hvdc 개요3

오늘날 운용되고 있는 대부분의 HVDC 시스템은 라인 커미셔닝 컨버터에 기초한다.

 

기본 LCC 구성은 3상 중 하나를 두 개의 DC 레일 중 하나에 각각 연결하는 6개의 전자 스위치를 포함하는 3상 브리지 정류기 또는 6펄스 브리지를 사용한다. 완전한 전환 요소는 일반적으로 밸브 구성과는 무관하게 밸브라고 한다. 단, 위상 변화만 60°에 한하여 이 배치가 사용될 때 DC와 AC 단자 모두에서 상당한 고조파 왜곡이 발생한다.

 

 

12펄스 브리지 정류기

이러한 배치의 개선은 12개의 맥동교에 12개의 밸브를 사용한다. AC는 변환 전에 두 개의 분리된 3상 공급장치로 분리된다. 공급품 세트 중 하나는 별(wye) 2차, 다른 하나는 델타 2차(delta secondary)를 가지도록 구성되며, 이는 두 세 단계의 세 가지 단계 사이에 30°의 위상 차이를 만든다. 2개의 3상 세트 각각을 2개의 DC 레일에 연결하는 12개의 밸브가 있어 30°마다 위상 변화가 있고, 고조파가 상당히 감소한다. 이러한 이유로, 12펄스 시스템은 1970년대 이후 건설된 대부분의 라인 커미셔닝 변환기 HVDC 시스템에서 표준이 되었다.

 

라인 정류 변환기의 경우 변환기에는 단 한 가지 자유도, 즉 밸브 전체 전압이 양(다이오드로 만들어진 경우 밸브가 작동을 시작하는 지점)이 되는 시간 지연을 나타내는 점화 각도가 있다. 점화 각도가 증가하면 변환기의 DC 출력 전압이 꾸준히 낮아진다. 최대 90°의 점화 각도는 정류에 해당하며 양의 DC 전압이 발생하는 반면 90° 이상의 점화 각도는 역전에 해당하며 음의 DC 전압이 발생한다. 화재 각도에 대한 실제 상한치는 약 150–160°이다. 이 경우 밸브가 충분한 차단 시간을 가질 수 있기 때문이다.

 

초기 LCC 시스템은 견고하지만 높은 유지관리가 필요한 수은아크 밸브를 사용하였다. 이러한 이유로, 많은 수은아크 HVDC 시스템은 각 6펄스교에 우회 스위치기어를 사용하여 HVDC 체계를 단기간 유지보수하기 위해 6펄스 모드에서 작동할 수 있도록 구축되었다. 마지막 수은호 시스템은 2012년에 폐쇄되었다.

 

티리스터 밸브는 1972년에 HVDC 시스템에서 처음 사용되었다. 사이리스터는 다이오드와 유사한 고체 상태의 반도체 소자로, AC 사이클 중 특정 순간에 장치를 켜는 데 사용되는 추가 제어 단자가 있다. 어떤 경우에는 최대 800 kV의 HVDC 시스템 전압이 사용되는 티리스터의 고장 전압을 훨씬 초과하기 때문에 HVDC 티리스터 밸브는 많은 수의 티리스터들을 직렬로 사용하여 제작된다. 밸브 전체에 걸쳐 전압이 사이리스터와 균등하게 공유되도록 등급 커패시터 및 저항기와 같은 추가 패시브 구성 요소를 각 사이리스터와 병렬로 연결해야 한다. 사이리스터와 그것의 등급 회로와 다른 보조 장비는 사이리스터 레벨로 알려져 있다.

 

 

티리스터 밸브 스택은 뉴질랜드의 북쪽과 남쪽 섬 사이에 있는 HVDC 인터 아일랜드의 폴 2를 포함한다. 바닥의 남자는 밸브 크기에 맞게 크기를 조절한다.

각 사이리스터 밸브는 일반적으로 수십 또는 수백 개의 티리스터 레벨을 포함하며, 각각은 지구와 관련하여 서로 다른(높은) 잠재력으로 작동한다. 따라서 사이리스터의 전원을 켜는 명령 정보는 단순히 유선 연결을 사용하여 전송할 수 없다. – 그것은 격리되어야 한다. 격리방법은 자성을 가질 수 있지만 일반적으로 시각적이다. 간접 및 직접 광 트리거링의 두 가지 광학 방법이 사용된다. 간접 광학적 트리거링 방법에서 저전압 제어 전자 장치는 광섬유를 따라 고측면 제어 전자 장치로 광 펄스를 전송하며, 이는 각 사이리스터의 전압에서 전력을 얻는다. 대안적인 직접 광학적 트리거링 방법은 대부분의 하이사이드 전자 장치와 함께 분배되며, 대신 제어 전자 장치의 광 펄스를 사용하여 가벼운 트리거 사이리스터(LT)를 전환한다. 단, 밸브 보호를 위해 소형 모니터링 전자 장치가 여전히 필요할 수 있다.

 

라인 커미셔닝 변환기에서 DC 전류(일반적으로)는 방향을 변경할 수 없으며, 큰 인덕턴스를 통해 흐르며 거의 일정한 것으로 간주될 수 있다. AC 측면에서 변환기는 대략 전류 소스로서 작동하며, AC 네트워크에 그리드 주파수와 고조파 전류를 모두 주입한다. 이러한 이유로, HVDC용 라인 정류 변환기도 전류 소스 인버터로 간주된다.

