HVDC 2000 en ny generation HVDC-anläggningar ABB Power Systems i Sverige presenterar nästa generation utrustning för HVDC-överföringar-HVDC 2000. ABB utvecklade HVDC 2000 för att nå bättre överföringsprestanda, förkorta montage- och byggtid samt minska behovet av underhåll. Konceptet baseras på kända idéer och kunskaper, men det är först nu med modern, snabb elektronik, moderna överspänningsskydd och avancerade digitala beräkningsprogram som de olika delarna kan realiseras. I HVDC 2000 ingår kondensatorkommuterade strömriktare (CCC), Utanhusventiler automatiskt avstämda växelströmsfilter, aktiva likströmsfilter, optiska likströmsmätdon och djuphålselektroder. Här visas helheten, och delarna presenteras var för sig i kommande artiklar. Seriekompensering av strömriktare Under de senaste fyrtio åren har det skrivits mycket om fördelarna med seriekompensering av strömriktare. En av de stora fördelarna med seriekompensering av strömriktare är att den reaktiva effektförbrukningen, sedd från det matande växelströmsnätet, blir låg och praktiskt taget konstant över hela lastområdet. Men först nu, när ABB har utvecklat ett automatiskt växelströmsfilter ConTune, som ger en utmärkt filterverkan med begränsad kondensatorstorlek och därmed låg reaktiv generering, har det blivit praktiskt möjligt att använda seriekompenserade strömriktare 1. Skillnaden mot tidigare utrustning är att ett ConTune-filter kan kopplas in och ur samtidigt som strömriktaren. En konventionell strömriktare kräver normalt ett antal filter- och shuntbankar som kopplas in och ur med varierande last 2. En annan genomförd förutsättning för seriekompensering av strömriktare är att de nya kontrollsystemen är baserade på mycket snabba mikrodatorer och digitala signalprocessorer. HVDC 2000 förbättrar dessutom överföringens reglerstabilitet påtagligt, speciellt då den är ansluten till ett växelströmsnät med låg kortslutningseffekt. Den förbättrade reglerstabiliteten ger också säkrare drift vid överföringar med långa likströmskablar. Anläggningen blir mindre känslig för störningar i växelströmsnätet, vilket minskar risken för kommuteringsfel. Dessutom minskar de dynamiska överspänningarna vid lastbortfall, och såväl likströms- som växelströmsfiltreringen förbättras. Kortare projekttid Projekttiden förkortas eftersom HVDC 2000 använder sig av standardlösningar. Bertil Ärnlöv ABB Power Systems AB Konstruktionen av anläggningen blir samtidigt mer flexibel, och färre detaljer i anläggningen betyder att montagearbetet blir enklare och går snabbare. En HVDC 2000-anläggning tar mindre plats, då de nya komponenterna är kompaktare. Den är därför lättare att placera än en konventionell anläggning, vilket leder till lägre markkostnader. HVDC 2000-anläggningens lägre bygghöjd gör att den kan placeras även i landskap, där en konventionell anläggning hade stört miljön alltför mycket. Kondensatorkommuterade strömriktare ABB kallar seriekompensering av strömriktare Capacitor Commutated Converter (CCC), eftersom placeringen av seriekondensatorn mellan strömriktartransformatorn och ventilbryggan har direkt påverkan på kommuteringsförloppet. Seriekondensatorn kan placeras på tre olika ställen i förhållande till strömriktaren: på inkommande växelströmslinje, mellan filterskenan och strömriktartransformatorn eller mellan strömriktartransformatorn och ventilbryggan. ABB valde sin placering av flera olika skäl. Kondensatorn får låga påkänningar både i stationär drift och under transienta förlopp, eftersom strömmen genom kondensatorn bestäms av ventilen den är seriekopplad med. Placeringen eliminerar också risken för ferroresonans vid överspänningar och ökade påkänningar från stora nollföljdströmmar vid jordfel i växelströmsnätet. Dessutom krävs en mindre varistor för att skydda kondensatorn. Många fördelar med kondensatorkommuterade strömriktare Genom att använda CCC förbättras reglerstabiliteten, vilket gör att HVDC kan 10 A BB Tidning 3/1996
