Блог о качестве/конденсаторах
Высоковольтные диоды для передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и высоковольтных силовых систем.
Высоковольтная передача постоянного тока стала ключевой технологией в современной энергетике, удовлетворяя растущую потребность в эффективной передаче энергии.
Высоковольтные конденсаторы и диоды для передачи постоянного тока высокого напряжения.
Инженерный ответ
Высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) передают электроэнергию на большие расстояния и между сетями с гораздо меньшими потерями, чем переменный ток. Преобразовательные станции на каждом конце — выпрямитель и инвертор — работают на основе блоков тиристоров или IGBT-транзисторов, а пассивные компоненты вокруг них — конденсаторы фильтра постоянного тока, демпфирующие резисторы, выравнивающие резисторы и демпфирующие лампы — определяют стабильность, гармоники и срок службы.
- Фильтрующие конденсаторы постоянного тока поглощают пульсации преобразователя: по ним протекают гармонические токи на частотах сети и переключения, поэтому их номинальный ток определяется по силе тока.
- Демпфирующие цепи формируют схему переключения вентилей таким образом, чтобы полупроводники выдерживали воздействие колебаний di/dt и dv/dt.
- Корректирующие резисторы поддерживают постоянное напряжение на последовательно соединенных блоках ламп; стабильность их соотношения определяет распределение напряжения.
Резюме
Высоковольтные преобразовательные подстанции постоянного тока (HVDC) — это крупнейшие в мире высоковольтные силовые электронные системы, и их надежность зависит от пассивных компонентов, значение которых легко недооценить. В этой статье рассматриваются функции фильтров постоянного тока, демпфирующих и выравнивающих элементов, нагрузки, которым подвергается каждый компонент, а также способы выбора высоковольтных конденсаторов, резисторов и диодов для преобразовательных подстанций, рассчитанных на десятилетия эксплуатации.
1. Контекст применения: преобразователи на обоих концах.
Высоковольтная линия постоянного тока преобразует переменный ток в постоянный на передающем конце и обратно на принимающем конце. Каждый преобразователь генерирует гармоники и переходные процессы при переключении, которые пассивная сеть должна поглощать:
На стороне постоянного тока осуществляется фильтрация для предотвращения распространения гармоник по линии, а каждая вентиля защищена демпфирующими и выравнивающими цепями. Фильтрующие конденсаторы непрерывно пропускают пульсации тока преобразователя — это самая ресурсоемкая задача на станции после самих вентилей.
2. Технические требования
2.1 Ток фильтра постоянного тока. Фильтрующий конденсатор поглощает характеристические гармоники преобразователя:
2.2 Демпфер клапана. Демпфирующий резистор ограничивает переходный процесс выключения на полупроводнике:
2.3 Оценивание и обмен результатами. При последовательном соединении клапанов необходимы согласованные пути утечки, чтобы постоянное напряжение делилось равномерно:
2.4 Характеристические гармоники. Линейно-коммутируемый преобразователь генерирует характеристические гармоники с обеих сторон. На стороне постоянного тока преобладают 12-импульсные кратные:
Фильтр постоянного тока представляет собой настроенную ловушку для этих гармоник, и его конденсаторы должны непрерывно пропускать гармонический ток каждого порядка. Именно поэтому выбор конденсатора фильтра начинается с гармонического спектра — тока каждого порядка — а не с одного значения емкости.
Рис. 1 — Преобразовательная станция ВН постоянного тока: вентили, фильтр постоянного тока и линия электропередачи.
3. Проблемы, с которыми сталкиваются инженеры (обратная связь с места событий)
Проблема 1 — Перегрев фильтрующих конденсаторов. «Конденсатор фильтра постоянного тока нагревался настолько сильно, что от него пахло». Он был рассчитан на постоянное напряжение, но не на гармонический ток. Фильтрующие конденсаторы с номинальным током работали при низкой температуре, и гармоники не возникали.
