KDI Kristina Baranasic

Please download to get full document.

View again

All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
 0
 
  ee
Share
Transcript
  Visokonaponski istosmjerni prijenos elektriĉne energije Kristina Baranašić, Fakultet elektrotehnike i raĉunarstva,   Unska 3,10 000 Zagreb kristina.baranasic@fer.hr  Sažetak   —   U radu je opisan visokonaponski istosmjerni prijenosni sustav (HVDC). Navedene su neke od prednosti i mana takvog sustava u odnosu na visokonaponski izmjenični prijenos električne energije  (HVAC). Opisani su glavni dijelovi HVDC-a, s naglaskom na pretvarače i pretvaračke stanice.  Spomenute su dvije vrste pretvarača koji se koriste kod H VDC-a te njihove najva ž nije karakteristike. Navedene su moguće  konfiguracije spajanja visokonaponske istosmjerne prijenosne mreže.  Naglasak rada je na stabilnosti te je ukratko opisana naponska stabilnost. Navedene su neke metode za određivanje na ponske stabilnosti u HVDC mrežama  spojenim na HVAC. Na kraju je ukratko opisan mogući budući razvoj HVDC sustava za područje Europe.    Ključne riječi   —   visokonaponski istosmjerni prijenosni sustav (HVDC), visokonaponski izmjenični prijenosni sustav  (HVAC), LCC pretvarači, VSC pretvarači, naponska stabilnost   I.   UVOD   Dinamiĉan napredak izmjeniĉnog prijenosa polako  postiţe maksimum, a po trebe za sigurnijim i efikasnijom opskrbom energije rastu. Istosmjerni prijenos (HVDC) se nametnuo kao rješenje za pruţanje potpore postojećem izmjeniĉnom sustavu. Problem udaljenosti proizvodnje i  potrošnje te njihova koncentriranost na udaljenijim ili ne  pristupaĉnim lokacijama je doprin ijela razvoju HVDC- a.Time se postavljaju novi zahtjevi za rad postojećeg sustava i  potrebno je istraţiti meĊusobni rad ta dva sustava. Ovdje je opisan istosmjerni prijenos te problemi koji se pojavljuju  prilikom spajanja n a izmjeniĉni, uz naglasak na naponsku stabilnost cijelog sustava. . II.   RAZVOJ VISOKONAPONSKOG ISTOSMJERNOG PRIJENOSA   Prijenos elektriĉne energije je zapoĉeo istosmjernom strujom. Izumom asinkronog stroja, transformatora i višefaznih sustava na znaĉaju je dobio izmjeniĉni pri  jenos te  je na neko vrijeme potisnuo istosmjerni prijenos iz upotrebe. izumom upravljivog ţivinog ispravljaĉa 30 - ih godina prošlog stoljeća u Švedskoj poĉinje razvoj istosmjernog prijenosa kakvog danas poznajemo. Prvi komercijalni istosmjerni  prijenos elek  triĉne energije je izgraĊen 1954. godine u Gotlandu.[1] Razvoj istosmjernog prijenosa se odvija paralelno s razvojem uĉinke elektronike jer je ona najznaĉajniji faktor u istosmjernom prijenosu. Kao što je spomenuto, upravljivi ţivin ispravljaĉ je potaknuo razvoj, no još većem napretku istosmjernog prijenosa je doprinio izum tiristora.  Prednosti i nedostaci Prednosti istosmjernog prijenosa su [2-5]:     jednostavnija konstrukcija (jedan ili dva vodiĉa, smanjene dimenzije stupova),    mogućnost upravljanja smjer  om prijenosa energije,     povezivanje izmjeniĉnih sustava razliĉitih frekvencija,     prijenos velike koliĉine energija preko velikih udaljenosti,    manji gubici prijenosa,    isplativiji prijenos energije podmorskim kabelom (> 50 km),    mogućnost napajanja potrošaĉa di rektno iz  proizvodnje,    manji utjecaj na okoliš i ĉovjeka.   