HVDC dönüştürücü - HVDC converter

Bir HVDC dönüştürücü dönüştürür elektrik enerjisi ile ilgili yüksek gerilim alternatif akım için (AC) , yüksek gerilim doğru akım tersi (HVDC) ya da tersine. HVDC, elektrik enerjisini uzun mesafelerde veya farklı frekanslardaki AC güç sistemleri arasında iletmek için AC'ye alternatif olarak kullanılır. İki gigawatt'a (GW) kadar dönüştürebilen ve 900 kilo volta (kV) kadar voltaj derecesine sahip HVDC dönüştürücüler inşa edilmiştir ve daha da yüksek dereceler teknik olarak mümkündür. Tam bir dönüştürücü istasyonu , 1100 kV'a kadar toplam sistem DC voltaj değerleri elde etmek için seri ve/veya paralel olarak bu tür birkaç dönüştürücü içerebilir.

HVDC dönüştürücü için sembol

Hemen hemen tüm HVDC dönüştürücüler doğal olarak çift yönlüdür; AC'den DC'ye ( düzeltme ) veya DC'den AC'ye ( inversiyon ) dönüştürebilirler. Eksiksiz bir HVDC sistemi her zaman doğrultucu (AC'yi DC'ye dönüştüren) olarak çalışan en az bir dönüştürücü ve bir invertör olarak çalışan (DC'yi AC'ye dönüştüren ) en az bir dönüştürücü içerir. Bazı HVDC sistemleri bu iki yönlü özellikten tam olarak yararlanır (örneğin, İngiltere ve Fransa arasındaki Kanallar Arası bağlantı gibi sınır ötesi enerji ticareti için tasarlanmış olanlar ). Diğerleri, örneğin Brezilya'daki Itaipu şeması gibi uzak bir elektrik santralinden güç ihraç etmek için tasarlananlar , yalnızca tercih edilen bir yönde güç akışı için optimize edilebilir. Bu tür şemalarda, tercih edilmeyen yöndeki güç akışı, azaltılmış bir kapasiteye veya daha düşük verimliliğe sahip olabilir.

HVDC dönüştürücü türleri

HVDC dönüştürücüler birkaç farklı biçim alabilir. 1930'lara kadar inşa edilen erken HVDC sistemleri, etkili bir şekilde döner dönüştürücülerdi ve DC tarafında seri ve AC tarafında paralel olarak bağlanan motor - jeneratör setleri ile elektromekanik dönüşüm kullandılar . Ancak, 1940'lardan beri inşa edilen tüm HVDC sistemleri elektronik (statik) dönüştürücüler kullanmıştır .

HVDC için elektronik dönüştürücüler iki ana kategoriye ayrılır. Hat komütasyonlu dönüştürücüler (HVDC classic) , yalnızca açılabilen elektronik anahtarlarla yapılır . Voltaj kaynaklı dönüştürücüler , hem açılıp hem de kapatılabilen anahtarlama cihazları ile yapılır. Hat değiştirmeli dönüştürücüler (LCC) , 1970'lere kadar cıva ark valfleri veya 1970'lerden günümüze tristörler kullandı . İlk olarak 1997 yılında HVDC ortaya gerilim kaynaklı dönüştürücüler (VSC), kullanım transistörleri , genellikle yalıtılmış-kapı çift kutuplu transistor (IGBT).

2012 itibariyle, hem hat komütasyonlu hem de voltaj kaynağı teknolojileri önemlidir, esas olarak çok yüksek kapasite ve verimliliğin gerekli olduğu yerlerde kullanılan hat komütasyonlu dönüştürücüler ve esas olarak zayıf AC sistemlerini birbirine bağlamak için kullanılan voltaj kaynağı dönüştürücüler, büyük-bağlantılar için kullanılır. rüzgar gücünü şebekeye veya gelecekte Çok terminalli HVDC sistemleri haline gelmesi muhtemel olan HVDC ara bağlantıları için ölçeklendirin . Gerilim kaynağı dönüştürücü HVDC pazarı, kısmen açık deniz rüzgar enerjisine yapılan yatırımdaki artıştan dolayı hızla büyüyor ve belirli bir dönüştürücü türü olan Modüler Çok Düzeyli Dönüştürücü (MMC) öncü olarak ortaya çıkıyor.

Elektromekanik dönüştürücüler

1880'lerin başlarında, DC uzun mesafeli iletimin avantajları belirginleşmeye başladı ve birkaç ticari güç iletim sistemi devreye alındı. Bunların en başarılısı, René Thury tarafından icat edilen sistemi kullandı ve birkaç motor-jeneratör setinin DC tarafına seri bağlanması ilkesine dayanıyordu. En iyi bilinen örneği 200 km idi Lyon-Moutiers DC iletim şeması içinde Fransa'ya şehrine Moutiers hidroelektrik bitkiden 1936 verici gücüne 1906 ila ticari işletilen Lyon . Kimbark, bu sistemin oldukça güvenilir bir şekilde çalıştığını bildiriyor; bununla birlikte, uçtan uca toplam verimlilik (yaklaşık %70) bugünün standartlarına göre zayıftı. 1930'lardan itibaren, önemli ölçüde daha yüksek verimlilik vaadinde bulunan gazla doldurulmuş tüpler (esas olarak cıva ark valfleri ve aynı zamanda tiratronlar) kullanan statik alternatifler konusunda kapsamlı araştırmalar yapılmaya başlandı . Çok küçük mekanik döner dönüştürücüler, 1960'lara ve transistör dönemine kadar, pillerden radyo ve RADAR için gereken yüksek voltajlara bir güç dönüştürme yöntemi olarak uçak ve araçlar gibi olumsuz ortamlarda niş uygulamalar için kullanımda kaldı.

