ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПОДСТАНЦИЯ
CONVERTING SUBSTATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к преобразовательной подстанции, предназначенной для соединения системы переменного тока (AC) с линией передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC), упомянутая станция содержит, по меньшей мере, два преобразователя, которые установлены в отдельных залах преобразовательных вентилей и имеют, каждый, сторону постоянного тока (DC) для соединения с упомянутой линией передачи и AC-сторону, соединенную с упомянутой AC-системой, упомянутая преобразовательная подстанция содержит установку управления, выполненную с возможностью управления работой упомянутых преобразователей, средство для обеспечения преобразователей питанием собственных нужд, а также средство для управления общими условиями работы преобразователей, такими как охлаждение его компонентов.
Изобретение не является ограниченным какими-либо конкретными уровнями напряжения между землей и полюсом упомянутой линии передачи HVDC, но оно, главным образом, применимо для напряжений выше 500 кВ, что означает, что упомянутая линия передачи передает значительную мощность, а система передачи, к которой относится преобразовательная подстанция, требует очень высокой степени надежности. Изобретение также не является ограниченным какими-либо конкретными уровнями токов через полюс упомянутой линии передачи, но упомянутые линии предпочтительно рассчитаны на номинальные токи выше 1 кА.
Общая компоновка системы передачи HVDC этого типа схематически показана на фиг.1. Показано, каким образом преобразовательная подстанция 1, 2 установлена на каждом конце линии 3 передачи HVDC, имеющей два полюса, один полюс 4 положительной и один полюс 5 отрицательной полярности. AC-система 6 соединяется с каждой преобразовательной подстанцией через трансформаторы 7, чтобы получать подходящий уровень напряжения упомянутой AC-системы. Полагается, что AC-система, соединяющаяся с подстанцией 1, является генерирующей системой в форме любого типа электростанции с генераторами электроэнергии, и эта преобразовательная подстанция спроектирована для работы в качестве выпрямительной станции, тогда как предполагается, что AC-система, соединяющаяся с преобразовательной подстанцией 2, является потребляющей системой или сетью, соединяющейся с потребителями электроэнергии, такими как предприятия и объединения, и полагается, что эта преобразовательная подстанция работает в качестве инверторной подстанции. Каждая преобразовательная подстанция имеет два преобразователя 8, 9, имеющие, каждый, DC-сторону, соединенную с одной стороны с соответствующим из упомянутых двух полюсов 4, 5 и с другой стороны соединенную с установкой 10 нейтрали DC, общей по отношению к преобразователям и соединяющей их сторону низкого напряжения с «землей», чтобы задать определенное напряжение на концах каждого преобразователя. Преобразователи включают в себя несколько вентилей тока в виде любой известной конфигурации, например в виде конфигурации 12-импульсного моста. Преобразователи могут быть преобразователями источников тока с коммутацией линии, в которых переключающие элементы, такие как тиристоры, запираются при переходе через нуль AC-тока в упомянутой AC-системе. Преобразователи также могут быть преобразователями источников напряжения с принудительной коммутацией, в которых упомянутые переключающие элементы являются запираемыми устройствами, управляемыми в соответствии с диаграммой широтно-импульсной модуляции (PWM).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Преимущество системы передачи HVDC относительно системы передачи AC заключается в имеющихся в результате значительно более низких потерях в линии передачи между двумя преобразовательными подстанциями на каждом конце этой линии, тогда как преобразовательные подстанции обычно являются более дорогостоящими в системе передачи HVDC, чем в системе передачи AC. Системы передачи HVDC вследствие этого, главным образом, используются для передачи большой мощности, зачастую порядка нескольких гигаватт (ГВт). Это означает, что последствия для связанных AC-систем могут быть очень серьезным, если размыкается такая система передачи в целом или ее часть, то есть ее приходится разъединять, например, вследствие замыкания на землю. Размыкание передачи такой большой мощности может оказывать разрушительные воздействия на сеть электроснабжения с нарушениями электроснабжения, например со снижением нагрузки и обесточиванием, в виде последствий, так что основной проблемой такой системы передачи и тем самым также ее преобразовательной подстанции является надежность передачи. Отказы могут происходить всегда, но последствия должны сводиться к минимуму, то есть потеря мощности и физическое повреждение должны сводиться к минимуму.