Боль 2 — Неисправности клапанов вследствие быстрых переходных процессов. «При выключении клапана произошла ошибка — демпфирующий конденсатор был недостаточно мощным». Значение dv/dt превысило предел для полупроводниковых элементов. Увеличение емкости демпфирующего конденсатора и установка соответствующего демпфирующего резистора устранили проблему при выключении.
Боль 3 — Неравномерное распределение постоянного тока. «Все напряжение передавалось одному устройству в стеке». Резисторы выравнивания напряжения изменялись со временем. Высоковольтные сети выравнивания напряжения с низким температурным коэффициентом сопротивления (TCR) обеспечивали равномерное распределение напряжения в течение многих лет.
4. Сравнение конденсаторов для обслуживания преобразователя.
| Параметр | Фильтрующий класс HVC | Универсальный высоковольтный конденсатор |
|---|---|---|
| Номинальный гармонический ток | высокая | низкокачественными |
| ЭПР на частоте переключения | низкокачественными | высокая |
| Долгосрочная ИК-терапия | высокая | дрейфующий |
| Самовосстановление / снижение оценки | контроль | неизвестный |
Как использовать это сравнение. Для преобразовательной станции, которая должна работать между капитальными ремонтами, класс фильтра HVC является базовым: номинальный ток гармоник определяет срок службы конденсатора. Для небольшого преобразователя с малой нагрузкой может быть приемлема деталь среднего класса, но сначала необходимо проверить ее номинальный ток в соответствии со спектром. Сеть гармоник всегда должна иметь низкий температурный коэффициент сопротивления и быть согласованной — точность распределения защищает каждую лампу в каскаде.
5. Выбор и решение HVC
| Позиция | Рекомендуемая серия HVC | Напряжение | Ключевые спецификации |
|---|---|---|---|
| конденсатор фильтра постоянного тока | Высоковольтные керамические дисковые конденсаторы, N4700 | модуль кВ | Номинальный ток, низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). |
| демпфер клапана | Высоковольтные керамические дисковые конденсаторы + HVR | на клапан кВ | Низкие потери, импульсный режим работы |
| градуировочный резистор | Резисторная сеть HVR | 5–35 кВ | Соотношение ±0.5%, низкий TCR |
| Protection | HVD-диод | PIV 5–30 кВ | Лавина, быстрая |
① Фильтры, пропускающие гармоники. Конденсаторы N4700 с номинальным током поглощают пульсации преобразователя, не перегреваясь, и поддерживают чистоту линии постоянного тока на протяжении десятилетий.
② Демпферы, защищающие клапаны. Конденсаторы с низкими потерями и импульсные резисторы HVR формируют сигнал выключения таким образом, чтобы каждый полупроводник оставался внутри своей полупроводниковой области оптики (SOA).
③ Система оценок, которая обеспечивает баланс. Высоковольтные сети с низким коэффициентом трения обеспечивают равномерное распределение постоянного напряжения по всей системе из года в год.
6. Пример из практики инженерного проектирования (ссылка)
Речь идёт о подстанции ±500 кВ, 3 ГВт, работающей в режиме "спина к спине", где замена фильтрующих конденсаторов постоянного тока производилась каждые 18 месяцев, а в квартал регистрировалась одна неисправность, приводящая к отключению вентиля. Анализ показал, что фильтрующие элементы были рассчитаны только на постоянный ток, а согласующая сеть вышла из строя. В ходе модернизации были установлены фильтрующие конденсаторы N4700 с номинальным током, согласующие сети HVR с низким температурным коэффициентом сопротивления и скоординированные демпфирующие элементы:
| Измеряемый параметр | Перед тем, как | После |
|---|---|---|
| Срок службы фильтрующего конденсатора | 18 месяцев. | > 6 лет |
| температура корпуса крышки фильтра | 88 ° С | 52 ° С |
| Количество отказов клапанов в год | 3 | 0 |
| Дисбаланс постоянного напряжения на всей сборке | ± 7% | ± 1.2% |
Теперь станция работает между капитальными ремонтами без незапланированных остановок. В системах HVDC пассивная сеть является тихой основой — если оценить её по уровню гармоник, она прослужит дольше любой вентили.