användas vid lägre kortslutningsförhållanden än tidigare 3. Kommuteringskondensatorn ger ett spänningstillskott till nätspänningen, så att den kommuteringsspänning som ventilerna matas med blir något högre och fasförskjuten jämfört med en konventionell strömriktare. Sett från ventilsidan ger detta större kommuteringsmarginal i växelriktaren men inga större skillnader i likriktaren. Sett från nätsidan blir styrvinkeln i såväl likriktare som växelriktare lägre, vilket innebär lägre reaktiv effektförbrukning. I växelriktardrift innebär de ändrade kommuteringsvillkoren att U d / -karakteristiken får en positiv lutning 4, vilket ger mycket bättre reglerstabilitet än för konventionella växelriktare. En anläggning med CCC tål fler störningar än en konventionell HVDC-anläggning och kan fortsätta i normal drift även under stora störningar i matande växelspänning. Den klarar ett plötsligt spänningsfall på 15 20% utan att orsaka kommuteringsfel, och dessutom är den dynamiska stabiliteten kraftigt förbättrad jämfört med en konventionell HVDC-anläggning. AC ~ Monopolär HVDC-anläggning med kondensatorkommuterade strömriktare CCC och automatiskt avstämt filter ConTune AC Växelströmssystem ConTune växelströmsfilter En anläggning med CCC kräver att tillräckligt bra filtrering av övertonerna kan ske utan att stora växelströmsfilter behöver användas (storleken avser den genererade reaktiva effekten, och stor genererad effekt behövs för låg filterimpedans). ABB har utvecklat ett automatiskt avstämt filter, ConTune, som klarar detta 5. Filtrets avstämningsfrekvens följer alltid den genererade övertonens frekvens, vilket gör att filtrets Q-värde kan väljas högt. Detta gör det möjligt att få en låg och väldefinierad filterimpedans även med mycket små filter 6. Filtrets automatiska avstämning kommer av en variabel reaktorinduktans. För att åstadkomma den variabla induktansen består filterreaktorn av en järnkärna med två lindningar, en för övertoner och en styrlindning, lindad vinkelrätt mot den 1 Reaktiv effektförbrukning i en konventionell strömriktare (a) och en CCC (b) 2 Q Reaktiv effekt Blå Filter Likström Grön Strömriktare Röd Osymmetri 0.5 0.5 Q 0.13 Q 0.13 a b ABB Tidning 3/1996 11
1.6 1.4 1.6 1.4 1.2 0.8 1.2 0.8 P d U ac 0.6 P d 0.6 P d 0.4 0.2 SCR = 2 Q shunt = 0.5 U ac P d 0.4 0.2 SCR = 2 Q shunt = 0.13 U ac U ac 0 0 0.5 1.5 2.0 0 0 0.5 1.5 2.0 a b MAP-kurvan (Maximal Available Power) i en konventionell HVDC (a) resp en CCC-HVDC anläggning (b) 3 Likström SCR Tomgång-kortslutningsförhållande P d Likströmseffekt Q shunt Filtrens reaktiva effekt U ac Växelspänning första. Genom att mata en variabel likström i styrlindningen påverkas det totala magnetiska flödet i reaktorn, och därigenom varieras induktansen 7. Regleringen ska behålla korrekt avstämning även vid ger tillräckligt snabb, stor och noggrann induktansvariation för att filtret stora frekvensavvikelser i växelströmsnätet. U d / karakteristik en konventionell HVDC-anläggning (a) jämfört med CCC (b) 4 U d Likström Likspänning 1.2 1.2 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 U d 0.2 U d 0.2 0 0 0.5 1.5 0 0 0.5 1.5 a b 12 A BB Tidning 3/1996
PI Prototytförande av ett ConTune växelströmsfilter i HVDC-anläggningen Konti-Skan 5 Principskiss över ett automatiskt avstämbart filter 6 Reglerdelen består av tre delar: en mätutrustning för ström och en för spänning samt en reglerförstärkare som styr utströmmen från en liten 6-ls likriktare till styrlindningen. Induktansen regleras så att fasskillnaden mellan övertonsströmmen i filtret och övertonsspänning på skenan ska bli så liten som möjligt. För ett komplett växelströmsfilter till en 12-ls strömriktare krävs två ConTune-filter, ett för den 11:te och ett för den 13:de övertonen, eller också kan ett dubbelavstämt ConTune-filter användas för dessa bägge övertoner. 