Упомянутые во введении средства питания собственных нужд являются средствами для обеспечения питанием оборудования различного типа, такого как холодильное оборудование, предназначенное для охлаждения преобразовательных вентилей, и перерыв подачи такого питания собственных нужд на очень краткое время, такое как порядка 10 секунд, привело бы к необходимости останавливать, по меньшей мере, части преобразовательной подстанции.
В известных преобразовательных подстанциях описанного во введении типа, имеющих, по меньшей мере, два отдельных зала преобразовательных вентилей, эти залы строятся рядом друг с другом или со зданием управления, стоящим между ними, чтобы совместно использовать упомянутую установку управления и средство питания собственных нужд, а также упомянутое средство для управления общими условиями работы преобразователей. В случае если происходит что-либо радикальное, такое как землетрясение, пожар или подобное, имеется риск, что оказывается воздействие более чем на одно здание, так что повышаются потери мощности и экономические по отношению к случаю, когда такое событие ограничивается только одним зданием.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в обеспечении преобразовательной подстанции описанного во введении типа, в которой надежность передачи повышена относительно таких уже известных преобразовательных подстанций. Эта задача согласно изобретению достигается путем обеспечения такой преобразовательной подстанции, в которой упомянутая установка управления содержит отдельное устройство управления для управления каждым преобразователем преобразовательной подстанции, подстанция имеет для каждого преобразователя отдельное средство обеспечения питания собственных нужд, для каждого преобразователя устанавливается отдельное средство управления общими условиями работы, делающее каждый преобразователь автономным, и упомянутые залы преобразовательных вентилей отделяются друг от друга на существенное расстояние каждым упомянутым устройством управления и средством, установленным в связи с соответствующим залом.
Такое физическое разделение вентильных залов расстоянием между ними стало возможным благодаря тому, что автономная конструкция каждого преобразователя снижает риск, что пожар или подобное в этом здании воздействует более чем на одно здание, и потери мощности и экономические, таким образом, сводятся к минимуму. Это также упрощает построение одного вентильного зала единовременно, и передача энергии может начинаться раньше и повышаться через какое-то время при постройке для этой цели дополнительных залов вентилей.
Согласно варианту осуществления изобретения упомянутая преобразовательная подстанция имеет в составе, по меньшей мере, три упомянутых преобразователя, установленных, каждый, в отдельном вентильном зале, подстанция содержит, по меньшей мере, столько отдельных источников питания собственных нужд, назначенных по одному на каждый преобразователь, каково число преобразователей, и эти источники питания собственных нужд соединены, чтобы действовать в качестве резервного средства друг для друга в том смысле, что если отказывает источник питания собственных нужд, назначенный одному преобразователю, то источник питания собственных нужд, назначенный любому из других преобразователей, соединяется для подачи питания собственных нужд также к упомянутому одному преобразователю, обеспечивая резервирование посредством остающегося источника питания собственных нужд или источников питания собственных нужд. Это означает, что может продолжаться подача питания собственных нужд к оборудованию в упомянутой преобразовательной подстанции даже при перерыве в подаче в любом из источников питания собственных нужд или помещений, связанных с преобразователем.
Согласно другому варианту осуществления изобретения преобразовательная подстанция имеет в составе четыре преобразователя и четыре упомянутых источника питания собственных нужд, действующие в качестве резервного средства друг для друга, что может иметь место для двухполюсной системы передачи HVDC, имеющей два преобразователя, соединенных последовательно между установкой нейтрали DC и каждым полюсом для возможности получения между землей и упомянутым полюсом напряжений порядка 600 кВ или выше. Это означает, что если один из этих четырех источников отказывает, то воздействие будет оказано только на этот конкретный полюс. Этот полюс продолжит работать с полной нагрузкой, но без резервирования. Другой полюс будет оставаться в работе с полной нагрузкой и при полном резервировании.