Nedostaci istosmjernog prijenosa [2-5]:    neisplativost na udaljenostima manjim od 450 km,     pretvaraĉi za rad trebaju puno radne snage iz AC sustava,     pojava harmonika u izmjeniĉnoj mreţi zbog rada  pre tvaraĉa (tiristora),      sloţenost implementacije više terminalnih sustava. III.   DIJELOVI ISTOSMJERNOG PRIJENOSNOG SUSTAVA   Sustav istosmjernog prijenosa se sastoji od ĉetiri glavna dijela, a to su: dvije pretvaraĉke stanice prijenosni vod ili kabel i sustav uzeml  jenja. Pretvaraĉke stanice imaju funkciju pretvaraĉa i ispravljaĉa kako bi bio moguć prijenos u oba smjera. One su „vitalni“ dio sustava te su zato najvaţnije kad promatramo istosmjerni prijenosni sustav.    Pretvaračke stanice   Pretvaraĉke stanice se sastoje od: pretvaraĉa, transformatora, izmjeniĉnog prekidaĉa,   izmjeniĉnih i istosmjernih filtera, kompenzatora jalove snage, rastavljaĉa na istosmjernoj strani, prigušnica za smanjenje valovitosti i upravljaĉka struktura.[2] Pretvaraĉi utjeĉu na mreţu, kao što  i mreţa utjeĉe na njih te je zato potrebna ugradnja dodatnih elemenata. Pojava harmonika je mana svakog ureĊaja energetske elektronike pa tako i pretvaraĉa. Gledano s izmjeniĉne strane,  pretvaraĉ se ponaša kao izvor strujnih harmonika. Dok se s  istosmjer  ne strane ponaša kao izvor naponskih harmonika. Zbog toga je potrebno ograniĉiti strujne harmonike jer oni stvaraju povećane gubitke u komponentama EES -a, izobliĉenje napona, zagrijavanje, itd. [6]   Filteri na izmjeniĉnoj strani imaju dvije glavne funkcije: kompenzirati dio ili svu jalovu snagu koju uzimaju  pretvaraĉi iz mreţe i smanjiti izobliĉenje napona na dopuštene granice. Pretvaraĉ daje harmonike reda  +1  na izmjeniĉnoj strani i   reda na istosmjernoj strani, gdje je  p   broj impulsa, a N ɛ   Ƶ. [2] Za izmjeniĉnu stranu su to 11.,13.,23.,25., a za istosmjernu stranu 12. i 24. harmonik. Za  prigušenje haromika u mreţi se koriste LC filteri koji ujedno i  poboljšavaju faktor snage.   MeĊutim, njihov je nedostatak mogućnos t pojave serijske i paralelne rezonancije. U novije vri  jeme se koristi PWM metoda tj. metoda modulacije širine impulsa za prigušenje harmonika. Ideja ove metode je  premještanje harmonika na frekvencije koje su dovoljno visoke kako bi bilo moguće filtriranje i s manjim komponentama.[7] Zbog toga je dovoljno ugraditi samo filtere viših harmonika.    Na istosmjernoj strani postoje rastavljaĉi kako bi bilo moguće izostaviti iz pogona vodiĉ koji je u kvaru ili da se okrene polaritet zbog izmjene smjera prijenosa snage. Oni su  postavljeni jer je kons trukcija istosmjernog prekidaĉa sloţena i teško  je  postići da struja padne na vrijednost nule. Tek je  poĉetkom 2012.g. ABB predstavio istosmjerni prekidaĉ koji za 5ms iskljuĉuje snagu od 1 GW.[8]   Postoje dvije glavne podjele pretvaraĉ prema tehnologiju koju koriste, a to su mreţom voĊeni prevaraĉ i tj. LCC (eng. line commutat ed convertor) i pretvaraĉ i s naponskim meĊukrugom tj. VSC (eng.  voltage source convertor).  