11/13-övertonsfiltret måste dessutom kompletteras med ett högpassfilter för de högre övertonerna, vilket för närvarande består av passiva komponenter. I framtiden kan högpassfiltret ersättas av ett aktivt högpassfilter av samma typ som de aktiva likströmsfiltren. Om redundans krävs byggs en extra enkelfas filterbank som går att koppla in till valfri fas. Aktiva likströmsfilter De allt hårdare kraven på tillåtna telefonstörnivåer från likströmslinjer har gjort de konventionella passiva likströmsfiltren mer utrymmeskrävande och komplicerade. För att minska storleken och komplexiteten på filtren har ABB utvecklat små aktiva likströmsfilter som medger god filtrering 8. Den aktiva delen består av en mycket snabb digital signalprocessor som styr ConTune filtrets reaktor, där den vertikala lindningen är för övertonsfiltrering och den horisontella för styrning I ac Likström Växelström I ac 7 en kraftfull effektförstärkare. Insignalen är den uppmätta övertonsströmmen i likströmslinjen, och utsignalen är övertonsströmmar av sådan amplitud och fasläge att de släcker ut övertonsströmmarna som genereras av strömriktaren. Anslutningen sker via ett litet passivt filter av högpasstyp. [1] Utomhusventiler I en konventionell HVDC-anläggning är ventilhallen en dominerande del. Det enda syftet med hallen är att hysa tyristorventilerna, men den komplicerar konstruktionen av anläggningen mycket. Hallens utseende måste följa de lokala föreskrifterna och synnkter som kunden har på arkitekturen. Dessutom måste ventilhallen redan på ett tidigt stadium i anläggningens konstruktion anpassas till den elektriska utrustningen 9. För att underlätta anläggningskonstruktionen har ABB utvecklat tyristorventiler för uppställning utomhus 10. Montagearbetet underlättas av att en 500 kv-utomhusventil kan transporteras på lastbil på normala vägar och anländer färdigbyggd och klar för inkoppling till anläggningsplatsen. Ventilen kan också ABB Tidning 3/1996 13
Fördelarna med HVDC 2000 I jämförelse med tidigare HVDC-anläggningar har HVDC 2000 följande fördelar: Control Principskiss över ett aktivt likströmsfilter 8 Kortare tid från beställning till leverans Färre detaljer i anläggningen och därmed enklare montage Kompaktare komponenter betyder minskat areabehov Större flexibilitet i anläggningens utförande HVDC 2000-anläggningen syns mindre Minskade kostnader för drift och underhåll Bättre reglerstabilitet Säkrare drift vid överföring med långa likströmskablar Mindre känslig för störningar i växelströmsnätet, vilket minskar risken för kommuteringsfel Lägre dynamiska överspänningar vid lastbortfall Konventionell ventilhall i HVDC-anläggningen Baltic Cable, som förbinder elnäten mellan Sverige och Tyskland 9 standardiseras på ett helt annat sätt än konventionella ventiler. Andra fördelar är att leveranstiden och utrymmesbehovet minskar. Dessutom blir det enkelt att bygga ut anläggningen i framtiden. Varje enhet är en enkel ventilfunktion, dvs det behövs 12 utomhusventiler för en 12-ls omriktare. Den traditionella elektriska uppbyggnaden med tyristormodul och reaktormodul gör att underhållet av en utomhusventil blir lika enkelt som för en konventionell ventil. Optiskt likströmsmätdon ABB har utvecklat ett enkelt, pålitligt och mycket snabbt optiskt likströmsmätdon DC-OCT för att ersätta den relativt komplicerade utrustningen som används för 14 ABB Tidning 3/1996
Utomhusventil i prototytförande 10 mätning av likström i konventionella HVDC-anläggningar 11. DC-OCT baseras på en shunt med hög precision över vilken spänningen mäts och där sedan mätvärdet överförs med ljus i digital form via en optisk fiber till kontrollutrustningen på jordpotential. Elektroniken på potential matas med ljus som sänds i en annan optisk fiber. Ljuskällan är en laser placerad i styrenheten. Den optiska fibern kan vara upp till 300 m lång. Precisionen är bättre än 0,5% inom frekvensområdet från likström upp till 7 khz 12. Djuphålselektroder En viktig del i en likströmsöverföring är