Сегодня все преобразователи с питанием от источника напряжения (VSC), используемые в сетях постоянного тока высокого напряжения (HVDC), не способны блокировать короткие замыкания со стороны постоянного тока.
Для большинства ситуаций, где применялись такие преобразователи (например, двухточечные соединения с использованием только кабелей постоянного тока), данное ограничение не является слишком серьезным. Этот недостаток легко перевешивается преимуществами технологии VSC. Однако, когда рано или поздно, появятся сети постоянного тока с большим количеством терминалов, или покрывающие континент, эти ограничения больше не будут приемлемыми, так как короткое замыкание в одной линии или кабеле заблокирует всю сеть. В таких случаях, сеть требует применения либо выключателей постоянного тока, либо преобразователей VCS специального типа, которые могут подавить ток, вызванный коротким замыканием в сети постоянного тока.
К наиболее распространенным типам используемых сегодня VSC для сетей постоянного тока высокого напряжения (HVDC), относится "полумостовой" вариант модульного многоуровневого преобразователя (HB-MMC). В данной схеме, преобразователь состоит из большого количества идентичных 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 обычным методом устранения таких коротких замыканий сегодня является использование выключателей переменного тока, соединяющих преобразователь с сетью переменного тока. Однако такое решение считается, с точки зрения силовой электроники, медленным - оно требует 60-100 мс. Выключатели постоянного тока должны быть намного быстрее. Устойчивое положение в технологии таких выключателей постоянного тока заняла компания Alstom, и основанные на этой технологии решения должны стать коммерчески доступными уже в ближайшем будущем.
Альтернативным решением могло бы стать изменение самого преобразователя, чтобы выключатель постоянного тока не требовался совсем. Именно это и делает "полномостовой" вариант модульного многоуровневого преобразователя (FB-MMC).
Строительные блоки гибридных преобразователей
Рассматриваемый сегодня в качестве жизнеспособного временного варианта, в случае использования в многотерминальной сети DC преобразователя VSC, подмодуль FB-MMC может, фактически, использоваться не только для сетей HVDC, но и в модифицированном компенсаторе STATCOM компании Alstom. Однако FB-MMC не относятся к оптимальным типам блокировки коротких замыканий в преобразователях VSC, из-за того, что стоимость и потери энергии для них значительно выше, чем в HB-MMC.
Для устранения этого недостатка, Alstom разрабатывает улучшенный преобразователь с блокировкой короткого замыкания, который получил название Alternate Arm Converter (AAC).
Преобразователи, блокирующие короткие замыкания, такие как FB-MMC или AAC, могли бы стать неплохим решением для относительно небольших сетей постоянного тока с тремя или четырьмя терминалами. Они также пригодны для двухточечных соединений, использующих воздушные линии, 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 короткий период времени.
Затем преобразователи могут быть снова разблокированы для проверки того, сохраняется ли ток короткого замыкания. Если замыкания уже нет, то сеть может быть запущена в работу. Однако если замыкание имеет постоянный характер (обычно это связано с отказом кабеля), то вся сеть будет оставаться отключенной до тех пор, пока обслуживающий персонал не устранит неисправность кабеля - что может длиться несколько недель. Но, если сеть постоянного тока покрывает большую географическую область или имеет значительное число терминалов, она становится критическим элементом всей системы передачи энергии, и, в качестве таковой, не может быть выведена из строя на продолжительное время. Поэтому возникает потребность в дополнительных средствах быстрого изолирования вышедшей из строя секции сети, что остальные, рабочие части сети DC могли возобновить работу.
Для этого не требуется выключатель постоянного тока, поскольку преобразователь уже прервал ток короткого замыкания. Нужен только "быстрый разъединитель", который может быстро изолировать отказавший участок.
Традиционным разъединителям для размыкания цепи требуется несколько секунд, и в ряде случаев это может оказаться неприемлемым. Однако существуют два известных способа увеличения скорости.