Hat komütasyonlu dönüştürücüler

Günümüzde kullanılan HVDC sistemlerinin çoğu hat değiştirmeli dönüştürücülere (LCC) dayanmaktadır. Hat komütasyonlu terimi , dönüştürme işleminin , bir anahtarlama cihazından komşusuna komütasyon gerçekleştirmek için dönüştürücünün bağlı olduğu AC sisteminin hat voltajına dayandığını belirtir . Hat komütasyonlu dönüştürücüler, kontrolsüz ( diyotlar gibi ) veya tristörler gibi yalnızca kontrol eylemiyle açılabilen (kapatılmayan) anahtarlama cihazları kullanır . HVDC dönüştürücüler prensipte diyotlardan oluşturulabilmesine rağmen, bu dönüştürücüler sadece doğrultma modunda kullanılabilir ve DC voltajının kontrol edilemezliği ciddi bir dezavantajdır. Sonuç olarak, pratikte tüm LCC HVDC sistemleri ya şebeke kontrollü cıva ark valfleri (1970'lere kadar) ya da tristörler (günümüze kadar) kullanır.

Hat komütasyonlu bir dönüştürücüde DC akımı yön değiştirmez; büyük bir endüktanstan geçer ve neredeyse sabit olarak kabul edilebilir. AC tarafında, dönüştürücü yaklaşık olarak bir akım kaynağı gibi davranır ve AC şebekesine hem şebeke frekansı hem de harmonik akımlar enjekte eder. Bu nedenle, HVDC için hat komütasyonlu bir dönüştürücü, aynı zamanda bir akım kaynağı dönüştürücüsü olarak kabul edilir . Akımın yönü değiştirilemediğinden, güç akışının yönünün (gerektiğinde) tersine çevrilmesi, her iki istasyondaki DC voltajının polaritesinin ters çevrilmesiyle sağlanır.

Hat komütasyonlu altı darbeli köprü

HVDC için temel LCC konfigürasyonu , her biri üç fazdan birini iki DC terminalinden birine bağlayan altı elektronik anahtar içeren üç fazlı Graetz köprü doğrultucu veya altı darbeli köprü kullanır . Tam bir anahtarlama elemanı, yapısından bağımsız olarak genellikle bir valf olarak adlandırılır . Normal olarak, köprüdeki iki valf herhangi bir zamanda iletkendir: biri üst sıradaki bir faza ve diğeri alt sıradaki (farklı bir fazdan). İki iletken valf, seri olarak üç AC faz geriliminden ikisini DC terminallerine bağlar. Böylece, herhangi bir andaki DC çıkış gerilimi, iki AC faz geriliminin seri kombinasyonu ile verilir. Örneğin, V1 ve V2 valfleri iletken ise, DC çıkış voltajı faz 1 voltajı eksi faz 3 voltajı ile verilir.

AC kaynağındaki kaçınılmaz (ancak faydalı) endüktans nedeniyle, bir çift iletken valften diğerine geçiş anında gerçekleşmez. Bunun yerine, köprünün aynı sırasındaki iki valf aynı anda iletken olduğunda kısa bir örtüşme periyodu vardır. Örneğin, V1 ve V2 valfleri başlangıçta iletken ise ve ardından V3 valfi açılırsa, iletim V1'den V3'e geçer ancak kısa bir süre için bu valflerin her ikisi de aynı anda iletir. Bu süre boyunca, DC çıkış voltajı, faz 1 ve 2'nin voltajlarının ortalaması eksi faz 3 voltajıyla verilir. Bir HVDC dönüştürücüdeki örtüşme açısı μ (veya u) yük akımıyla artar, ancak tipik olarak tam yükte yaklaşık 20°.

Anahtarlama elemanları olarak tristör kullanan üç fazlı tam dalga (Graetz) köprü doğrultucu devresi

Komütasyon süreci anlatıldı. Sadece 1 ve 2 numaralı vanalar iletken olduğunda, DC voltajı üç faz voltajının ikisinden oluşur. Örtüşme süresi boyunca DC gerilimi, üç faz gerilimlerinin hepsinden oluşur.

Örtüşme periyodu sırasında, çıkış DC voltajı normalde olacağından daha düşüktür ve örtüşme periyodu DC voltajda görünür bir çentik oluşturur . Bunun önemli bir etkisi, örtüşme süresi arttıkça ortalama DC çıkış voltajının azalmasıdır; dolayısıyla ortalama DC voltajı artan DC akımıyla düşer.