jordelektroden. Vid kabelöverföringar är det oftast möjligt att bygga ganska kompakta elektroder i eller alldeles vid vattnet. Traditionella landelektroder är däremot mycket utrymmeskrävande och måste placeras där resistansen i jorden är relativt låg. Den måste också placeras några tiotals kilometer från strömriktarstationen för att förhindra att likström kommer in i transformatorer eller andra apparater. Djuphålselektroden som ABB utvecklat tillsammans med andra intressenter kan vara ett sätt att slippa dessa problem om de geologiska förutsättningarna är de rätta, dvs de övre jordlagren har en hög resistivitet och resistiviteten i lager på djupare nivå är lägre 13. En djuphålselektrod kan placeras när- mare strömriktarstationen med kortare elektrodlinje och lägre förluster som resultat. Det är lättare att hitta en plats för elektroden, eftersom det blir mycket mindre påverkan på omgivningen. Fördelarna med djuphålselektrod kan underlätta tillkomsten av monopolära HVDC-överföringar i framtiden 14. HVDC 2000 i dag ag finns alla komponenter i HVDC 2000, utom själva kommuteringskondensatorn, i drift eller i provdrift. ConTune-filtret används sedan 1993 i Konti-Skan-överföringen, och proven har gått så bra att ytterligare enheter till andra stationer är beställda. ABB Tidning 3/1996 15
+ 5V Power supply Local module Laser diode Optical power link Remote module Power converter I Data outt D/A converter Data receiver Optical data link Data transmitter A/D circuit Shunt Blockschema över det optiska likströmsmätdonet DC-OCT 11 Optiskt likströmsmätdon DC-OCT, som ABB har utvecklat speciellt för HVDC-anläggningar 12 En prototyp av det aktiva likströmsfiltret installerades i december 1991 i Konti-Skan-överföringen. När den aktiva delen av filtret anslöts, erhölls en signifikant minskning av övertonsströmmarna i likströmskretsen 15. Det aktiva likströmsfiltret [1] har redan blivit en standardlösning i HVDC-överföringar med höga krav på filtrering såsom Baltic Cable och ingår i pågående leveranser. Dessutom har en utomhusventil på 280 kv provats i drift sedan i juli 1992 i Funktionsskiss av djuphålselektrod 13 Djuphålselektrod under provning 14 1 Elektrodledning 2 Kopplingsställe 3 Kabel 4 100 200 m lång djuphålselektrod 5 Jordyta 6 500 1000 m tjock jordlager med hög specifik resistans 7 Jordlager med låg specifik resistans ( 1 Ω mm 2 /m) 1 2 3 5 6 4 7 16 ABB Tidning 3/1996
I (f) 2.0 A, rms 1.5 0.5 0 H 12 24 36 48 60 72 Påverkan av aktiva och passiva filter på övertonsströmmar Konti-Skan-överföringen med mycket gott resultat. En 500 kv-ventil är under utveckling och kommer att provas under 1996. 1000 2000 3000 f Ljusblå Endast passivt filter f Frekvens Mörkblå Med aktivt filter I(f) Övertonsströmmar H Övertoner Hz 15 De optiska likströmsmätdonen har redan tagits i drift och används i de senaste leveranserna från ABB. I början av 1995 startade ABB i samarbete med andra intressenter ett långtidsprov med djuphålselektroder på den svenska sidan av Baltic Cable-överföringen. Under de senaste åren har ABB utförligt och framgångsrikt provat kretslösningar med CCC i HVDC-simulatorn. För närvarande pågår ett fullskaletest av CCC i ABBs tyristorventilprovkrets. HVDC 2000 i framtiden Målet är att ta fram en ny generation HVDC-överföringar som ska vara slagkraftig inte bara inom HVDC-världen utan också förbättra HVDCs konkurrenskraft gentemot växelströmsöverföringar. Med HVDC 2000 som innebär mindre stationer med färre utrustningsdetaljer, färre driftstopp och minskat underhållsbehov når ABB Power Systems detta mål. Referens [1] Asplund, G.; Zhang, W.: Aktiva likströmsfilter för HVDC-anläggningar. ABB Tidning 6/7 95, 17 21. Aktivt likströmsfilter på den svenska sidan av HVDC-anläggningen Baltic Cable, som förbinder elnäten mellan Sverige och Tyskland 16 Författarens adress Bertil Ärnlöv ABB Power Systems AB Box 703 S-771 80 Ludvika Fax: +46 (0)240 61 11 59 ABB Tidning 3/1996 17