ENGINEERING AND IT
UDC 621.314.5
ВЕГЕРА Віталій Васильович
здобувач ступеня магістра факультету електроенерготехніки та автоматики
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
УКРАЇНА
Ключові слова: постійний струм; HVDC; LCC-HVDC; тиристори; VSC-HVDC; IGBT.
Вступ. Передача значної кількості потужності на великі відстані постійним струмом на високій напрузі (HVDC) в багатьох випадках стає більш ефективною за передачу на змінному струмі. Це пояснюється відсутністю втрат від реактивної потужності. Для повітряних ліній технічна та економічна ефективність у порівнянні з традиційними ЛЕП досягається за відстані від 600-1000 км, для підводних кабелів від 100 км. Варто зазначити, що в майбутньому, при збільшенні чисельності населення та технологічного виробництва, електроспоживання буде зростати, тому передача на постійному струмі може стати основним варіантом застосування для створення міжсистемних зв’язків різних країн або віддалених регіонів. Економічна ефективність, ККД, та пропускна спроможність ліній на постійному струмі дуже залежить від технологій які використовуються для перетворення традиційного змінного струму в постійний. На сьогодні в світі найбільш широко використовують дві технології конверторних станцій. Це передача на послідовно включених тиристорах – LCC (лінійно-комутована) передача, та з використанням біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT) – VSC передача (перетворювачі джерела напруги).
Мета роботи. Метою роботи є аналіз використання систем передачі постійного струму. Буде розглянуто основні принципи роботи, переваги та недоліки обраних варіантів застосувань.
Об’єкт дослідження. Передача постійним струмом.
Предмет дослідження. Порівняння різних використовуваних технологій передачі постійного струму.
LCC технологія, відома як перетворювач струму, використовує за основу властивості та функції тиристорних клапанів. Силові тиристори на перетворювальних підстанціях представляють собою кремнієві напівпровідникові прилади з чотирма шарами матеріалів з властивостями N та P переходів, які виконують роль бістабільних перемикачів, спрацьовують із затворним імпульсом і залишаються в цьому стані до наступного перетину струму через нуль. Для LCC технології значення номінального струму може досягати 6250 А, а напруга блокування 10 кВ. Таким чином дані перетворювальні підстанції мають найбільшу номінальну потужність серед всіх аналогів [1].
Найбільш масштабні проекти з передачі постійного струму на великі відстані з використанням LCC технології знаходяться в Китаї та Індії (табл. 1).
Таблиця 1. Існуючі проекти з використанням LCC технології
дані сформовано з [1]
При роботі лінійно-комутований перетворювач буде споживати значну кількість реактивної потужності, яка повинна бути компенсована конденсаторними батареями, таким чином збільшуючи площу перетворювальної підстанції. Тим не менше втрати в LCC-перетворювачах мають менші значення ніж їх аналоги (VSC). Залежно від проектів втрати потужності в обладнанні становлять близько 0,7 % від переданої потужності .
Варто зазначити що LCC-перетворювачі генерують гармоніки які спотворюють напругу, тому відповідно виникає потреба у встановленні відповідних фільтрів на підстанції що збільшує її площу. Для прикладу, тільки для фільтро-компенсуючих пристроїв знадобиться від 1600 до 5000 м2 площі землі [2].
VSC технологія, або технологія на перетворювачах джерела напруги в своїй основі використовує IGBT транзистори. Перетворювачі працюють на високій частоті з широтно-імпульсною модуляцією, що дозволяє регулювати амплітуду та фазовий кут одночасно, зберігаючи постійну напругу.
Це порівняно нова технологія, вперше встановлена в 1997 році. IGBT транзистори повністю керовані, їх можна вмикати на відміну від тиристорів LCC технології. Також є можливість регулювання активної та реактивної потужності незалежно одна від одної, що приводить до відсутності у необхідності встановлення компенсуючого обладнання. Напруга на виході змінного струму маж низький вміст гармонік тому необхідність у фільтрах зменшується.
Проте дана технологія має недоліки, найбільшим з яких є втрати потужності в установці. На перших промислових зразках втрати досягали 3% від загальної перетвореної енергії. В даний час показник втрат близько 1%, що більше ніж при використанні LCC технології [2].
Особливості LCC технології:
1) використовують напівпровідники, що можуть витримувати напругу будь-якої полярності;
2) вихідна напруга може мати будь-яку полярність для можливості зміни напрямку потужності;
3) напрямок струму не можна змінити;
4) використовують напівпровідники що змінюють свій стан на увімкнений тільки за умови контрольної дії зовні;
5) всі комутуючі дії покладаються на зовнішній контур.
Особливості VSC технології:
1) використовують напівпровідники, що можуть пропускати струм в будь-якому напрямку;
2) не передбачується зміна полярності вихідної напруги;
3) можна змінювати напрямок струму;
4) стан (увімкнений/вимкнений) задається за допомогою контрольної дії;
5) можливість вимкнення без використання зовнішніх ланцюгів [3].
Зазначимо переваги та недоліки у форматі порівняльно аналізу (табл. 2).
Таблиця 2. Переваги та недоліки LCC та VSC технологій
дані сформовано з [3]
Висновки. Силова електроніка є основним обладнанням перетворюючих підстанцій. На сьогодні у світі найбільш широко використовують дві технології - LCC та VSC передачу. Від обраного варіанту залежать не тільки параметри вибору обладнання (вимикачі, напівпровідники, фільтри) а й економічна ефективність. LCC технологія має найбільший показник значення потужності і не великі втрати, тому й надалі буде широко використовуватись у світі. Проте процес вдосконалення VSC технології може зробити її більш привабливою, особливо в епоху широкого використання відновлювальних джерел енергії встановлена потужність яких з року в рік зростає.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:
Oluwafemi E. Oni, Kamati I. Mbangula, and Innocent E. Davidson. (2016) A Review of LCC-HVDC and VSC-HVDC Technologies and Applications. Вилучено з: https://www.researchgate.net/publication/308778109_A_Review_of_LCC-HVDC_and_VSC-HVDC_ Technologies_and_Applications.
Joaquнn Rebled Lluch, Eduardo Prieto Araujo. (2017) Modelling, control and simulation of LCCHVDC systems for stability studies. Вилучено з: https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/111307/TFM_Joaquin_Rebled_Lluch_ AmbPortada.pdf?sequence=1&isAllowed=y.
Dr. Radnya A Mukhedkar. LCC & VSC - Comparison. Вилучено з: https://sari-energy.org/oldsite/PageFiles/What_We_Do/activities/HVDC_Training/Presentations/Day_7/LCC_vs_VSC_ALSTOM.pdf.
VEHERA V., Student of the Faculty of Electrical Engineering and Automatics
National Technical University of Ukraine Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
UKRAINE
Abstract. High voltage direct current (HVDC) transmission is an alternative to the use of alternating current due to the lack of reactive inductive and capacitive power components. However, HVDC requires the use of converter substations. Currently, the most widely used two technologies - LCC-HVDC and VSC-HVDC. The general characteristics and features of these technologies are given. The comparison of DC transmission systems is performed. The advantages and disadvantages are analyzed.
Keywords: direct current; HVDC; LCC-HVDC; thyristors; VSC-HVDC; IGBT.