Alfa=20°'de ve 20° örtüşme açısıyla altı darbeli bir köprü için gerilim ve akım dalga biçimleri

Altı darbeli bir dönüştürücünün ortalama DC çıkış voltajı şu şekilde verilir:

${\displaystyle {V_{\mathrm {dc}}=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak}}}{\pi }}\cos(\alpha )}-{6fL_ {\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }}}$

Nereye:

V _LLpeak - hattan hatta giriş voltajının tepe değeri (dönüştürücü transformatörün dönüştürücü tarafında ),

α - tristörün ateşleme açısı

L _c - faz başına komütasyon endüktansı

ben _d - doğru akım

Ateşleme açısı α , bir valf üzerindeki voltajın pozitif hale geldiği noktadan (bir diyotun iletmeye başlayacağı noktadan) ve tristörlerin açılmasından itibaren zaman gecikmesini temsil eder . Yukarıdaki denklemden, ateşleme açısı arttıkça ortalama DC çıkış voltajının azaldığı açıktır. Aslında, hat değiştirmeli bir dönüştürücü ile ateşleme açısı, dönüştürücüyü kontrol etmenin tek hızlı yolunu temsil eder. Ateşleme açısı kontrolü, istenen güç aktarımı seviyesini elde etmek için HVDC sisteminin her iki ucundaki DC voltajlarını sürekli olarak düzenlemek için kullanılır.

γ=20° ve μ=20° ile inverter çalışması için valf gerilimi ve akımı

Dönüştürücünün DC çıkış voltajı, ateşleme açısı arttıkça sürekli olarak daha az pozitif hale gelir: 90°'ye kadar ateşleme açıları düzeltmeye karşılık gelir ve pozitif DC voltajları ile sonuçlanırken, 90° üzerindeki ateşleme açıları ters çevirmeye karşılık gelir ve negatif DC voltajları ile sonuçlanır. . Ancak, ateşleme açısı iki nedenden dolayı 180°'ye kadar uzatılamaz. İlk olarak, örtüşme açısı μ için ve ikinci olarak valflerin akımı ilettikten sonra pozitif gerilime dayanma yeteneklerini geri kazanmaları için gerekli olan ek bir sönme açısı γ için izin verilmelidir . Yok olma açısı γ, tristörlerin kapanma süresi t _q ile ilgilidir. Tipik bir γ değeri 15°'dir. α, γ ve μ birbiriyle ilişkilidir, bu nedenle:

${\displaystyle \gamma =180-\alpha -\mu }$ (derece olarak)

Hat Değiştirilmiş On iki darbeli köprü

Sadece her 60°'de bir faz değişikliği ile, altı darbeli düzen kullanıldığında hem DC hem de AC terminallerinde önemli harmonik bozulma üretilir. Dalga biçimlerini sinüzoidal hale getirmek için büyük filtreleme bileşenlerine ihtiyaç vardır. Altı darbeli köprü düzenlemesinin bir geliştirmesi, on iki darbeli bir köprüde 12 valf kullanır . On iki darbeli bir köprü, DC tarafında seri olarak bağlanmış ve bazı harmonik gerilim ve akımların iptal edilmesi için ilgili AC kaynakları arasında bir faz kayması ile düzenlenmiş iki altı darbeli köprüdür.

İki AC kaynağı arasındaki faz kayması genellikle 30°'dir ve iki farklı sekonder sargılı (veya valf sargılı ) dönüştürücü transformatörler kullanılarak gerçekleştirilir . Genellikle valf sargılarından biri yıldız (y) bağlantılı ve diğeri üçgen bağlantılıdır. Üç fazdan oluşan iki setin her birini iki DC rayına bağlayan on iki valf ile, her 30°'de bir faz değişimi olur ve düşük frekans harmoniklerinin seviyeleri önemli ölçüde azaltılarak filtreleme gereksinimlerini önemli ölçüde basitleştirir. Bu nedenle, on iki darbeli sistem, neredeyse tüm hat komütasyonlu dönüştürücü HVDC sistemlerinde standart hale geldi, ancak cıva ark valfleri ile inşa edilen HVDC sistemleri, iki altı darbeli gruptan birinin baypas edildiği geçici çalışma için hüküm sağlıyor.

İki 6 darbeli köprünün her birinde bir baypas valfi ve baypas anahtarı bulunan cıva ark valfleri kullanan 12 darbeli bir HVDC dönüştürücü

Tristör valfleri kullanan 12 darbeli bir HVDC dönüştürücü

Dörtlü kavramını HVDC ile açıklayın

Cıva ark valfleri

Bir 150- kilovolt , 1800 Bir cıva ark valf olarak Nelson Nehri DC İletim Sistemi içinde Manitoba , Kanada

Erken LCC sistemleri , yüksek güçlü endüstriyel redresörlerde kullanılanlardan gelişen tasarımlarla cıva ark valfleri kullandı. Bu tür valfleri HVDC'ye uygun hale getirmek için bir dizi uyarlamaya, özellikle HVDC'de yaşanan çok yüksek ters voltajlarda ark geri dönüş riskini en aza indirmek için anot voltajı derecelendirme elektrotlarının kullanılmasına ihtiyaç vardı . Bu alandaki öncü çalışmaların çoğu İsveç'te , yaygın olarak “HVDC'nin Babası” olarak kabul edilen ve adına IEEE'nin HVDC alanındaki olağanüstü katkıları için “Uno Lamm Ödülü”nü verdiği Dr Uno Lamm tarafından gerçekleştirilmiştir . Yüksek voltaj uygulamaları için gereken çok uzun anot sütunları, her bir anot tarafından güvenli bir şekilde taşınabilecek akımı sınırladı, bu nedenle HVDC için çoğu cıva ark valfi, valf başına paralel olarak birkaç (çoğunlukla dört) anot sütunu kullandı.

