Введение

Тип подстанции

Конверторная станция высокого напряжения постоянного тока (или просто конверторная станция) – это специализированный тип подстанции, являющийся конечным оборудованием для линии передачи высокого напряжения постоянного тока (HVDC). Она преобразует постоянный ток в переменный или наоборот. Помимо преобразователя, станция обычно содержит:

коммутационное оборудование переменного тока трех фаз,
трансформаторы,
конденсаторы или синхронные компенсаторы для обеспечения реактивной мощности,
фильтры для подавления гармоник, и
коммутационное оборудование постоянного тока.

Конвертер

Конвертер обычно устанавливается в здании, называемом клапанным залом. Ранние системы HVDC использовали ртутные дуговые клапаны, но с середины 1970-х годов стали применяться твердотельные устройства, такие как тиристоры. Конверторы, использующие тиристоры или ртутные дуговые клапаны, известны как линейно-коммутируемые конверторы. В тиристорных конвертерах множество тиристоров соединяются последовательно для формирования тиристорного клапана, и каждый конвертер обычно состоит из шести или двенадцати тиристорных клапанов. Тиристорные клапаны обычно группируются попарно или группами по четыре и могут устанавливаться на изоляторах на полу или подвешиваться на изоляторах к потолку. Линейно-коммутируемые конверторы требуют напряжения от сети переменного тока для коммутации, но с конца 1990-х годов для HVDC начали использоваться конверторы напряжения. Конверторы напряжения используют изолированные биполярные транзисторы вместо тиристоров, и они способны подавать питание обесточенной системе переменного тока. Практически все конверторы, используемые для HVDC, изначально способны осуществлять преобразование мощности в обоих направлениях. Преобразование мощности из переменного тока в постоянный называется выпрямлением, а преобразование из постоянного тока в переменный – инверсией.

Оборудование постоянного тока

Оборудование постоянного тока часто включает в себя катушку (называемую реактором), которая добавляет индуктивность последовательно с линией постоянного тока для сглаживания постоянного тока. Индуктивность обычно составляет от 0,1 до 1 Гн. Реактор сглаживания может иметь воздушный или железный сердечник. Катушки с железным сердечником выглядят как высоковольтные трансформаторы, заполненные маслом. Катушки сглаживания с воздушным сердечником напоминают, но значительно больше, чем дроссели несущей частоты в высоковольтных линиях электропередачи и поддерживаются изоляторами. Катушки с воздушным сердечником имеют преимущество в виде меньшего уровня акустического шума по сравнению с катушками с железным сердечником, они исключают потенциальную опасность для окружающей среды, связанную с утечкой масла, и не насыщаются при кратковременных условиях высокого тока. Эта часть установки также будет содержать приборы для измерения постоянного тока и напряжения. Для устранения высокочастотных помех используются специальные фильтры постоянного тока. Такие фильтры необходимы, если в линии электропередачи будут использоваться методы связи по линиям электропередач для связи и управления, или если воздушная линия будет проходить через населенные пункты. Эти фильтры могут быть пассивными LC-фильтрами или активными фильтрами, состоящими из усилителя, соединенного через трансформаторы и защитные конденсаторы, который генерирует сигнал, сдвинутый по фазе относительно сигнала помехи в линии, тем самым подавляя его. Подобная система использовалась в проекте HVDC Baltic Cable.

Конвертор трансформатор

Конверторные трансформаторы повышают напряжение сети переменного тока. Используя соединение обмоток трансформатора «звезда-треугольник», преобразователь может работать с 12 импульсами за цикл в источнике переменного тока, что позволяет значительно снизить содержание гармонических составляющих тока. Изоляция обмоток трансформатора должна быть специально рассчитана на выдерживание высокого постоянного напряжения относительно земли. Конверторные трансформаторы могут изготавливаться единым блоком мощностью до 300 мегавольт-ампер (МВА). Транспортировка трансформаторов большей мощности нецелесообразна, поэтому при необходимости большей мощности используются несколько отдельных трансформаторов, соединенных вместе. Можно использовать два трехфазных или три однофазных трансформатора. Последний вариант позволяет использовать только один тип трансформатора, что делает поставку запасного трансформатора более экономичной. Конверторные трансформаторы работают при высоких уровнях магнитного потока в течение четырех фаз преобразования за цикл, и поэтому создают больше акустического шума, чем обычные трехфазные силовые трансформаторы. Этот эффект необходимо учитывать при выборе места для станции преобразователя HVDC. Для снижения шума могут быть использованы шумозащитные кожухи.

