC доминирует в морских соединениях ветряных электростанций, где пространство ограничено, и способность черного запуска необходима.
Несмотря на рост VSC, тиристор остается незаменимым для самых высоких уровней мощности. Следующий рубеж — разработка гибридных систем, которые сочетают в себе способность LCC с низкой потерей, высокой мощностью с управляемостью VSC. В этих системах клапаны LCC обрабатывают поток сыпучих мощностей, в то время как меньший компонент VSC обеспечивает поддержку реактивной мощности и способность черного запуска, смягчая слабые стороны чистого LCC без ущерба для полного решения VSC.

Оперативные преимущества Thyristor-Based HVDC

Для приложений, где это уместно, LCC-HVDC на основе тиристора предлагает неоспоримые преимущества, которые обеспечивают его постоянное доминирование в передаче высокой мощности.

Управление мощностью и эффективность

Тиристор является полупроводниковым устройством с самой высокой мощностью. Линии LCC-HVDC могут эффективно передавать 8000 МВт или более по одной биполярной линии с потерями ниже, чем обычная передача переменного тока на большие расстояния. Мощность тиристоров необходима для глобальных концепций Supergrid, которые направлены на транспортировку возобновляемой энергии из удаленных солнечных и ветровых ресурсов в отдаленные центры нагрузки.

Доказанная надежность и долговечность

Технология LCC-HVDC имеет послужной список, охватывающий более пяти десятилетий. Преобразовательные станции продемонстрировали уровень доступности, превышающий 99% для высоко используемых соединений. Сами тиристорные клапаны очень долговечны, с надлежащими системами охлаждения, позволяющими срок службы более 30 лет. Этот длительный срок службы обеспечивает финансовую предсказуемость для проектных финансистов, что делает LCC-HVDC вариантом с низким риском для крупных инвестиций в инфраструктуру.

Экономическая жизнеспособность на больших расстояниях

В то время как преобразовательные станции дороги, стоимость самой линии передачи постоянного тока ниже, чем эквивалентная линия переменного тока (поскольку только два проводника необходимы для биполярной линии, и никакая реактивная компенсация не требуется вдоль маршрута). Для воздушных линий более 600 км общая стоимость (линия плюс преобразовательные станции) ниже для HVDC. Для подводных кабелей расстояние безубыточности обычно составляет около 50 км.

Оперативные вызовы и стратегии смягчения

Инженеры, работающие с LCC-HVDC, должны решить несколько хорошо понятных технических проблем для обеспечения стабильной и надежной работы системы.

Неудачи коммутации

Наиболее распространенным нарушением в системах LCC-HVDC является коммутационный сбой. Это происходит, когда инвертор не успешно передает ток от одного клапана к следующему. Он обычно вызывается падением напряжения, сдвигом фазового угла или гармоническим искажением на шине переменного тока. Коммутационный сбой приводит к короткому замыканию стороны постоянного тока, в результате чего ток постоянного тока нарастает, а напряжение постоянного тока разрушается в течение нескольких миллисекунд. В то время как современная система управления обычно может восстанавливаться после коммутационного сбоя в циклах, повторные сбои могут напрягать клапаны и нарушать подключенную систему переменного тока. Стратегии смягчения включают надежную поддержку системы переменного тока, быстрые реакции системы управления и поддержание адекватного угла маржи.

Реактивный спрос на электроэнергию и гармоническая фильтрация

Преобразователи LCC потребляют реактивную мощность, обычно около 50-60% передаваемой активной мощности. Эта реактивная мощность должна подаваться подключенной системой переменного тока или на месте конденсаторов. Переключение действия тиристоров также генерирует характерные гармоники. 12-импульсный мост генерирует 12к +/- 1 гармоники на стороне переменного тока и 12к гармоники на стороне постоянного тока. Эти гармоники должны быть удалены крупными пассивными фильтрами банков, чтобы предотвратить их вход в систему переменного тока и вызвать перегрев или помехи. Пространство и стоимость этих фильтров являются значительной частью бюджета преобразователя станции.

Термический менеджмент

Высокие уровни тока в клапанах LCC генерируют значительное тепло в кремниевых пластинах. Тиристоры отрицательно чувствительны к температуре; если температура перехода превышает предельные значения конструкции, устройство может катастрофически выйти из строя. Система охлаждения, следовательно, является критической подсистемой. Деионизированные системы водяного охлаждения циркулируют воду непосредственно мимо теплоотводов, прикрепленных к каждому тиристору, удаляя тепло на внешние теплообменники. Процесс деионизации удаляет ионы из воды для предотвращения электропроводности и электрокоррозии охлаждающих труб.

Будущий ландшафт: Тиристоры в энергетическом переходе

В отличие от устаревших технологий, тиристор постоянно развивается, чтобы удовлетворить потребности сети 21-го века.

Передовые технологии Thyristor

Новые варианты, такие как интегрированный затвор-коммутированный Thyristor (IGCT) и Emitter Turn-Off Thyristor (ETO), размывают линию между тиристорами и IGBT. Эти устройства сохраняют низкие потери проводимости и высокую обработку тока тиристора, но получают возможность отключать ток затвора, аналогично IGBT. Это позволяет использовать их в приложениях VSC, предлагая превосходную обработку тока и более низкие потери. IGCT уже находит приложения в накопителях среднего напряжения и оценивается для проектов VSC-HVDC следующего поколения, где плотность и эффективность мощности имеют первостепенное значение.

Роль в суперсетях и возобновляемых источниках энергии

Глобальная энергетическая трансформация требует строительства суперсетей континентального масштаба, чтобы сбалансировать изменчивость ветровой и солнечной энергии. Эти суперсетки потребуют междугородных высокопроизводительных линий передачи для транспортировки энергии от морского ветра в Северном море до гидроэнергетики в Скандинавии или от солнечных ферм в Северной Африке до центров загрузки в Европе. Наиболее экономически эффективным способом строительства ядра этих суперсетей является использование высоковольтных тиристорных клапанов LCC-HVDC.

Кроме того, LCC-HVDC идеально подходит для подключения крупных удаленных возобновляемых ресурсов, таких как гидроэлектростанции или концентрированные солнечные электростанции, где мощность предсказуема и генерируется вдали от центров нагрузки. В этих приложениях высокая эффективность и надежность тиристорных преобразователей напрямую приводят к снижению затрат на электроэнергию.

Заключение

Тиристор был технологией передачи энергии HVDC в течение более пятидесяти лет, и его правление далеко не закончено. В то время как VSC-технология на основе IGBT открыла новые приложения для HVDC, особенно в оффшорных ветровых и многоконцевых сетях, тиристор остается единственным устройством, способным обрабатывать самые высокие уровни мощности с самыми низкими потерями. Его проверенная надежность, экономическая эффективность и непрерывная технологическая эволюция гарантируют, что тиристор останется важным компонентом глобальной сети на десятилетия вперед. Поскольку мир вкладывает значительные средства в инфраструктуру передачи, необходимую для декарбонизированной энергетической системы, скромный тиристор будет бесшумной рабочей лошадкой, делающей это все возможным.