Genellikle, her altı darbeli köprünün her kolu yalnızca bir cıva ark valfinden oluşuyordu, ancak eski Sovyetler Birliği'nde inşa edilen iki proje , anot sütunlarının paralel bağlantısı olmadan kol başına seri olarak iki veya üç cıva ark valfi kullandı.

HVDC için cıva ark valfleri sağlamdı ancak yüksek bakım gerektiriyordu. Bu nedenle, çoğu cıva arklı HVDC sistemi, HVDC şemasının kısa bakım süreleri için altı darbe modunda çalıştırılabilmesi için her altı darbeli köprü boyunca baypas anahtarlama tertibatı ile inşa edildi.

Cıva ark valfleri 150 kV, 1800 A'ya kadar değerlere sahip olarak yapılmıştır. Kurulan son (ve en güçlü) cıva ark sistemi , valf başına paralel olarak altı anot kolonu kullanan ve Kanada'daki Nelson River DC İletim Sistemi'ydi . 1977'de tamamlandı. Son çalışan cıva ark sistemi ( Yeni Zelanda'nın Kuzey ve Güney Adaları arasındaki HVDC Adalar arası bağlantı ) 2012'de kapatıldı. Cıva ark valfleri ayrıca aşağıdaki HVDC projelerinde kullanıldı:

• Elbe Projesi içinde Berlin , Almanya
• Moskova-Kashira proje Rusya
• İsveç'teki Gotland projesinin ilk aşaması
• İngiltere ve Fransa arasındaki orijinal (160 MW) Cross Channel projesi
• Volgograd-Donbass bağlayan proje Rusya ve Ukrayna
• İsveç ve Danimarka arasındaki Konti-Skan bağlantısının ilk aşaması
• Sakuma frekans dönüştürücü Japonya
• İtalya-Korsika-Sardunya bağlantısının ilk aşaması
• Kanada'daki Vancouver Adası bağlantısının ilk aşaması
• İlk aşaması Pasifik DC Intertie gelen Oregon için Los Angeles'ta içinde ABD'de
• Kingsnorth link Londra , İngiltere
• İlk aşaması Nelson Nehri DC İletim Sistemi içinde Kanada

Tristör valfleri

Tristör vanası ilk on 1972'de HVDC sistemlerde kullanılan Eel River Dönüştürücü Station içinde Kanada . Tristör, diyota benzer katı hal yarı iletken bir cihazdır , ancak cihazı belirli bir anda açmak için kullanılan ekstra bir kontrol terminaline sahiptir. Tristörlerin her birinin arıza gerilimi sadece birkaç kilovolt olduğundan, HVDC tristör valfleri, seri bağlı çok sayıda tristör kullanılarak yapılır. Vana üzerindeki voltajın tristörler arasında eşit olarak paylaşılmasını sağlamak için derecelendirme kapasitörleri ve dirençler gibi ek pasif bileşenlerin her bir tristöre paralel olarak bağlanması gerekir. Tristör artı derecelendirme devreleri ve diğer yardımcı ekipman, tristör seviyesi olarak bilinir .

Yeni Zelanda'nın Kuzey ve Güney Adaları arasındaki HVDC Adalar Arası'nın 2. Kutbu için on iki darbeli bir tristör dönüştürücü . En alttaki kişi bir ölçek fikri veriyor.

Her bir tristör valfi, tipik olarak, her biri toprağa göre farklı (yüksek) bir potansiyelde çalışan onlarca veya yüzlerce tristör seviyesi içerecektir. Tristörleri açmak için komut bilgisi bu nedenle bir kablo bağlantısı kullanılarak gönderilemez - izole edilmesi gerekir. İzolasyon yöntemi manyetik olabilir (darbe transformatörleri kullanarak ), ancak genellikle optiktir . İki optik yöntem kullanılır: dolaylı ve doğrudan optik tetikleme. Dolaylı optik tetikleme yönteminde, düşük voltajlı kontrol elektroniği , gücünü her bir tristördeki voltajdan alan yüksek taraf kontrol elektroniğine optik fiberler boyunca ışık darbeleri gönderir . Alternatif doğrudan optik tetikleme yöntemi, ışıkla tetiklenen tristörleri (LTT'ler) değiştirmek için kontrol elektroniğinden gelen ışık darbelerini kullanmak yerine, yüksek taraf elektroniklerinin çoğundan vazgeçer, ancak valfin korunması için küçük bir izleme elektroniği birimi hala gerekli olabilir.

2012 itibariyle, tristör valfleri 100'ün üzerinde HVDC şemasında kullanılmıştı ve birçoğu hala yapım aşamasında veya planlanıyor. Çalışmakta olan herhangi bir tek HVDC dönüştürücünün (on iki darbeli köprü) en yüksek güç oranı, 2010 yılında Çin'deki ±660 kV Ningdong–Shandong şemasında 2000 MW idi . Konvansiyonel iki kutuplu yapıya sahip olan şemanın her iki ucunda bu tür iki dönüştürücü sağlanır. 2007 yılından bu yana tek bir HVDC dönüştürücü en yüksek voltaj değerleri ± 450 kV olmuştur NorNed bağlayan düzeni Norveç için Hollanda'da bir LCC HVDC şeması için alışılmadık bir düzenleme içinde her iki ucunda tek bir dönüştürücü vardır.

Gerilim kaynağı dönüştürücüler

Tristörler (ve cıva redresörleri) yalnızca kontrol eylemiyle açılabileceğinden (kapatılamayacağından) ve kapatma işlemini gerçekleştirmek için harici AC sistemine dayandığından, kontrol sistemi yalnızca bir serbestlik derecesine sahiptir - çevrimdeyken. tristörü açın. Bu, bazı durumlarda HVDC'nin kullanışlılığını sınırlar, çünkü bu, HVDC dönüştürücünün bağlı olduğu AC sisteminin, komütasyon voltajı için zamanlamayı sağlamak için her zaman senkron makineler içermesi gerektiği anlamına gelir - HVDC dönüştürücü, pasif bir sisteme güç besleyemez. Bu, halihazırda canlı olan ancak tek güç kaynağı olarak kullanılamayan bir şebekeye ek güç sağlama sorunu değildir.

Yalıtılmış kapılı bipolar transistör (IGBT) gibi diğer yarı iletken cihaz türleri ile , hem açma hem de kapatma zamanlaması kontrol edilebilir, bu da ikinci bir serbestlik derecesi verir. Sonuç olarak, IGBT'ler, operasyonda büyük bir invertöre daha yakın olan kendinden komütasyonlu dönüştürücüler yapmak için kullanılabilir . Bu tür dönüştürücülerde, DC voltajının polaritesi genellikle sabittir ve büyük bir kapasitans ile yumuşatılan DC voltajı sabit olarak kabul edilebilir. Bu nedenle, IGBT'leri kullanan bir HVDC dönüştürücü, genellikle bir voltaj kaynağı dönüştürücü (veya voltaj kaynaklı dönüştürücü ) olarak adlandırılır. Ek kontrol edilebilirlik birçok avantaj sağlar, özellikle harmonik performansı iyileştirmek için IGBT'leri çevrim başına birçok kez açıp kapatabilme yeteneği ve dönüştürücünün (kendi kendine komütasyonlu olması) artık AC'deki senkron makinelere bağlı olmaması gerçeği. çalışması için sistem. Voltaj kaynaklı bir dönüştürücü, bu nedenle, LCC HVDC ile imkansız olan, yalnızca pasif yüklerden oluşan bir AC şebekesine güç besleyebilir. Gerilim kaynağı dönüştürücüler ayrıca hat komütasyonlu dönüştürücülerden önemli ölçüde daha kompakttır (esas olarak çok daha az harmonik filtrelemeye ihtiyaç duyulduğu için) ve alanın önemli olduğu yerlerde, örneğin açık deniz platformlarında hat değiştirmeli dönüştürücülere tercih edilir.

Hat komütasyonlu HVDC dönüştürücülerin aksine, voltaj kaynağı dönüştürücüler, DC voltajının sabit bir polaritesini korur ve bunun yerine akımın yönünü tersine çevirerek güç ters çevrilmesi sağlanır. Bu, voltaj kaynağı dönüştürücülerinin Çok terminalli bir HVDC sistemine veya “DC Izgarasına” bağlanmasını çok daha kolay hale getirir .

Gerilim kaynağı dönüştürücülerine dayalı HVDC sistemleri normalde altı darbeli bağlantıyı kullanır çünkü dönüştürücü, karşılaştırılabilir bir LCC'den çok daha az harmonik bozulma üretir ve on iki darbeli bağlantı gereksizdir. Bu, dönüştürücü transformatörün yapısını basitleştirir. Bununla birlikte, voltaj kaynağı dönüştürücünün birkaç farklı konfigürasyonu vardır ve yeni alternatifler için araştırmalar devam etmektedir.