Во-первых, в качестве разъединителя можно применить традиционный выключатель переменного тока. Время его срабатывания составляет 60-100 мс. Второй способ, который можно назвать сверхбыстрым разъединителем, заключается в использовании механического выключателя, входящего в состав полного выключателя цепи постоянного тока.
Несмотря на то, что второй способ может потребовать больше затрат, чем первый, он работает намного быстрее (требует менее 5 мс), и будет значительно дешевле, чем установка полноценного выключателя переменного тока.
Выбор между этими двумя способами будет зависеть от того, насколько критичным является требование к минимизации времени простоя сети постоянного тока. Например, сеть постоянного тока обслуживает плотно населенный городской район, и использует, в основном, подземные кабели. Здесь скорость, скорее всего, является наиболее важным фактором. С другой стороны сеть постоянного тока может использоваться для передачи электроэнергии на большие расстояния посредством воздушных линий, где скорость может быть менее критичной.
Управление размыканием таких быстрых разъединителей требует довольно умных алгоритмов.
Общей характеристикой всех замыканий и всех типов оборудования HVDC является то, что в стабильном состоянии сумма токов на концах кабеля должна быть равна нулю. Это связано с тем, что к кабелю не подключена никакая нагрузка, и ток, который поступает в кабель с одного его конца, должен покинуть кабель через другой конец. Если происходит короткое замыкание, то внутри сбойной ветви появляются дополнительные пути для прохождения тока, и, следовательно, сумма токов в кабеле становится не равной нулю - фактически, она всегда положительна. С другой стороны, в неповрежденной ветви, в которой существует 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 находится в диапазоне от десятков до сотен километров, распространение задержки по кабелю может достичь нескольких миллисекунд, и на переходной период, в рабочих частях кабеля сумма токов может стать отрицательной. В связи с этим возможно обнаружить, где находиться короткое замыкание внутри кабеля, анализируя знак мгновенной суммы токов кабеля. Если такая сумма отрицательна, то короткое замыкание не находится в данной ветви. Если она положительна, то в данном участке кабеля имеется короткое замыкание.
Такой алгоритм обнаружения 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), который может 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 отрицательное, так и положительное напряжение постоянного тока, лежит в основе его способности подавлять постоянный ток короткого замыкания. Но FB-MMC может создавать намного большее отрицательное напряжение постоянного тока, чем, фактически, необходимо для устранения неисправности. Именно поэтому и была разработана новая концепция, ААС, направленная на предоставление более эффективной возможности устранения неисправностей с использованием меньшего количества подмодулей.
Как работает AAC?
В MMC, каждый из шести "вентилей" должен содержать достаточное количество подмодулей, чтобы независимо обеспечить нужное напряжения постоянного тока. Но в течение большей части времени эта полная возможность не требуется. AAC позволяет избежать этой ситуации, имея отдельный "главный выключатель", подключенный последовательно с подмодулями. Этот главный выключатель состоит из нескольких последовательно соединенных БТИЗ, что позволяет почти вдвое уменьшить количество подмодулей. Это означает, что потери энергии значительно снижаются по сравнению с традиционным преобразователем FB-MMC, и становятся близкими к тем, которые достигаются в HB-MMC - но при этом добавляется возможность устранения постоянного тока короткого замыкания.
Последовательные цепи для разной формы волны на стороне постоянного тока
Существуют ли другие положительные моменты?
Еще один положительный момент заключается в том, что все БТИЗ в главном выключателе намного менее массивны, чем подмодули, которые ими заменяются (в состав подмодулей входят большие конденсаторы). Поэтому, за счет минимизации количества подмодулей можно уменьшить занимаемое пространство. Более того, главные выключатели могут быть устроены таким образом, что при нормальной работе они включаются и выключаются, когда и напряжение и ток равны нулю (так называемое, "мягкое выключение"). Это означает, что главный выключатель не имеет потерь при выключении, а проблемы с одновременной правильной поочередной работой большого количества БТИЗ, намного упрощаются.