LCC pretvarač  i Klasiĉni visokonaponski  istosmjernog prijenosa se zasniva na ovim pretvaraĉ ima. LCC je pretvaraĉ sa strujnim meĊukrugom  CSC (eng. Current source convertor). Kao  pretvaraĉi se koriste tiristori koji imaju velike kapacitete, što  je pogodno za prijenosni sustav, ekonomiĉni su i robusni. Karakteristike današnjih tiristora su naponi blokiranja do 8 kV i maksimalne stuje 4 kA. [2] Tiristor moţe voditi ne samo  s impulsem struje, nego i svjetlosnim impusom. To je dovelo do razvoja LTT-a (eng. Light Triggered Thyristor) koji prvovede kada se dovede svjetlosni impuls preko optiĉkog kabela. Prednost takvih tiristora je kratko vrijeme porasta i pada. [2] Tiristor mo ţe provesti bez upravljaĉkog impulsa, ako je izloţen nagloj promjeni napona (prenaponi). Osjetljiv je na nagli porast struje prilikom ukapĉanja (povećanje gubitaka), ima jednaki probojni napon u propusnom i reverznom smjeru što ga ĉini idealnim za primjenu u ispravljaĉima. [9]   U prevaraĉkim stanicama se tiristori spajaju u mostove te ĉine tzv. 6 -  pulsni pretvaraĉ. Oni se pak spajaju  paralelno ili serijski te u konaĉnici ĉine 12 -  pulsni pretvaraĉ kako bi se blokirali naponi veći od 100  kV koji se pojavljuju u HVDC sustavima. Paralelne veze tiristora stvaraju poteškoće u pogonu pa se koriste transformatori sa zakretom faza.   Koriste se dvonamotni transformatori u spoju Yy i Yd. Na  primar se spoji jedan 6-pulsni mosni spoj, a na sekundar, koji  je zakrenut za 30 ⁰ , se spaja drugi isti takav most. Moguća je  primjena tronamotnog transformatora, no njegove dimenzije za te snage predstavljaju problem transporta.[10] Transformatori ujedno smanjuju harmonike što donosi znaĉajne uštede na filterima. Ovakav pretvaraĉ  je zapravo induktivni teret te mu je  potrebna jalova snage. Kašnjenjem kuta paljenja kod tiristora dolazi do kašnjenja struje u odnosu na napon. Nuţna je komenzacij jalove sange reda veliĉine 50% djelatne snage, kako bi se trenutna vrijednost kompenzacije uskladila s trenutnom vrijesnošću djelatne sn age.[10] Glavni izvori jalove snage su izmjeniĉni harmonijski filteri.   VSC pretvarači   Ova vrsta pretvaraĉa koristi punoupravljivu tiristorsku tehnologiju (GTO ili IGBT), a danas se većinom upotrebljava IGBT tehnologija. Njihova je karakteristika da se mogu ukljuĉiti i iskljuĉiti u bilo kojem trenutku, za razliku od tiristora korištenih kod LCC pretvaraĉa. Prednost ovih sklopova je da neće doći do komutacijskog propada te su time  pouzdaniji. IGBT ćelije su veliĉine 1cm 2   i meĊusobno se spajaju paralelno IGBT ĉipove. IGBT ĉipovi se spajaju u module koji mogu podnijeti struju veliĉine 2.4  kA i napon  blokiranja 6.5kV. [4] Zbog mogućnosti neovisne upotrebe ili proizvodnje  jalove i radne snage, nije potrebna ugradnj a ureĊaja za kompenzaciju jalove snage, a smanjen je i broj ugraĊenih filtera. Koristi se PWM koji kontrolira rad poluvodiĉkih skolpki kako bi se generirao pribliţan sinusni val pomoću sklopa prigušnica - kondenzator na izmjeniĉnoj strani kod izmjenjivaĉa, a   obrnuto kod ispravljaĉa. [10]   Za rad ovog pretvaraĉa na izmjeniĉnoj strani je  potreban samo jedan transformator bez faznog pomaka,  prigušnica i kondenzator.   Danas postoje tri razliĉite konfiguracije VSC HVDC sustava. Prva korisiti pretvaraĉe s 2 ili 3 raz ine koji dovode PWM signal; druga koristiti pretvaraĉe s više razina, a treća je hibridna metoda pretvaraĉa s više razina. Njihove konstrukcije se razlikuju, ali je princip rada sliĉan.  