İki seviyeli dönüştürücü

Kurulan ilk VSC-HVDC şemasından ( 1997'de İsveç'te devreye alınan Hellsjön deneysel bağlantısı ) 2012'ye kadar, inşa edilen VSC HVDC sistemlerinin çoğu iki seviyeli dönüştürücüye dayanıyordu . İki seviyeli dönüştürücü, üç fazlı voltaj kaynağı dönüştürücünün en basit türüdür ve tristörlerin ters paralel diyotlu IGBT'lerle değiştirildiği ve DC yumuşatma reaktörlerinin değiştirildiği altı darbeli bir köprü olarak düşünülebilir. DC yumuşatma kapasitörleri ile . Bu tür dönüştürücüler, adlarını, her fazın AC çıkışındaki voltajın, pozitif ve negatif DC terminallerinin elektrik potansiyellerine karşılık gelen iki ayrı voltaj seviyesi arasında değiştirilmesi gerçeğinden alır. Bir fazdaki iki valfin üst tarafı açıldığında, AC çıkış terminali pozitif DC terminaline bağlanır, bu da dönüştürücünün orta nokta potansiyeline göre +½ U _d' lik bir çıkış voltajıyla sonuçlanır . Tersine, bir fazdaki alt valf açıldığında, AC çıkış terminali negatif DC terminaline bağlanır, bu da −½ U _d çıkış voltajıyla sonuçlanır . Bir faza karşılık gelen iki valf asla aynı anda açılmamalıdır, çünkü bu, DC kondansatörünün kontrolsüz bir şekilde boşalmasına neden olur ve dönüştürücü ekipmanında ciddi hasar riski oluşturur.

HVDC için üç fazlı, iki seviyeli voltaj kaynağı dönüştürücü

2 seviyeli dönüştürücünün çalışma prensibi, tek faz gösterimi (Grafikteki Voltaj: DC Bara Orta Noktasına göre çıkış voltajı)

Belirli bir sinyale karşılık gelen PWM darbe dizisini üretmenin bir yöntemi, kesişimli PWM'dir: sinyal (burada kırmızı sinüs dalgası) bir testere dişi dalga formu (mavi) ile karşılaştırılır. İkincisi öncekinden daha az olduğunda, PWM sinyali (macenta) yüksek durumdadır (1). Aksi takdirde düşük durumdadır (0).

İki seviyeli bir dönüştürücü tarafından üretilebilecek en basit (ve aynı zamanda en yüksek genlikli) dalga biçimi bir kare dalgadır ; ancak bu kabul edilemez seviyelerde harmonik bozulma üretecektir, bu nedenle dönüştürücünün harmonik bozulmasını iyileştirmek için her zaman bir tür darbe genişlik modülasyonu (PWM) kullanılır. PWM'nin bir sonucu olarak, IGBT'ler her bir şebeke çevriminde birçok kez (tipik olarak 20) ​​açılır ve kapatılır. Bu , IGBT'lerde yüksek anahtarlama kayıplarına neden olur ve genel iletim verimliliğini azaltır . HVDC için birkaç farklı PWM stratejisi mümkündür, ancak her durumda iki seviyeli dönüştürücünün verimliliği, daha yüksek anahtarlama kayıpları nedeniyle bir LCC'ninkinden önemli ölçüde daha düşüktür. Tipik bir LCC HVDC dönüştürücü istasyonu, tam yükte (uç başına, HVDC hattı veya kablosu hariç) yaklaşık %0,7 güç kaybına sahipken, 2 seviyeli voltaj kaynağı dönüştürücülerde eşdeğer rakam uç başına %2-3'tür.

İki seviyeli dönüştürücünün bir başka dezavantajı, bir HVDC şeması için gereken çok yüksek çalışma voltajlarını elde etmek için birkaç yüz IGBT'nin seri olarak bağlanması ve her bir valfte aynı anda anahtarlanması gerekmesidir. Bu, gelişmiş kapı tahrik devrelerine sahip özel IGBT türleri gerektirir ve çok yüksek düzeyde elektromanyetik parazite yol açabilir .

Üç seviyeli dönüştürücü

İki seviyeli dönüştürücünün zayıf harmonik performansını iyileştirme girişiminde, bazı HVDC sistemleri üç seviyeli dönüştürücülerle oluşturulmuştur . Üç seviyeli dönüştürücüler, her fazın AC terminalinde (sadece iki yerine) üç ayrı voltaj seviyesi sentezleyebilir: +½ U _d , 0 ve -½ U _d . Üç seviyeli dönüştürücünün yaygın bir türü, her fazın, her biri DC hat voltajının yarısında derecelendirilen dört IGBT valfi ve iki sıkıştırma diyot valfi içeren diyot kelepçeli (veya nötr nokta kelepçeli ) dönüştürücüdür. DC kondansatör, kondansatörün orta noktası ile her fazdaki çeyrek ve üç çeyrek noktaları arasına bağlanan sıkıştırma diyot valfleri ile seri bağlantılı iki kola ayrılır. Pozitif bir çıkış voltajı (+½ U _d ) elde etmek için üstteki iki IGBT valfi açılır, negatif bir çıkış voltajı (-½ U _d ) elde etmek için alttaki iki IGBT valfi açılır ve sıfır çıkış voltajı elde etmek için ortadaki iki IGBT valfi açılır. IGBT valfleri açılır. Bu son durumda, iki sıkıştırma diyot valfi, faz boyunca akım yolunu tamamlar.