Согласно другому варианту осуществления изобретения два источника из источников питания являются внешними источниками питания, соединенными с преобразовательной подстанцией через сеть электроснабжения, являющуюся независимой от работы упомянутой системы передачи, и два источника из источников питания являются источниками питания, включенными в состав преобразовательной подстанции.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутые источники питания собственных нужд выполнены с возможностью иметь напряжение 5 кВ-15 кВ, приблизительно 10 кВ. При распределении энергии преобразователя на 10 кВ (а не на более низком напряжении) уменьшаются размеры кабеля.
Согласно другому варианту осуществления изобретения преобразовательная подстанция имеет в составе два упомянутых преобразователя, соединенных последовательно между полюсом положительной полярности упомянутой линии передачи и заземленной шиной нейтрали, и два упомянутых преобразователя, соединенных последовательно между полюсом отрицательной полярности линии электропередачи и упомянутой шиной нейтрали.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения каждый упомянутый преобразователь содержит последовательное соединение множества преобразовательных вентилей и множества элементов, соединенных с AC-стороной преобразователя путем соединения каждого с точками упомянутого последовательного соединения между последующими упомянутыми преобразовательными вентилями для вывода на трансформаторы из зала преобразовательных вентилей, и каждый упомянутый преобразователь содержит упомянутые соединительные элементы на обеих из двух противоположных сторон упомянутых преобразовательных вентилей и тем самым содержит трансформаторы на противоположных сторонах упомянутого преобразовательного зала. Это означает, что преобразовательные вентили такого преобразователя в преобразовательной подстанции могут располагаться более компактно, например в виде учетверенного количества вентилей вместо удвоенного количества вентилей, и при этом можно получать наличие достаточного электрического изоляционного расстояния между соединениями с трансформаторами, поскольку этих соединений на каждой стороне зала преобразователей меньше, чем прежде. Тогда выгодно половину упомянутых трансформаторов, относящихся к каждому преобразователю, иметь расположенными на одной стороне зала и половину трансформаторов иметь на другой его стороне. Объединение этого с установкой упомянутых вентилей в колонну числом в два раза больше числа преобразовательных вентилей означает, что длина упомянутого зала преобразовательных вентилей может быть уменьшена по существу наполовину при экономии пространства в то же время, поскольку работа электрической шины между преобразователем и трансформаторами упрощается.
Согласно другому варианту осуществления изобретения каждый упомянутый преобразователь содержит упомянутое последовательное соединение, по меньшей мере, четырех упомянутых преобразовательных вентилей, установленных на вершине друг друга в одну колонну, и упомянутые соединительные элементы для AC-стороны соединяются с точками упомянутого последовательного соединения между каждым вторым преобразовательным вентилем, например, как между первым и вторым, третьим и четвертым и так далее.
Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутое последовательное соединение преобразовательных вентилей для каждого упомянутого преобразователя имеет четыре преобразовательных вентиля и один упомянутый соединительный элемент для AC-стороны на каждой из двух противоположных сторон упомянутой колонны и тем самым на противоположных сторонах упомянутого зала преобразовательных вентилей. Это означает наличие только одного упомянутого соединительного элемента на каждой стороне колонны преобразовательных вентилей для четырех таких преобразовательных вентилей.
Согласно другому варианту осуществления изобретения каждый преобразователь преобразовательной подстанции содержит три упомянутых колонны из четырех соединенных последовательно преобразовательных вентилей, установленных в ряд и соединенных параллельно друг с другом, и каждая колонна имеет один упомянутый соединительный элемент с упомянутой AC-стороной на каждой из двух противоположных сторон упомянутого ряда. Это означает наличие трех соединительных элементов на каждой стороне упомянутого ряда вместо шести для такой 12-импульсной конфигурации известных преобразователей.