VSC ima prednosti nad LCC- om kao što su : smanjeni harmonici, mogućnost   rada sa slabim AC mreţama, nije  potrebna radna snaga za rad pretvaraĉa i dobra upravljivost.  Njegova najveća prednost je brza i nezavisna regulacija jalove i radne snagom te sposobnost „black starta“. [12] Komutacija  je modulirana vlastitim generiranim signalom i oba kraja  prijenosa ne moraju biti prikljuĉena na antivnu mreţu, već  jedan kraj moţe biti pasivan. [10] Moguća je promjena toka snage bez promjene polariteta vodiĉa zbog mogućnosti kontrole snaga.  Negativne karakteristike su: viša cijena i gubic i, a naponske razine rada su manje nego kod LCC pretvaraĉa. [12] Bez obzira na negativne karakteristike, VSC  pretvaraĉ je svoju primjenu pronašao u „offshore“ vjetorelektranama. Za to je pogodan jer ima mogućnost fleksibilne kontrole aktivne i jalove ene rgije te mogućnost  ublaţavanja propada napona i oscilacija frekvencije uslijed varijacija snage vjetra . [13] Njegova upotreba je pogodna za sve obnovljive izvore te za višeterminalne mreţe.  IV.   KONFIGURACIJE VISOKONAPONSKE ISTOSMJERNE PRIJENOSNE MREŢE  Post oje ĉetiri konfiguracije istosmjernog prijenosnog sustava koje se danas koriste.  A)    Back-to-back HVDC sustavi Slika 1. Back-to-back HVDC  Na slici 1. je prikazana konfiguracija back-to-back i njena  je specifiĉnost   da su pretvaraĉke stanice izgraĊene na istom mjestu. Kod ove konfiguracije ne postoji istosmjerni  prijenosni vod, nego se zapravo radi samo pretvorba elektriĉne energije u stanicama. Ovakve stanice se koriste za spajanje izmjeniĉnih sutava razliĉitih frekvencija (50 Hz i 60 Hz).  B)    Jednopolni HVDC sustavi Slika 2. Jednopolni HVDC  Na slici 2 je prikazan jednopojni sustav te vidimo da kod njega postoji prijenosni vod. Pre tvaraĉke stanic e su  povezane istosmjernim prijenosnim vodm koji je na  potencijalu iznad ili ispod zemlje, ovisno o smjeru toka snage. Povratni vodiĉ je uzemljen i on moţe biti spojen vod om s  povratnim vodiĉem druge pretvaraĉke stanice. Ovakva konfiguracija se koristi kod podzemnih kabela. Jednopolni sustavi postoje većinom u obliku podmorskih kabelskih sustava. U većini sluĉajeva je zbog okoline u kojoj se polaţe nemoguće korištenje elektroda za uzemljenje pa se koristi  povratni vod. Taj vod se instalira be z obzira na troškove i gubitke. C)    Dvopolni HVDC sustavi Slika 3. Dvopolni HVDC Slika 3 prikazuje dvopolni HVDC sust av ĉija se kofiguracija najviše koristi u  visokonaponskim istosmjernim  prijenosnim sustavima. Ovaj sustav se sastoji od dva  paralelno spojena jednopolna HVDC sustava. Prednost ove konfiguracije je u tome da u sluĉaju kvara jednog voda, drugi nastavlja s p rijenosom. Svaki od vodova moţe raditi zasebno. Vodovi su na visokom potencijalu u odnosnu na zemlju, a suprotnog su polariteta.  D)   Više terminalni HVDC sustavi Slika 4. Višeterminalni HVDC   Multiterminalni tj. višeterminalni sustavi nastaju kada je tri i li više pretvaraĉkih stanica, geografski udaljenih,  povezano s prijenosnim vodom ili kabelom na istosmjerni  prijesnosni sustav. Pretvaraĉke stanice se mogu spajati  paralelno ili serijski. Pretvaraĉke stanice mogu biti bilo kojeg tipa, a danas se sve više u  potrebljava kombinacija VSC i LCC  pretvaraĉa. Višeterminalni naĉin spajanja omogućuje nastanak istosmjerne prijenosne mreţe na koju se spaja više razliĉitih izmjeniĉnih prijenosnih sustava. Slika 4 prikazuje takav sustav gdje se vidi spajanje tri izmjeniĉ na sustava. Pretvaraĉke stanice su fiziĉki odvojene i povezane  prijenosnim vodom ili kabelom,a pretvaraĉke stanice 1 i 2 rade kao ispravljaĉi, a stanica 3 kao pretvaraĉ.  