Преобразователи, блокирующие короткие замыкания в сетях постоянного тока

Преобразователи, блокирующие короткие замыкания в сетях постоянного тока

На сегодняшний день все преобразователи, питающиеся от источника напряжения (VSC), применяемые в сетях постоянного тока высокого напряжения (HVDC), не могут предотвращать короткие замыкания со стороны постоянного тока.

Для большинства ситуаций, где использовались подобные преобразователи (например, двухточечные соединения с использованием только кабелей постоянного тока), это ограничение не является слишком строгим. Этот минус легко компенсируется достоинствами технологии VSC. Однако, когда рано или поздно, появятся сети постоянного тока с большим числом терминалов, или покрывающие континент, эти ограничения больше не будут приемлемыми, так как короткое замыкание в одной линии или кабеле выведет из строя всю сеть. В таких ситуациях сеть нуждается в использовании либо выключателей постоянного тока, либо преобразователей VCS особого типа, способных погасить напряжение, вызванное коротким замыканием в сети постоянного тока.

К самым распространенным видам современных VSC для сетей постоянного тока высокого напряжения (HVDC), относится «полумостовой» вариант модульного многоуровневого преобразователя (HB-MMC). В нем преобразователь состоит из множества одинаковых подмодулей, каждый из которых содержит конденсатор большой емкости и два полупроводниковых выключателя (БТИЗ). Поскольку HB-MMC не могут устранить ток, возникающий при коротких замыканиях на стороне DC, то традиционным способом ликвидации таких коротких замыканий сейчас является применение выключателей переменного тока, соединяющих преобразователь с сетью переменного тока. Однако с позиции силовой электроники такое решение считается медленным — оно требует 60-100 мс. Выключатели постоянного тока должны работать гораздо быстрее. Стабильную нишу в технологии таких выключателей постоянного тока заняла компания Alstom, и базирующиеся на данной технологии решения должны стать коммерчески доступными уже скоро.

Другим вариантом могла бы стать модификация самого преобразователя, чтобы потребность в выключателе постоянного тока отпала окончательно. Именно это и делает «полномостовой» вариант модульного многоуровневого преобразователя (FB-MMC).

Являющийся на сегодняшний день жизнеспособным временным вариантом, при использовании в многотерминальной сети DC преобразователя VSC, подмодуль FB-MMC может, фактически, использоваться не только для сетей HVDC, но и в усовершенствованном компенсаторе STATCOM компании Alstom. Но FB-MMC не относятся к оптимальным типам блокировки коротких замыканий в преобразователях VSC, ведь их цена и потери энергии значительно выше, чем у HB-MMC.

Для ликвидации этого недостатка Alstom разрабатывает модернизированный преобразователь с блокировкой короткого замыкания, получивший название Alternate Arm Converter (AAC).

Преобразователи, блокирующие короткие замыкания, такие как FB-MMC или AAC, могли бы стать отличным решением для относительно маленьких сетей постоянного тока с тремя или четырьмя терминалами. Они также подходят для двухточечных соединений с применением воздушных линий, в которых могут часто возникать короткие замыкания из-за попаданий молнии. Восстановление постоянного тока в таких цепях будет требовать, чтобы все преобразователи, поставляющие постоянный ток, блокировались на недолгое время.

После этого преобразователи можно опять разблокировать для проверки того, остается ли ток короткого замыкания. Если замыкание уже исчезло, то сеть может быть запущена в эксплуатацию. Однако если замыкание продолжается (обычно это вызвано отказом кабеля), то вся сеть будет оставаться обесточенной до тех пор, пока обслуживающий персонал не ликвидирует неисправность кабеля — что может занять несколько недель. Но, если сеть постоянного тока покрывает значительную площадь или обладает большим количеством терминалов, она становится критическим элементом всей системы передачи энергии, и, в качестве таковой, не может быть выведена из строя на долгое время. Поэтому возникает нужда в дополнительных средствах оперативного изолирования вышедшей из строя секции сети, чтобы другие, действующие части сети DC могли возобновить работу.

Для этого не нужен выключатель постоянного тока, ведь преобразователь уже прервал ток короткого замыкания. Требуется лишь «быстрый разъединитель», способный быстро изолировать отказавший участок.

Стандартным разъединителям для размыкания цепи требуется несколько секунд, и во многих случаях это может быть неприемлемым. Однако известно два способа повышения скорости.