Согласно другому варианту осуществления изобретения преобразователь содержит множество разрядников защиты от перенапряжений, соединенных последовательно между упомянутыми двумя концами последовательного соединения преобразовательных вентилей DC-стороны с одним разрядником защиты от перенапряжений, соединенным параллельно с каждым преобразовательным вентилем, последовательное соединение разрядников защиты от перенапряжений имеет первую часть, установленную на одной стороне упомянутого последовательного соединения преобразовательных вентилей, и последующую вторую часть, установленную на противоположной стороне упомянутого последовательного соединения преобразовательных вентилей, и упомянутые две части являются взаимосвязанными посредством электрической линии, проводящей с одной стороны на другую через свободное пространство между двумя упомянутыми преобразовательными вентилями. Обеспечивая такое свободное пространство между двумя последующими преобразовательными вентилями упомянутого последовательного соединения разрядников путем простого пропуска одного слоя или половины такого слоя, полная высота колонны наложенных преобразовательных вентилей увеличится только незначительно.
Согласно другому варианту осуществления изобретения каждый преобразователь на одной стороне зала преобразовательных вентилей имеет соединяемые по схеме «звезда» (Y) трансформаторы, соединенные с упомянутыми соединительными элементами, и на другой стороне зала преобразовательных вентилей имеет соединяемые по схеме «треугольник» (Δ) трансформаторы, соединенные с упомянутыми соединительными элементами, и упомянутые Y-трансформаторы, и упомянутые Δ-трансформаторы взаимосвязаны проводниками, проводящими через крышу упомянутого зала преобразователей. «Проводники» могут быть любого типа, такими как рельсы, электрические линии или подобное. Это дает простой способ соединения упомянутых Y-трансформаторов и Δ-трансформаторов друг с другом для получения качества, требуемого для постоянного напряжения на линии электропередачи на постоянном напряжении. Это также упрощает удаление трансформатора в случае отказа такового.
Согласно другому варианту осуществления изобретения преобразовательная подстанция выполнена с возможностью соединения AC-системы с линией передачи HVDC, выполненной с возможностью иметь между ее полюсом и землей напряжение, превышающее 200 кВ, преимущественно превышающее напряжение 500 кВ, предпочтительно являющееся напряжением 600 кВ-1500 кВ, и наиболее предпочтительно являющееся напряжением 600 кВ-1000 кВ. Изобретение тем более интересно, чем выше упомянутое напряжение, хотя оно также может подходить для напряжений, являющихся более низкими в данном контексте, что означает, например, порядок в 200 кВ.
Изобретение также относится к системе передачи HVDC (постоянного тока высокого напряжения), имеющей преобразовательные подстанции согласно изобретению, которая может извлечь пользу из подходящей конструкции упомянутых преобразовательных станций и повышенной надежности таковых.
Дополнительные преимущества, а также полезные признаки изобретения последуют из нижеследующего описания вариантов осуществления такового.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Со ссылкой на сопроводительные чертежи ниже следует конкретное описание преобразователя в соответствии с предшествующим уровнем техники, а также преобразовательных подстанций согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
На чертежах:
фиг.1 - условный схематический вид, иллюстрирующий систему передачи HVDC (постоянного тока высокого напряжения) с преобразовательными подстанциями, которые могут иметь тип согласно изобретению,
фиг.2 - условный схематический вид, иллюстрирующий известный преобразователь с 12-импульсной конфигурацией для такой преобразовательной станции,
фиг.3 - упрощенный вид с конца преобразователя в преобразовательной подстанции согласно варианту осуществления изобретения,
фиг.4 - упрощенный вид, иллюстрирующий общую структуру преобразовательной подстанции согласно варианту осуществления изобретения, и
фиг.5 - схематический вид, иллюстрирующий расположение различного оборудования в преобразовательной подстанции согласно варианту осуществления изобретения и выполнение различных соединений с этим оборудованием.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПОДСТАНЦИИ
На фиг.2 иллюстрируется известный, так называемый 12-импульсный мостовой преобразователь для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение и обратно в преобразовательной подстанции системы передачи HVDC, соответствующей показанному на фиг.1 типу. Этот преобразователь имеет три последовательных соединения из четырех преобразовательных вентилей 11', 12', 13' и 14' каждое, и упомянутые последовательные соединения соединены параллельно друг с другом, чтобы соединяться с помощью разноименных концов 15' и 16' с высоким потенциалом и низким потенциалом упомянутой DC-стороны соответственно. Каждое упомянутое последовательное соединение выполняется при этом в виде двух колонн, имеющих, каждая, два наложенных один на другой преобразовательных вентиля. Показано, каким образом точки между двумя преобразовательными вентилями каждой колонны обеспечиваются элементами 17' для соединения каждой из них с трансформатором 18', так что таким образом шесть трансформаторов устанавливаются на одной стороне ряда колонн преобразовательных вентилей так, что образуют длинную составную электрическую шинную конструкцию внутри вентильного зала, используя большую площадь для упомянутого вентильного зала. Является необходимым электрическое изоляционное расстояние (воздушный промежуток) между каждым соединением, и потребуется дополнительная площадь и воздушное пространство, также способствующие тому, что упомянутый вентильный зал становится более длинным.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.3 иллюстрируется схематично выгодная структура преобразователя в преобразовательной подстанции согласно изобретению. Этот преобразователь показан с одного конца, так что показывается только одна из трех, установленных в ряд колонн. Соответственно она является 12-импульсным мостовым преобразователем, имеющим последовательное соединение четырех преобразовательных вентилей 11-14, установленных в одну колонну на вершине друг друга. Такая показанная на чертеже колонна должна быть изолирована по отношению к крыше 19 зала преобразовательных вентилей посредством изоляционного элемента 20. DC-сторона преобразователя соединена с упомянутой преобразовательной колонной на его противоположных сторонах посредством соединения 21 с полюсом линии передачи HVDC и соединения 22 с шиной нейтрали преобразовательной подстанции. Разрядники защиты от перенапряжений 23-26 соединяются последовательно между упомянутыми DC-соединениями 21, 22, причем один разрядник защиты от перенапряжений соединяется параллельно с каждым преобразовательным вентилем для его защиты от перенапряжения. Одна часть последовательного соединения разрядников защиты от перенапряжений, а именно два из них, 23 и 24, устанавливается на одной стороне колонны преобразовательных вентилей, а другая часть устанавливается на другой стороне колонны, являясь взаимно соединенной электрической линией 27, проводящей с одной стороны на другую через свободное пространство 28 между двумя упомянутыми преобразовательными вентилями 12, 13. Упомянутую электрическую линию образует рельс, кабель или что-либо подобное. Каждый преобразовательный вентиль содержит множество наложенных друг на друга слоев, содержащих мощные полупроводниковые приборы, и упомянутое свободное пространство 28 предпочтительно образуется путем оставления расстояния между двумя последующими преобразовательными вентилями приблизительно в половину такого уровня.
Показано, каким образом могут располагаться элементы 17, соединяющие с точками последовательного соединения преобразовательных вентилей между последующими преобразовательными вентилями на противоположных сторонах 30, 31 преобразователя для соединения с трансформаторами 18 на его противоположных сторонах, так что имеют место описанные выше преимущества.
На фиг.4 условно в виде схемы иллюстрируется часть преобразовательной подстанции согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Преобразовательная подстанция имеет в составе четыре преобразователя, и на чертеже показаны залы 40, 41 преобразовательных вентилей для двух преобразователей, соединенных последовательно между нейтральной шиной упомянутой установки нейтрали DC и полюсом 4 положительной полярности, и два дополнительных таких преобразовательных вентильных зала расположены слева от них, как видно на чертеже, в соответствующем расположении между упомянутой шиной 42 нейтрали и полюсом отрицательной полярности (не показано) линии передачи. Преобразователь в первом зале 40 преобразовательных вентилей выполнен с возможностью создавать напряжение приблизительно 400 кВ между своим выводом 43 и упомянутой шиной 42 нейтрали, тогда как преобразователь другого зала 41 преобразовательных вентилей приспособлен, чтобы поднимать напряжение между упомянутым полюсом 4 и шиной 42 нейтрали приблизительно до 800 кВ.