HVDC için üç fazlı, üç seviyeli, diyot kelepçeli voltaj kaynağı dönüştürücü

3 seviyeli, diyot kelepçeli dönüştürücünün çalışma prensibi, tek faz gösterimi

Aktif nötr noktalı kenetlenmiş dönüştürücü olarak adlandırılan diyot kıskaçlı dönüştürücünün bir iyileştirmesinde , kenetleme diyot valfleri, ek kontrol edilebilirlik sağlayan IGBT valfleri ile değiştirilir. Böyle dönüştürücüler üzerinde kullanıldı Murraylink proje Avustralya ve Çapraz Ses Kablo bağlantısını ABD'de . Bununla birlikte, harmonik performanstaki mütevazı gelişme, artan karmaşıklık açısından önemli bir bedelle geldi ve tasarımın, bu iki projede kullanılan ±150 kV'dan daha yüksek DC voltajlarına ölçeklendirilmesinin zor olduğu kanıtlandı.

Bazı ayarlanabilir hızlı sürücülerde kullanılan, ancak HVDC'de asla kullanılmayan başka bir üç seviyeli dönüştürücü türü , sıkıştırma diyot valflerini, dörtte bir ve üç çeyrek noktalar arasına bağlanan ayrı, yalıtılmış, uçan bir kapasitör ile değiştirir. Çalışma prensibi, diyot kelepçeli dönüştürücününkine benzer. Üç seviyeli dönüştürücünün hem diyot kelepçeli hem de uçan kapasitör varyantları, daha yüksek sayıda çıkış seviyesine (örneğin, beş) genişletilebilir, ancak devrenin karmaşıklığı orantısız bir şekilde artar ve bu tür devreler HVDC uygulamaları için pratik olarak düşünülmemiştir.

Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücü (MMC)

İlk Marquardt tarafından 2003 yılında HVDC uygulamaları için önerilmiş ve ilk ticari kullanılan Trans Bay Kablo proje San Francisco , Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücü (MMC) şimdi HVDC için gerilim kaynaklı dönüştürücü en yaygın türü haline gelmektedir.

HVDC için üç fazlı Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücü (MMC).

Valf başına dört seri bağlı alt modül ile HVDC için Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücünün (MMC) çalışma prensibi. Netlik için, üçün sadece bir aşaması gösterilmektedir.

İki seviyeli dönüştürücü ve altı darbeli hat komütasyonlu dönüştürücü gibi, bir MMC, her biri bir AC terminalini bir DC terminaline bağlayan altı valften oluşur. Bununla birlikte, iki seviyeli dönüştürücünün her valfi, seri olarak bağlanmış çok sayıda IGBT'den oluşan yüksek voltaj kontrollü bir anahtar olduğunda, bir MMC'nin her valfi kendi başına ayrı bir kontrol edilebilir voltaj kaynağıdır. Her MMC valfi , her biri kendi depolama kapasitörünü içeren bir dizi bağımsız dönüştürücü alt modülünden oluşur . Devrenin en yaygın biçiminde, yarım köprü varyantında, her bir alt modül, orta nokta bağlantısı ve iki kapasitör terminalinden biri harici bağlantı olarak dışarı çıkarılan kapasitör boyunca seri olarak bağlanmış iki IGBT içerir. Her bir alt modüldeki iki IGBT'den hangisinin açık olduğuna bağlı olarak, kapasitör baypas edilir veya devreye bağlanır. Bu nedenle her bir alt modül, 0 veya U _sm (burada U _sm , alt modül kapasitör voltajıdır) gerilim üreten bağımsız bir iki seviyeli dönüştürücü olarak hareket eder . Seri bağlı uygun sayıda alt modül ile valf, sinüs dalgasına çok yakın olan ve çok düşük seviyelerde harmonik bozulma içeren kademeli bir voltaj dalga formu sentezleyebilir.

Olası iletim durumlarını gösteren MMC valfi

MMC, ana frekans çevrimi boyunca dönüştürücünün altı valfinin tamamında akımın sürekli olarak akması bakımından diğer dönüştürücü türlerinden farklıdır. Sonuç olarak, “on-state” ve “off-state” gibi kavramların MMC'de hiçbir anlamı yoktur. Doğru akım üç faza eşit olarak bölünür ve alternatif akım her fazın üst ve alt valfine eşit olarak bölünür. Bu nedenle her valfteki akım, doğru akım I _d ve alternatif akım I _ac ile aşağıdaki gibi ilişkilidir :

Üst valf: ${\displaystyle {I_{\mathrm {v} }={\frac {I_{\mathrm {d} }}{3}}+{\frac {I_{\mathrm {ac} }}{2}}}}$

Alt valf: ${\displaystyle {I_{\mathrm {v}}={\frac {I_{\mathrm {d} }}{3}}-{\frac {I_{\mathrm {ac} }}{2}}}}$

Bir HVDC uygulaması için tipik bir MMC, her valfte seri olarak bağlanmış yaklaşık 300 alt modül içerir ve bu nedenle 301 seviye dönüştürücüye eşdeğerdir. Sonuç olarak, harmonik performans mükemmeldir ve genellikle filtre gerekmez. MMC'nin bir başka avantajı, PWM'nin gerekli olmaması ve bunun sonucunda güç kayıplarının, uç başına yaklaşık %1 oranında 2 seviyeli dönüştürücününkinden çok daha düşük olmasıdır. Son olarak, IGBT'lerin doğrudan seri bağlantısı gerekli olmadığından, IGBT geçit sürücülerinin 2 seviyeli bir dönüştürücü için olanlar kadar karmaşık olması gerekmez.

MMC'nin iki temel dezavantajı vardır. İlk olarak, kontrol 2 seviyeli bir dönüştürücününkinden çok daha karmaşıktır. Alt modül kapasitörlerinin her birinin voltajlarını dengelemek önemli bir zorluktur ve merkezi kontrol ünitesi ile valf arasında önemli hesaplama gücü ve yüksek hızlı iletişim gerektirir. İkincisi, alt modül kapasitörlerinin kendileri büyük ve hacimlidir. Bir MMC, karşılaştırılabilir dereceli 2 seviyeli bir dönüştürücüden önemli ölçüde daha büyüktür, ancak bu, filtre gerektirmeyen yerden tasarruf ile dengelenebilir.

2012 yılı itibariyle operasyonda büyük kapasiteli MMC HVDC sistemi 400 MW hala Trans Bay Kablo şeması ama birçok büyük şemaları gelen bir yeraltı kablo arabağlantı da dahil olmak üzere yapım aşamasında olan Fransa'ya karşı İspanya'da bir gerilimde paralel iki 1000 MW bağlantıları oluşan ±320 kV.

Varyantlar

Bir üretici tarafından önerilen bir MMC çeşidi, alt modülü oluşturan iki anahtarın her birine seri olarak birden fazla IGBT bağlamayı içerir. Bu, geleneksel MMC düzenlemesinden daha az, daha büyük adımlarla bir çıkış voltajı dalga biçimi verir. Bu düzenleme, Kademeli İki Düzeyli (CTL) dönüştürücü olarak adlandırılır. İşlevsel olarak, biraz daha düşük olan harmonik performans dışında her açıdan geleneksel yarım köprü MMC'ye tam olarak eşdeğerdir - yine de çoğu durumda filtreleme ihtiyacını ortadan kaldıracak kadar iyi olduğu iddia edilir.

Tam köprü MMC alt modülü

Başka bir alternatif , yukarıda açıklanan yarım köprü MMC alt modülünü , iki yerine bir H köprü düzenlemesinde dört IGBT içeren bir tam köprü alt modülü ile değiştirir . MMC'nin tam köprü varyantı, alt modül kapasitörünün devreye her iki polaritede eklenmesine izin verir. Bu, konvertörün kontrolünde ek esneklik sağlar ve konvertörün pozitif ve negatif DC terminalleri arasındaki kısa devreden kaynaklanan arıza akımını bloke etmesine izin verir (önceki VSC tiplerinden herhangi birinde imkansız olan bir şey). Ayrıca, DC voltajının her iki polaritede (bir LCC HVDC şeması gibi) olmasına izin vererek hibrit LCC ve VSC HVDC sistemleri olasılığını artırır. Bununla birlikte, tam köprü düzenlemesi, eşdeğer yarım köprü düzenlemesinden iki kat daha fazla IGBT gerektirir ve daha yüksek güç kayıplarına sahiptir.

Diğer voltaj kaynağı dönüştürücü türleri

İki seviyeli ve Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücülerin özelliklerini birleştiren çeşitli başka dönüştürücü türleri önerilmiştir. Bu hibrit VSC sistemleri, daha kompakt bir tasarım ve daha fazla kontrol edilebilirlik ile MMC'nin düşük kayıpları ve yüksek harmonik performansını elde etmeyi amaçlamaktadır, ancak bu kavramlar hala araştırma aşamasındadır.

Ayrıca bakınız

• Yüksek voltajlı doğru akım
• HVDC dönüştürücü istasyonu
• HVDC projelerinin listesi
• doğrultucu
• İnvertör (elektrikli)
• Cıva ark valfi
• tristör
• Yalıtılmış kapılı bipolar transistör

Referanslar

daha fazla okuma

• Arrillaga, Jos; Yüksek Gerilim Doğru Akım İletimi, ikinci baskı, Elektrik Mühendisleri Enstitüsü, ISBN  0-85296-941-4 , 1998.
• Kimbark, EW, Doğru akım iletimi, cilt 1, Wiley Interscience, 1971.
• Cory, BJ, Adamson, C., Ainsworth, JD, Freris, LL, Funke, B., Harris, LA, Sykes, JHM, Yüksek voltajlı doğru akım dönüştürücüler ve sistemler, Macdonald & Co. (yayıncılar) Ltd, 1965.
• Williams, BW, Güç Elektroniği - aygıtlar, sürücüler ve uygulamalar, Macmillan Press, ISBN  0-333-57351-X , 1992.
• Mohan, N., Undeland, TM, Robbins, WP, Güç Elektroniği - dönüştürücüler, uygulamalar ve tasarım, John Wiley & Sons, ISBN  0-471-58408-8 , 1995.

Dış bağlantılar

• CIGRÉ B4 HVDC Planları Özeti, 2009.
• [1]