Обсуждение кейса. Температура фильтрующего конденсатора говорила сама за себя: при 88 °C он находился на пределе своих номинальных характеристик, поэтому любой летний пик превышал этот предел. Ремонт заключался не только в замене деталей — он также изменил воздушный поток, чтобы самый горячий конденсатор оставался ниже кривой снижения мощности. Второй урок касается гармонического спектра. Инженер станции всегда рассчитывал мощность фильтра по значению емкости; ремонт же основывался на измеренном токе гармоник на порядок, то есть на том числе, который фактически нагревает деталь. Те же две привычки — измерять реальную нагрузку, а затем снижать мощность в соответствии с реальными условиями окружающей среды — применимы к каждому преобразователю: постоянный фильтр, демпфирующие цепи и согласующая сеть — все они зависят от условий эксплуатации, а не от технических характеристик. Если правильно рассчитать параметры один раз, станция будет работать годами.
7. Рекомендации по проектированию
- Номинальный гармонический ток: Фильтрующий конденсатор постоянного тока испытывает нагрузку от гармонического спектра преобразователя, а не от уровня постоянного тока — получите спектр и определите номинальные параметры компонента в соответствии с ним.
- ЭПР на частоте переключения: Потери в фильтре на частоте преобразователя определяют температуру конденсатора; компоненты с низким эквивалентным последовательным сопротивлением удваивают срок службы при том же токе.
- Градационный резистор TCR: Распределение постоянного тока между последовательно соединенными блоками ламп зависит от согласованных резисторов с низким температурным коэффициентом сопротивления — дрейф в 100 ppm/°C приводит к дисбалансу блока в жаркую погоду.
- Координация демпфирующих устройств: Емкость демпфирующего элемента и сопротивление демпфирования должны быть согласованы с характеристиками закрытия клапана — сначала измерьте, а затем подберите размер.
- Надежность в десятилетнем масштабе: Преобразовательные станции рассчитаны на 30 и более лет эксплуатации; для них требуются долгосрочные данные по ИК-излучению и частичным разрядам, а не показатели первого года.
- Избыточное зондирование: Цепи разделителей и датчиков с резервированием позволяют системе управления работать даже при отказе одного элемента.
Контрольный список проверки.
- Измерьте спектр тока фильтрующего конденсатора и убедитесь, что все гармоники находятся в пределах номинальных значений.
- Проверьте температуру корпуса конденсатора при работе преобразователя в номинальных условиях.
- Зафиксируйте распределение постоянного напряжения на блоке клапанов в зависимости от температуры окружающей среды (от холодной до горячей).
- Проведите тест отключения демпфирующей цепи и убедитесь, что значение dv/dt ниже предельного значения для устройства.
- Проведите тестирование на частичные разряды при номинальном напряжении и убедитесь, что уровни находятся в пределах допустимых значений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Подстанции HVDC строятся для передачи гигаваттной мощности в течение десятилетий, и их пассивная сеть должна соответствовать этим амбициям. Фильтры N4700 с номинальным током, низкотемпературный коэффициент сопротивления HVR и демпфирующие цепи с низкими потерями от HVC обеспечивают преобразователю необходимую бесшумную основу — лампы могут быть главными элементами, но пассивные компоненты — это фундамент.
8. Рекомендации
- МЭК 62501:2009, Клапаны преобразователей напряжения (VSC) для передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC).Женева, Швейцария: МЭК.
- АББ АБ, HVDC Light — Пришло время подключитьсяЛудвика, Швеция: ABB.
- Р. В. Эриксон и Д. Максимович, Основы силовой электроники, 3-е изд. Шам, Швейцария: Springer, 2020.
- Н. Мохан, Т.М. Унделанд и У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси, США: Wiley, 2003.
- 王兆安、刘进军主编，《电力电子技术》(Power Electronics Technology), 第5版. 北京: 机械工业出版社, 2009 г. (на китайском языке)
Сопутствующие товары HVC
Высоковольтные конденсаторы и диоды для систем управления батареями электромобилей (BMS)
Следующая →Многослойные конденсаторы в виде дверных ручек. Масштабируемое напряжение для мощных лазеров.