Показано, каким образом три Y-трансформатора 18" устанавливаются на одной стороне каждого зала преобразовательных вентилей и соединяются с преобразователем, и Δ-трансформаторы 18''' устанавливаются на другой стороне зала преобразовательных вентилей и соединяются с преобразователем. Y-трансформаторы и Δ-трансформаторы, относящиеся к одному преобразователю, соединяются посредством токопроводящих рельсов 45, проходящих через всю крышу 46 зала преобразовательных вентилей. Схематично проиллюстрировано, каким образом AC-линии 47, 48 соединяются со станцией, будучи соединяемыми с этими трансформаторами.
Каждый преобразователь является автономным в том смысле, что он имеет отдельную установку 49, 50 управления, выполненную с возможностью управления работой преобразователя, а также средство для обеспечения преобразователей питанием собственных нужд (будет показано на фиг.5 и описано ниже), а также средство 51, 52 для управления общими условиями работы преобразователей, такими как охлаждение компонентов такового. Это также делает возможным располагать залы 40, 41 преобразовательных вентилей со значительным расстоянием между ними, таким как 50 м или более, снижая риск, что под воздействием окажется более одного здания, если одно такое здание зала преобразовательных вентилей подвергнется пожару или чему-либо подобному, и, таким образом, потери мощности и экономические сводятся к минимуму.
На фиг.5 схематично иллюстрируется общая структура преобразовательной подстанции согласно варианту осуществления настоящего изобретения. При этом также показываются залы 60, 61 преобразовательных вентилей, соединенные между шиной нейтрали и отрицательным полюсом линии передачи HVDC. Станция содержит отдельный источник 71-74 питания собственных нужд для каждого преобразователя 100-103, и эти источники питания собственных нужд соединены, чтобы действовать в качестве резервного средства друг для друга в том смысле, что если отказывает источник питания собственных нужд, назначенный одному преобразователю, источник питания собственных нужд, назначенный любому из других преобразователей, соединяется, чтобы подавать питание собственных нужд к также упомянутому преобразователю, обеспечивая при этом резервирование посредством остающихся источников питания собственных нужд. Два источника из источников 72, 73 питания являются внешними источниками питания, соединенными с преобразовательной станцией через сеть электроснабжения, являющуюся независимой от работы системы передачи, и два источника 71, 74 из источников питания собственных нужд являются источниками питания собственных нужд, включенными в состав преобразовательной подстанции. Источники питания собственных нужд выполнены с возможностью иметь напряжение приблизительно 10 кВ, и каждый преобразователь имеет свое собственное распределительное устройство 75-78 на 10 кВ для дополнительного распределения низкого напряжения внутри преобразователя. Это означает, что подача питания собственных нужд на преобразователи может продолжаться даже при перерыве в подаче в любом из помещений обеспечения питания собственных нужд, связанном с преобразователем.
Дополнительно показано, каким образом каждый преобразователь имеет холодильное оборудование 80 преобразовательного вентиля, оборудование 81 для охлаждения трансформаторов, связанных с этими вентилями, средство 82 для вентиляции и освещения зала преобразовательных вентилей, зарядные устройства 83 батарей и установку 84, предназначенную для отопления и вентиляции служебного здания.
Преобразовательная подстанция также содержит здание 90 станции с зарядными устройствами 91 станции и установкой 92 для отопления, вентиляции и освещения здания управления станцией.
Изобретение, безусловно, не является каким-либо образом ограниченным описанными выше вариантами осуществления, но многие возможности для его модификаций будут очевидны среднему специалисту в данной области техники без выхода за рамки основной идеи изобретения, определенной в прилагаемой формуле изобретения.
Подстанция, например, может иметь более двух залов преобразовательных вентилей между шиной нейтрали и полюсом. Также очевидно, что преобразовательная подстанция может быть соединена с линией передачи HVDC, имеющей только один полюс.