 

사이리스터는 제어 작용에 의해서만 켜질 수 있기 때문에 통제 시스템은 오직 한 가지 정도의 자유만 가지고 있다 – 언제 사이리스터를 켤 것인가. 이것은 일부 상황에서 중요한 제한이다.

 

절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT)와 같은 다른 유형의 반도체 소자로는 켜기 및 끄기를 모두 제어할 수 있어 자유도가 두 번째에 이른다. 그 결과, 자체 정류 변환기를 만드는 데 사용할 수 있다. 이러한 변환기에서 DC 전압의 극성은 대개 고정되며, 큰 정전용량으로 평활되는 DC 전압은 상수로 간주할 수 있다. 이러한 이유로 IGBT를 사용하는 HVDC 변환기는 일반적으로 전압 소싱 변환기로 불린다. 추가적인 관리성은 고조파 성능을 개선하기 위해 사이클당 여러 번 IGBT를 켜고 끄는 기능 등 많은 장점을 제공한다. 변환기는 자체 커밋되므로 더 이상 AC 시스템의 동기식 기계에 의존하지 않는다. 따라서 전압 소싱 변환기는 LCC HVDC에서는 불가능한 어떤 수동 부하로만 구성된 AC 네트워크에 전력을 공급할 수 있다.

 

전압 소싱 컨버터에 기초한 HVDC 시스템은 변환기가 비교 가능한 LCC보다 고조파 왜곡이 훨씬 적고 12펄스 연결이 불필요하기 때문에 일반적으로 6펄스 연결을 사용한다.

 

2012년까지 구축한 대부분의 VSC HVDC 시스템은 2단계 변환기를 기반으로 한 것으로서, 이 전환기는 티리스터를 역병렬 다이오드로 IGBT로 대체하고 DC 평활화로를 DC 평활화 캐패시터로 대체한 6개의 펄스 브리지로 생각할 수 있다. 이러한 변환기는 양 및 음 DC 단자의 전기 전위에 해당하는 각 위상의 AC 출력에서 분리된 두 전압 레벨로부터 이름을 얻는다. 펄스 폭 변조(PWM)는 일반적으로 변환기의 고조파 변형을 개선하기 위해 사용된다.

 

일부 HVDC 시스템은 3개의 레벨 컨버터를 사용하여 구축되었지만, 오늘날 대부분의 새로운 VSC HVDC 시스템은 어떤 형태의 다층 변환기(대개 모듈식 다중 레벨 변환기(MMC)로 구축되고 있으며, 각 밸브는 자체 스토리지 캐패시터를 포함하는 다수의 독립적인 변환기어를 각 하위절의 IGBT는 콘덴서를 우회하거나 회로에 연결하여 밸브가 매우 낮은 고조파 왜곡 수준의 단계 전압을 합성할 수 있도록 한다.

 

 

각 변환기의 AC 측에서, 종종 물리적으로 분리된 3개의 단상 변압기 뱅크, 스테이션을 AC 공급장치로부터 격리하여 로컬 접지를 제공하고 최종 DC 전압을 확보한다. 이 변압기의 출력은 변환기에 연결된다.

 

LCC HVDC 체계를 위한 변환기 변압기는 전류가 흐르는 고조파 전류의 높은 수준과 2차 권선 절연이 탱크 내부의 절연 구조 설계에 영향을 미치는 영구 DC 전압을 경험하기 때문에 매우 전문적이다. LCC 시스템의 경우, 변압기는 고조파 취소에 필요한 30° 단계 이동을 제공해야 한다.

 

VSC HVDC 시스템용 변환기 변압기는 일반적으로 LCC HVDC 시스템용 변환기보다 더 단순하고 일반적인 설계 방식이다.

 

라인 커미셔닝 컨버터를 사용하는 HVDC 시스템의 주된 단점은 변환기가 본질적으로 반응성 전력을 소비한다는 것이다. AC 시스템에서 변환기로 흐르는 AC 전류는 AC 전압 뒤로 지연되어 활성 전력 흐름의 방향과 관계없이 변환기가 항상 무효 전력을 흡수하여 분로 원자로와 동일한 방식으로 작동한다. 이상적인 조건에서 반응성 전력 흡수량은 최소 0.5 MVAr/MW이며, 변환기가 일반적인 점화 또는 소멸각 또는 감소된 DC 전압보다 높게 작동할 때 이보다 높을 수 있다.

 

발전소에 직접 연결된 HVDC 변환기 스테이션에서 일부 무효 전력은 발전기 자체에 의해 공급될 수 있지만, 대부분의 경우 변환기에 의해 소비되는 무효 전력은 변환기의 AC 단자에 연결된 분로 콘덴서 뱅크에 의해 공급되어야 한다. 션트 캐패시터는 보통 그리드 전압에 직접 연결되지만 경우에 따라 변환기 변압기의 3차 권선을 통해 낮은 전압에 연결될 수 있다.

 

무효 전력 소비는 송신되는 활성 전력에 따라 달라지기 때문에, 낮은 전송 전력에서 무효 전력의 잉여가 생성되는 것을 방지하기 위해 션트 캐패시터는 일반적으로 전환 가능한 뱅크(일반적으로 변환기당 4개)로 세분화되어야 한다.

 

션트 캐패시터는 거의 항상 튜닝 원자로와 필요한 경우 고조파 필터로서 이중 역할을 수행할 수 있도록 감쇠 저항기를 제공한다.

 

반면에, 전압 소스 변환기는 필요 시 반응성 전력을 생산하거나 소비할 수 있으며, 통상적으로 별도의 션트 캐패시터가 필요하지 않다(필터링을 위해 순수하게 요구되는 것은 제외).