Во-первых, в качестве разъединителя может подойти стандартный выключатель переменного тока. Время его срабатывания составляет 60-100 мс. Второй способ, который можно назвать сверхбыстрым разъединителем, состоит в использовании механического выключателя, входящего в состав полного выключателя цепи постоянного тока.

Несмотря на то, что второй способ может быть затратнее первого, его скорость намного выше (требует менее 5 мс), а цена значительно дешевле, чем у полноценного выключателя переменного тока.

Выбор между этими двумя способами будет зависеть от того, насколько строгим является требование к снижению времени простоя сети постоянного тока. К примеру, сеть постоянного тока обслуживает густонаселенный городской район, и применяет главным образом подземные кабели. Здесь скорость, скорее всего, играет наиболее важную роль. С другой стороны сеть постоянного тока может применяться для передачи электроэнергии на значительные расстояния с помощью воздушных линий, где скорость может быть менее критичной.

Управление размыканием таких быстрых разъединителей требует достаточно сложных алгоритмов.

Общей характеристикой всех замыканий и всех типов оборудования HVDC является то, что в устойчивом состоянии сумма токов на концах кабеля должна быть нулевой. Это вызвано тем, что к кабелю не подключена никакая нагрузка, и ток, который идет в кабель с одного его конца, должен выйти через другой конец. При коротком замыкании внутри сбойной ветви возникают дополнительные пути для прохождения тока, а значит, сумма токов в кабеле становится не равной нулю — по сути, она всегда положительна. С другой стороны, в неповрежденной ветви, в которой есть только две точки (концы кабеля), через которые может поступать и уходить ток, сумма токов в кабеле остается равной нулю.

Однако, поскольку длина линий электропередачи, обычно варьируется от десятков до сотен километров, распространение задержки по кабелю может занять несколько миллисекунд, и на переходной период, в рабочих частях кабеля сумма токов может стать негативной. В связи с этим возможно выявить, где находится короткое замыкание внутри кабеля, анализируя знак мгновенной суммы токов кабеля. Если это минус, то короткое замыкание отсутствует в данной ветви. Если же это плюс, то в данном участке кабеля имеется короткое замыкание.

Такой способ поиска уже был проверен в реальной сети переменного тока высокого напряжения с четырьмя терминалами и сетчатой структурой. Такая сеть представляет одну из наиболее сложных топологий с точки зрения защиты в связи с существованием нескольких путей, по которым может следовать ток короткого замыкания.

Преобразователь с альтернативным плечом (AAC)

Что привело к разработке AAC?

В отличие от модульного многоуровневого преобразователя типа полумост (HB-MMC), способного получать напряжение постоянного тока только одной полярности, MMC с полным мостом может создавать как положительное, так и отрицательное напряжение постоянного тока. Эта способность получать как то, так и другое напряжение лежит в основе его способности гасить постоянный ток короткого замыкания. Но FB-MMC может генерировать гораздо большее негативное напряжение постоянного тока, чем, по сути, требуется для ликвидации неполадки. Именно поэтому и была разработана новая концепция, ААС, направленная на предоставление более оптимальной возможности устранения неисправностей с применением меньшего числа подмодулей.

Как работает AAC?

В MMC, каждый из шести «вентилей» должен обладать достаточным числом подмодулей, чтобы автономно обеспечить требуемое напряжение постоянного тока. Но в течение большей части времени эта полная возможность не нужна. AAC позволяет предотвратить эту ситуацию, имея отдельный «главный выключатель», подключенный последовательно с подмодулями. Он состоит из нескольких последовательно соединенных БТИЗ, что позволяет почти вдвое снизить число подмодулей. В результате потери энергии серьезно снижаются по сравнению с традиционным преобразователем FB-MMC, и приближаются к тем, которые достигаются в HB-MMC — но при этом добавляется возможность ликвидации постоянного тока короткого замыкания.

Есть ли другие плюсы?

Еще одно преимущество состоит в том, что все БТИЗ в главном выключателе гораздо менее массивны, чем подмодули, которые ими замещаются (в состав подмодулей входят большие конденсаторы). Поэтому, за счет снижения числа подмодулей можно уменьшить занимаемое пространство. Более того, главные выключатели могут быть спроектированы так, что при нормальной работе они включаются и выключаются, когда и напряжение и ток равны нулю (так называемое, «мягкое выключение»). В результате главный выключатель не несет потерь при выключении, а проблемы с одновременной правильной поочередной работой большого количества БТИЗ, намного облегчаются.

Рубрики2

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


*