Реактивная мощность

При использовании линейно-коммутируемых преобразователей преобразовательная станция потребует от 40% до 60% своей номинальной мощности в виде реактивной мощности. Обеспечить это можно банками коммутируемых конденсаторов или синхронными компенсаторами, либо, если подходящая электростанция расположена вблизи станции статического инвертора, генераторами этой электростанции. Потребность в реактивной мощности может быть снижена, если трансформаторы преобразователя оснащены регуляторами напряжения под нагрузкой с достаточным диапазоном переключений для управления напряжением переменного тока. Часть потребности в реактивной мощности может быть удовлетворена за счет компонентов гармонического фильтра. Конвертеры напряжения могут генерировать и потреблять как реактивную, так и активную мощность, поэтому дополнительное оборудование для компенсации реактивной мощности, как правило, не требуется.

Гармонические фильтры

Гармонические фильтры необходимы для устранения гармонических составляющих и выработки реактивной мощности на станциях с линейно-коммутируемыми преобразователями. На установках с шестиимпульсными линейно-коммутируемыми преобразователями требуются сложные гармонические фильтры, поскольку на стороне переменного тока возникают нечетные гармоники порядков *h* и *k*, а на стороне постоянного тока – четные гармоники порядка *2h*. На 12-импульсных преобразовательных станциях возникают только гармонические напряжения или токи порядков *h* и *k* (со стороны переменного тока) или *2h* (со стороны постоянного тока). Фильтры настраиваются на ожидаемые гармонические частоты и состоят из последовательно соединенных конденсаторов и индуктивностей. Преобразователи с источником напряжения обычно генерируют гармоники меньшей амплитуды, чем линейно-коммутируемые преобразователи. В результате, гармонические фильтры, как правило, имеют меньшие размеры или могут быть полностью исключены. Помимо гармонических фильтров, также предусматривается оборудование для подавления паразитных сигналов в диапазоне частот оборудования связи по линиям электропередач – от 30 кГц до 500 кГц. Эти фильтры обычно располагаются вблизи вывода переменного тока статического инвертора. Они состоят из катушки, через которую проходит ток нагрузки, и параллельно соединенного конденсатора, образующих резонансный контур. В отдельных случаях возможно использование исключительно синхронных компенсаторов для выработки реактивной мощности. Это реализовано на терминале ВЛ постоянного тока "Волгоград-Донбасс", расположенном на Волжской ГЭС.

Сменные устройства переменного тока

Трехфазное коммутационное оборудование преобразовательной станции аналогично оборудованию подстанции переменного тока. Оно будет включать в себя автоматические выключатели для защиты от перегрузки по току трансформаторов преобразователя, разъединители, заземлители и измерительные трансформаторы для управления, измерений и защиты. На станции также будут установлены разрядники для защиты оборудования переменного тока от импульсных перенапряжений, вызванных ударами молнии в сети переменного тока.

Требуемая площадь

Площадь, необходимая для конвертерной станции, значительно больше, чем для обычного трансформатора. Например, для установки с мощностью передачи 600 мегаватт и напряжением передачи 400 кВ требуется площадка размером примерно 300 x 300 метров (1000 x 1000 футов). Установки с более низким напряжением могут требовать несколько меньшей площади, так как вокруг высоковольтного оборудования, расположенного на открытом воздухе, потребуется меньший воздушный зазор.

Факторы расположения

Конвертерные станции производят акустический шум. Конвертерные станции могут создавать значительные уровни радиочастотных помех, поэтому в их конструкцию следует включать элементы для контроля этих излучений. Стены могут служить для шумозащиты. Как и на всех подстанциях переменного тока, необходимо предотвратить попадание масла из оборудования в грунтовые воды в случае разлива. Для линий электропередачи на опорах может потребоваться большая площадь, однако её можно уменьшить, используя подземные кабели.