V.    NAPONSKA STABILNOST   Oĉuvanje stabilnosti je bitno za sustav kako bi on nesmetano pruţao elektriĉnu energiju potrošaĉima. Današnji  prijenosni sustav ima problem s opterećenosti dijelova mreţe gdje je nemoguća evakuacija elektriĉne energije ili pak s ispadom pojedinih elemenata kao što su veliki potrošaĉ i ili  prijenosni vodovi. U prvom sluĉaju se radi o statiĉkom  problemu koji se rješava proraĉunom tokova snaga gdje je  vaţno zadovoljiti kriterij N - 1. U drugom sluĉaju o dinamiĉkom procesu.   Definicija stabilnosti je: „ Stabilnost je, odnose ć i se na EES, svojstvo sustava ili jednog njegova dijela koje ga ĉ ini sposobnim razviti me Ċ u svojim elementima povratne  sile ve ć e ili jednake silama poreme ć aja uspostavljaju ć i  ponovno stanje ravnoteže me Ċ u elementima“ [14].  Stabilnost se moţe promatrati kao stacionaran ili prijelazna poja va, a općenito se dijeli na kutnu, naponsku i frekvencijsku. Kutna stabilnost je sposobnost zadrţavanja sinkronizma generatora u interkonekciji. Naponska stabilnost je sposobnost sustava da nakon poremećaja ili u normalnom pogonu odrţi vrijednost napona u propisanim granicama. Frekvencijska stabilnost je sposobnost sustava da nakon poremećaja odrţi stabilnu frekvenciju. [15] Ugradnja HVDC sustava u HVAC sustav unosi  probleme u stabilnosti sustava. Razliĉitost i sloţenost HVDC sustava oteţava njegovo spajan  je na HV AC jer je teško oĉuvati naponsku stabilnost cijelog sustava. Postoji više razliĉitih pristupa za rješavanje pitanja stabilnosti HVAC/HVDC sustava: MPC metoda (eng.maximal power curve method), faktor naponske stabilnosti (VSF), metoda dekompozicije svojstvenih vrijednosti, SCR (eng.short circuit ratio) metoda , metoda dekompozicije singularne vrijednosti, itd. [16] Sve naveden metode se upotrebljavaju kako bi analizirale nelinearnu karakteristiku HVDC sustava i utjecaj tipa rada i karakteristike tereta na naponsku stabilnost HVAC/HVDC sustava.  Njihovim meĊusobnim spajanjem se broj pretvaraĉa    povećava i oni su elektriĉki neposre dno blizu jedan drugoga. Time se povećava vjerojatnost za naponsku nestablinost, a samim time je moguć naponski slom sustava    Naponsku stabilnost promatramo u statiĉkim uvj etima, iako je ona zapravo dinamiĉki problem. Povezana je s generatorom i njegovom uzbudom, karakteristikama tereta, kompenzacijij jalove snage i dinamiĉkim znaĉajkama HVDC komponenti. Dinamiĉka stabilnost se analizira sa simulacijom u vremenskoj domeni, no problem je što takva simulacija eksplicitno ne daje koja je granica stabilnosti i koji je dio sustava najviše podlijeţe nestabilnosti. S druge strane pak, statiĉka analiza daje gore navedene informacije o sustavu pa  je moguće poduzeti mjere za spreĉavan  je nestabilnosti. Statiĉka analize naponske stabilnosti se temelji na  proraĉunima tokova snaga i reduc iranoj Jakobijevoj matrici koja se koristi za proraĉun. Koristi se reducirana matrica jer je za nju lak  še postići singularnost, a time je moguć pouzdaniji    proraĉun naponske stabilnosti. Proraĉun tokova snaga s višeterminalnim, hibridnim HVDC sustavima je predloţen od više autora spom nutih u [17], ali za sluĉaj da se koristi LCC HVDC. Korištenjem VSC pretvaraĉa mijenjaju se uvjeti u mreţi te je potrebno razviti nove metode. Predloţene metode za ovaj sluĉaj su sekvencijalne metode koje nisu poopćene.  Nedostatak je što su zanemareni gubici transformatora, utjecaj  pretvaraĉa i izmjeniĉni filteri te se takvi proraĉuni ne mogu  primijeniti u stvarnom sustavu. Prilikom analize stabilnosti HVAC/HVDC sustava,  promatra se stabilnost na pretvaraĉkoj strani jer je tamo najvjerojatnija pojava nestabilnosti, a posebice ako se radi o slabom AC sustavu. Snaga AC sustava je bitna samo kod LCC HVDC-a, dok na VSC HVDC nema utjecaj jer mu nije  potrebna snaga iz sustava. Parametri koji promatramo za odreĊivanje statiĉke napo nske stablinosti su: a)   Omjer kratkog spoja (SCR) i faktor naponske  stabilnosti (VSF) Snaga AC mreţe se odreĊuje iz SCR  -a. SCR je zapravo omjer snage krat kog spoja i snage DC pretvaraĉa :    =      (1) Ako ukljuĉimo kompenzaciju jalove snage, definira se efektivni SCR (ESCR). No, kako bi se odredila jakost AC mreţe potrebna je krivulja maksimalnih snaga i kritiĉni SCR (CSCR). Faktor naponske stabilnosti (VSF) se definira kao omjer  promjene napona i injekcije jalove snage. Ako je pozitivan, sustav je stabilan, u protivnom je sustav nestabilan. Stabilnost svake sabirnice u HVAC/ HVDC sust avu se moţe odrediti  pomoću faktora naponske stabilnosti.   b)    Koeficijent osjetljivosti pretvarača (CSI)   Ukoliko promatramo istosmjernu mreţu, pretvaraĉi imaju velik utjecaj na naponsku stabilnost cijelog sustava. OdreĊuje se koeficijent osjetljivosti pretva raĉa koji je omjer inkrementalno male promjene dviju varijabli sustava koje su najvaţnije u promatranom stanju.  [17] Kod pretvaraĉa je to omjer promjene kuta komutacije i kuta upravljanja. Kada je CSI negativan, napon je nestabilan. Ako je vrijednost CSI velika, to pokazuje da mala promjena kuta upravljanja, daje veliku promjenu kuta komutacije. CSI je moguće promatrati kao omjer promjena snage i struje, ili promjena napona i kuta upravljanja. Ovo je razraĊeno u [18] te je tamo pokazano da pretvara ĉ,  uz kontrolirano stalni napon, s ispravljaĉem , uz kontroliranu stalnu struju ,je bolji naĉin kontrole za pretvaraĉa spojene na slabi AC sustav.   c)    Relativna električna udaljenost (RED)   Relativna elektriĉna udaljenost je omjer ekvivalentene impedancije tereta i ekv ivalentne elektriĉne udaljenosti. Ekvivalentna elektriĉna udaljenost (EED) je ekvivalent na impedancija gledana sa sabirnice tereta prema cijelom sustavu. Velika vrijednost EED govori da je sabrinica daleko elektriĉki udaljena od ravnoteţne sabirnice te da    je lakše da ostane nestabilna kada je neki poremećaj na njoj. HVDC sustav se promatra kao teret AC sustava u  proraĉunima naponske stabilnosti te se moţe izraĉunati RED svakog HVDC sustava. HVDC sustavi s malim RED-om mogu lakše izgubiti stabilnost. RED z apravo otkriva relativno slabu sabirnicu ili regiju cijelog sustava.
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks