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HVDC VSC-Technologie für Offshore-Windparkanwendungen

Offshore-Windparks

Die Nachfrage nach Strom steigt von Tag zu Tag. Die einzige Lösung hierfür ist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Wind, Sonne, Wasser usw. Darunter kann Wind entstehen große menge an kraft.

HVDC VSC-Technologie für Offshore-Windparkanwendungen

HVDC VSC-Technologie für Offshore-Windparkanwendungen (auf dem Foto: Alstoms HVDC VSC-Demonstrator, Stafford, UK)

Da der Windpark viel Platz und ausreichend Wind benötigt, ist es aufgrund der steigenden Bevölkerungs- und Zivilisationsbedürfnisse im Allgemeinen sehr schwierig, einen solchen Platz an der Küste zu finden.

Dies zwingt uns dazu, Offshore-Windparks zu nutzen.

Es wird eine erhebliche Menge Energie erzeugtdurch die Nutzung der Kraft von Offshore-Wind. Es ist jedoch immer noch schwierig, den Strom aus dem Offshore-Windpark an Land und dann zu den Nutzern zu bringen.

Die Größe des Windparks variiert von 400 MW und 1200 MW und ihre Entfernung vom Ufer liegt zwischen 50 und 400 km.

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Technologies

Drei verschiedene Technologien stehen im Fokus, und ich werde mich mit der dritten - HGÜ-VSC - näher befassen.

  1. HVAC (Hochspannung AC)
  2. HVDC LCC (Hochspannungsgleichstrom mit netzkommutierten Wandlern)
  3. HVDC VSC (Hochspannungsgleichstrom mit Spannungsquellenwandlern)
    1. HVDC VSC im Allgemeinen
    2. HVDC VSC Converter Station
    3. HVDC-VSC-Multilevel-Konvertertopologie
    4. Kabel
    5. Vorteile
    6. Nachteile


HVDC VSC im Allgemeinen

HGÜ-Konverterstation // ABB

HGÜ-Konverterstation // ABB


Die HVDC-Übertragung basierend auf VSC ist eine relativ neue Technologie, da IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet werden. Wichtige Unternehmen, die HVDC VSC fördern, sind ABB und Siemens. HVDC VSC wird als aufgefordert HGÜ Licht von ABB und als HVDC Plus von Siemens.

Die Hauptkomponenten der HGÜ-VSC-basierten Übertragung für Offshore-Windparks sind:

  1. Konverterstationen (Offshore und Onshore)
  2. Kabelpaar (polymere extrudierte Kabel)

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HVDC VSC Converter Station

Das Schema der VSC Converter Station ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die wichtige Komponente des Systems ist die VSC-Einheit. In diesem Gerät wird Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt und umgekehrt. Die Konvertierung findet statt.

Es verwendet IGBT, um eine hohe umgewandelte Leistung zu erreichen aufgrund der Evolution der Halbleitertechnologie. Mit steigender Schaltfrequenz verringert sich auch die Anzahl der Oberwellen und damit die Anzahl der Filter. Es erhöht jedoch die Verlustleistung und die Ineffizienz des Systems.

Ein Transformator verbindet das AC-System mit demKonverter, um die Spannung auf den Pegel der VSC-Eingangsseite zu erhöhen. Der Transformator stellt auch eine Reaktanz zwischen dem AC-System und dem VSC-System bereit, so dass der stromlose Frequenzfluss zwischen dem AC-System und dem Konverter verhindert wird.

Das Schema der VSC Converter Station

Das Schema der VSC Converter Station


Auf beiden Seiten werden viele Filter verwendet, um die Oberwellen im System zu reduzieren und somit die Gesamtleistung des Systems zu verbessern.

Woher:

  1. VSC-Konverter Stationsunterbrecher
  2. Systemseitiger harmonischer Filter
  3. AC-seitiger Hochfrequenz-Interferenzfilter
  4. Schnittstellentransformator
  5. Convemr Side Harmonic Filter
  6. HF-Sperrfilter / Phasenreaktor
  7. VSC-Einheit
  8. VSC DC-Kondensator
  9. DC-Oberschwingungsfilter
  10. Erdungsfilter für Neutralleiter
  11. Gleichstromreaktor
  12. Gleichtaktblockierungsreaktor
  13. DC-seitige Radiofrequenzstörung
  14. Gleichstromkabel oder Freileitung

Auf der Offshore-Seite ist ein zusätzliches Stromversorgungssystem erforderlich, um das Kühlsystem, die Klimaanlage, die Steuerung und die Schutzeinrichtungen zu versorgen.

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HVDC-VSC-Multilevel-Konvertertopologie

Ein HGÜ plus Kraftwerk besteht aus:

  1. Gasisolierte Schaltgeräte.
  2. Standard-AC-Transformatoren.
  3. Steuerungs- und Schutzsysteme.
  4. Seewasserkühlsystem für Offshore-Anwendungen.
  5. Modulare Multilevel-Konverter.

Ein HGÜ-Konverter plus besteht aus drei PhasenEinheiten. Jede Phaseneinheit besteht aus zwei Konverterarmen mit Konvertermodul und Reaktor. Jedes Umrichtermodul besteht aus einer großen Anzahl von Leistungsmodulen, die hauptsächlich aus IGBT bestehen.

http://www.youtube.com/watch?v=BXksGI0j_xw&w=628&h=353

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Leistungsmodul besteht aus 2 IGBTs, DC-Speicherelementen und Leistungsmodulelektronik. So ist Redundanz gewährleistet.

Konventionelle Zwei- und Drei-Pegelwandler erzeugt rechteckige Wellenformen. Dadurch werden in allen Komponenten Oberwellen und Spannungen erzeugt.

Um eine perfekte Sinuskurve zu erhalten, sind umfangreiche Filter- und Glättungsverfahren erforderlich.

Schema eines 2-stufigen HGÜ-Wandlers

Schema eines 2-stufigen HGÜ-Wandlers


HVDC plus Multilevel-Wechselrichter

HVDC plus Multilevel-Wechselrichter


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Kabel

Extrudierte polymere isolierte Kabel werden anstelle von ölgefüllten Kabeln verwendet, um bessere thermische Eigenschaften zu erhalten. Die extrudierten Kabel haben eine gute mechanische Flexibilität und können auch bei installiert werden U-Boot-Anwendungen mit hoher Tiefe.

Aufbau der Offshore HVDC VSC TOPOLOGY

Aufbau der Offshore HVDC VSC TOPOLOGY


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Vorteile von HVDC VSC-Systemen

  1. Unabhängige Steuerung der Wirk- und Blindleistung in jeder Konverterstation ist sowohl an Land als auch an Land möglich.
    In der Offshore-Station kann Blindleistung seinzur Versorgung von Windkraftanlagen erzeugt und die Einspritzung der Wirkleistung in das Getriebe gesteuert werden kann. In der Onshore-Station können Blindleistung und Wirkleistung variiert werden, um Spannungs- und Frequenzänderungen im Wechselstromnetz zu steuern.
  2. Ein Windpark kann zu Problemen führen, wenn er aufgrund der Schwankungen des Windes und der erzeugten Leistung an die schwachen Netze angeschlossen ist.
    Diese Probleme können gelöst werden, wenn die Steuerung der Wirk- und Blindleistung erreicht wird. Damit ist der Anschluss des Systems an ein schwaches Netz möglich.
  3. Konverter Kondensatorbänke oder STATCOMs
    Die Ventile in der Umrichterstation erfordernBlindleistung, so ist es notwendig, Kondensatorbatterien oder STATCOMs in das Design der Wandler einzubeziehen. STATCOMs sind mit VSC-Technologie ausgestattet und verbessern aufgrund ihrer Funktion zur Erzeugung oder zum Verbrauch von Blindleistung den Betrieb der Umrichterstation.
  4. Funktion als STATCOM, der Blindleistung liefert oder verbraucht, ohne Wirkleistung aufzunehmen oder zu erzeugen.
    Diese Funktion ist wichtig, wenn der Spannungspegel an einem Ende des Übertragungssystems gesteuert werden soll.
  5. Kein Beitrag zum Kurzschlussstrom
    Der Fehler auf der Netzseite wirkt sich nicht drastisch ausWenn die Wechselstromsysteme Erdschluss- oder Kurzschlussschaltungen haben, woraufhin die Wechselspannung abfällt, wird die übertragene Gleichstromleistung automatisch auf einen vorbestimmten Wert reduziert.
  6. Reduziertes Risiko von Kommutierungsfehlern.
    Die Störungen im AC-System können bei klassischen HGÜ-Systemen zu Kommutierungsfehlern führen. Der HVDC-VSC verwendet selbstkommutierende Halbleiter Geräte, die Auswirkungen von Hochspannungsschwankungen sind nicht mehr gültig. Diese Das Risiko von Kommutierungsfehlern wird erheblich reduziert.
  7. Kommunikation nicht erforderlich
    Das auf der Umrichterseite und auf der Umrichterseite verwendete Steuersystem kann unabhängig voneinander arbeiten. Sie benötigen keine Telekommunikation. Dies verbessert die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit des Controllers.
  8. Das System ist einfacher zu entwerfen und kompakter als die LCC-Station, da weniger Komponenten erforderlich sind.
  9. Es werden keine STATCOMs oder Kondensatorbatterien benötigt und in VSC-Konvertern sind weniger Filter installiert.
  10. Die Kosten
    Aus diesem Grund die Größe der Offshore-PlattformDies ist erforderlich, um die VSC-Konverter-Station zu hosten, im Vergleich zu LCC-Lösungen. In wirtschaftlicher Hinsicht werden die Kosten für den Bau der Offshore-Plattform drastisch gesenkt.

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Nachteile von HVDC-VSC-Systemen

  • Dies ist wirtschaftlich, wenn die Entfernung und die Kraft, die übertragen werden muss, größer ist.
  • Um Übertragungsverluste zu vermeiden, werden hohe Spannungen eingesetzt, so dass die IGBTs in Reihe geschaltet sind und eine adaptive Gate-Ansteuerung erforderlich ist.
  • Aktuelle Fähigkeit von IGBTs
    Die einzelnen IGBTs haben einen maximalen Abschaltstrom von 4000 A effektiv geben 1800A Gleichstromübertragung. Derzeit werden mehrstufige Inverter-Topologien ohne serielle Verbindung von IGBTs erforscht. Für die Behandlung von Fehlerszenarien ist jedoch eine zusätzliche Ausrüstung erforderlich.
  • Hilfsenergie wird für Kühl-, Klima-, Steuerungs- und Schutzeinrichtungen benötigt.

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Verweise:

  1. Wirtschaftlicher Vergleich von HVAC- und HVDC-Lösungen für große Offshore-Windparks
  2. Siemens HVDC Plus VSC
  3. ABB HVDC Light VSC
Bemerkungen: