เมนูนำทาง
ระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง
หัวใจของสถานีแปลง HVDC คืออุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพในการแปลงไปมาระหว่างไฟ AC และไฟ DC หรือ Converter. converter ของระบบ HVDC เกือบทุกตัวสามารถแปลงจาก AC เป็น DC (Rectifier) หรือจาก DC ไป AC (Inverter) ได้ ถึงแม้ว่าในระบบ HVDC หลายระบบ ถูกปรับปรุงให้มีการไหลของกระแสไฟฟ้าในทิศทางเดียวเท่านั้น. โดยไม่คำนึงถึงว่า ตัว converter จะถูกออกแบบมาอย่างไร สถานีที่เปลี่ยนกระแสจาก AC เป็น DC จะถูกเรียกว่า rectifier ส่วนสถานีที่เปลี่ยนจาก DC ไป AC จะเรียกว่า Inverter
ระบบ HVDC รุ่นแรกๆใช้การแปลงแบบเครื่องกลไฟฟ้า (ระบบ Thury) แต่หลังจากนั้นทุกระบบ HVDC สร้างที่ขึ้นตั้งแต่ปี 1940 เป็นต้นมาจะใช้การแปลงแบบอิเล็กทรอนิกส์ (static) ตัวแปลงอิเล็กทรอนิกส์สำหรับ HVDC จะแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่:
ระบบ HVDC ในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้วิธีการแปลงกระแสไฟฟ้าด้วยวิธีนี้
ตัวอย่างของ Three-phase bridge rectifier circuit 6 พั้ลส์, ใช้ thyristors เป็น switching elements (วาล์ว)รูปแบบพื้นฐานของ LCC ใช้ rectifier แบบ bridge สามเฟส หรือ bridge หกพั้ลส์ ที่ประกอบด้วยสวิทช์อิเล็กทรอนิกส์หกตัว แต่ละตัวต่อเฟสใดเฟสหนึ่งเข้ากับราง DC โดยต่อรางบวกหนึ่งตัว รางลบหนึ่งตัว ชิ้นส่วนสวิทชิ่งที่สมบูรณ์มักจะถูกเรียกว่าวาล์ว อย่างไรก็ตามด้วยการเปลี่ยนเฟสใดๆทุก ๆ 60°, harmonic distortion จะถูกสร้างขึ้นที่ขั้ว DC และ AC
ตัวอย่างของวงจรเรียงกระแสแบบ 12 พั้ลส์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ จะใช้ 12 วาล์ว ใน บริดจ์ 12 พั้ลส์ AC 3 เฟสจะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน ชุดหนึ่งถูกจัดให้ secondary เป็นแบบ star อีกชุดหนึ่งเป็น delta ซึ่งจะทำให้เฟสของทั้งสองชุดต่างกัน 30° เมื่อต่อวาล์วทั้ง 12 ตัวเข้าไปเหมือนแบบ 6 พัลส์ จะได้รูปคลื่น 12 พั้ลส์ และฮาโมนิคส์ที่ต่ำมาก ด้วยเหตุนี้ระบบ 12 พั้ลส์ได้กลายเป็นมาตรฐานตั้งแต่ปี 1970
ระบบ LCC แรกๆ ใช้วาล์วปรอทอาร์ค ซึ่งทนทานแต่ต้องการการบำรุงรักษาสูง ด้วยเหตุนี้หลายระบบ HVDC ปรอทอาร์คถูกสร้างขึ้นพร้อมสวิตช์บายพาสข้ามแต่ละบริดจ์ 6-พัลส์เพื่อให้ระบบ HVDC สามารถที่จะทำงานได้ในโหมด 6 พั้ลส์ในระยะเวลาสั้น ๆ ของการบำรุงรักษา ระบบปรอทอาร์คล่าสุดถูกปิดลงในปี 2012
วาล์ว thyristor ถูกใช้เป็นครั้งแรกในระบบ HVDC ในปี 1972 thyristor เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์คล้ายกับไดโอด แต่มีขั้วควบคุมพิเศษที่ใช้ในการปิด-เปิดอุปกรณ์ในทันทีในช่วงวงรอบ AC. เพราะแรงดันไฟฟ้าในระบบ HVDC สูงถึง 800 กิโลโวลต์ในบางกรณี มากเกิน breakdown voltage ของ thyristors ที่ใช้, วาล์ว thyristor หลายๆตัวต้องถูกนำมาต่ออนุกรมกัน จะถูกสร้างขึ้นโดยใช้จำนวนมาก thyristors ในชุด ส่วนประกอบ passive เพิ่มเติมเช่นตัวเก็บประจุและตัวต้านทานจะต้องถูกนำมาต่อขนานกับ thyristor แต่ละตัว เพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันในตัววาล์วที่ใช้ร่วมมีกันมีขนาดเท่า ๆ กันระหว่าง thyristors แต่ละตัว
ชั้นที่วางซ้อนกันของวาล์วทายริสเตอร์สำหรับขั้ว 2 ของ HVDC ระหว่างเกาะเหนือและเกาะใต้ของประเทศนิวซีแลนด์ บุคคลในภาพแสดงขนาดของวาล์วเพราะ thyristors สามารถเปิดเท่านั้น (ปิดไม่ได้) ระบบควบคุมทำได้เพียงสั่งให้เปิดเท่านั้น ซึ่งเป็นข้อจำกัดในบางกรณี
มีอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำประเภทอื่น เช่น insulated-gate bipolar transistor (IGBT) ที่สามารถควบคุมได้ทั้งเปิดและปิด ซึ่งสามารถถูกนำมาใช้เป็นตัวเปลี่ยนทำงานได้เอง ในตัวแปลงดังกล่าว ขั้วของ DC voltage และค่าของ voltage จะคงที่ ด้วยเหตุนี้การแปลงด้วย IGBTs มักจะเรียกว่า voltage sourced converter ความสามารถควบคุมที่เพิ่มขึ้นให้ข้อดีหลายประการโดยเฉพาะอย่างยิ่งความสามารถในการสวิทช์ IGBTs ให้เปิดและปิดหลายครั้งต่อรอบเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของฮาร์โมนิค. เมื่อเปลี่ยนทางได้เอง,ตัวแปลงไม่ต้องอาศัยเครื่องซิงโครนัสในระบบ AC อีกต่อไป เพราะฉะนั้น voltage sourced converter จึงสามารถป้อนพลังงานเข้าไปในโครงข่าย AC ที่ประกอบด้วย passive load เท่านั้น ซึ่งเป็นสิ่งที่ LCC HVDC ทำไม่ได้
ระบบ HVDC ที่ใช้ voltage sourced converters ตามปกติจะใช้การเชื่อมต่อแบบหก-พั้ลส์เพราะตัวแปลงผลิต harmonic distortion น้อยกว่า LCC มาก ทำให้การเชื่อมต่อสิบสอง-พั้ลส์ไม่จำเป็น
ระบบ HVDC VSC ส่วนใหญ่ที่สร้างก่อนปี 2012 อยู่บนพื้นฐานของการแปลงสองระดับ ซึ่งสามารถถูกคิดได้ว่าเป็น 6 pulse bridge โดยที่ thyristors ได้ถูกแทนที่ด้วย IGBTs กับไดโอดที่ขนานและกลับหัวกัน และเครื่องปฏิกรณ์ทำ DC ให้เรียบได้ถูกแทนที่โดยตัวทำ DC ให้เรียบโดย capacitor ซึ่งทำงานแบบ pulse-width modulation (PWM) เพื่อแก้ปัญหา harmonic distortion ใน converter
ที่ฝั่ง AC ของแต่ละ converter ใช้หม้อแปลงวางเป็นแถว ส่วนใหญ่เป็นหม้อแปลงเฟสเดียว 3 ตัวแยกไม่ติดกัน แยกอยู่ต่างหากออกจาก AC supply ทำตัวเป็นสายดิน และให้แน่ใจว่าได้ DC voltage สุดท้ายที่ถูกต้อง output ของหม้อแปลงเหล่านี้จะถูกต่อเข้าไปยัง converter
หม้อแปลง converter สำหรับระบบ LCC HVDC มีความสามารถมากเพราะกระแสฮาร์โมนิคระดับสูงไหลผ่านตัวมัน และเพราะฉนวนในขดลวด secondary ได้รับแรงดัน DC ถาวรซึ่งมีผลต่อการออกแบบของโครงสร้างฉนวน (ด้านวาล์วต้องใช้ฉนวนที่แข็งแรงกว่า) ภายในถัง. ใน LCC หม้อแปลงยังต้องให้ phase shift 30° ที่จำเป็นสำหรับการหักล้างฮาร์โมนิค
หม้อแปลง converter สำหรับระบบ VSC HVDC การออกแบบมักจะเรียบง่ายมากกว่าของระบบ LCC HVDC
ข้อเสียเปรียบหลักของระบบ HVDC ที่ใช้ตัวแปลงแบบ LCC คือโดยเนื้อแท้แล้ว converter กินพลังงานปฏิกิริยา (Reactive Power) กระแสไฟฟ้า AC ที่ไหลเข้าใน converter จะตามหลังแรงดัน, converter จะดูดซับ reactive โดยมีพฤติกรรมในลักษณะเดียวกับเป็น shunt reactor reactive power จะดูดซึมอย่างน้อย 0.5 MVAR / MW ภายใต้เงื่อนไขที่จินตนาการและสามารถที่จะสูงกว่านี้เมื่อ converter มีการทำงานที่สูงกว่ามุมยิงหรือมุมการสูญเสียปกติหรือลดแรงดัน DC
แม้ว่าที่สถานี converter ระบบ HVDC เชื่อมต่อโดยตรงกับสถานีพลังงาน บาง reactive power อาจได้รับจากตัว generator เอง ส่วนใหญ่แล้ว reactive power ที่ converter ได้รับต้องมาจาก shunt capacitor ที่ต่ออยู่กับขั้ว AC ของ converter ปกติแล้ว shunt capacitor จะต่อโดยตรงเข้ากับกริด แต่ในบางกรณีอาจจะต่อเข้ากับโวลเทตที่ต่ำกว่าผ่านทางขดลวดที่สามของหม้อแปลง converter
เนื่องจาก reactive power ที่ถูกบริโภคจะขึ้นอยู่กับ active power ที่กำลังถูกส่งออกไป ตัว shunt capacitor มักจำเป็นที่จะต้องถูกแบ่งให้เป็นจำนวนของ switchable bank (ปกติ 4 ต่อ converter) เพื่อป้องกันไม่ให้ส่วนเกินของ reactive power ถูกสร้างขึ้นที่กำลังส่งต่ำ
ส่วนใหญ่แล้ว shunt capacitor จะมาพร้อมตัวปรับแต่งและความต้านทานลอทอนเสมอ เพื่อให้ตัวมันทำงานเป็นตัวกรองฮาร์โมนิคได้ด้วย
ในอีกด้านหนึ่ง ตัวแปลงแบบ VSC สามารถทั้งผลิตหรือบริโภค reactive power ซึ่งเป็นเหตุผลที่ไม่ต้องการ shunt capacitor ต่างหาก (นอกเหนือจากต้องการสำหรับการกรองจริงๆ)
Converter แบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดสร้างความเพี้ยน ฮาร์โมนิค ในระบบ AC และ DC ที่มันเชื่อมต่อด้วย ซึ่ง converter HVDC ก็ไม่มีข้อยกเว้น
ด้วย Modular Multi-Level Converter (MMC) ที่เพิ่งถูกพัฒนาเร็ว ๆ นี้ ความเพี้ยนมีระดับเล็กน้อยอาจไม่ต้องนำมาคิด แต่ converter แบบ LCC และแบบ VSC ความเพี้ยนอาจถูกผลิตออกมาทั้งด้าน AC และ DC ของ converter
โครงสร้างพื้นฐานของ converter แบบ LCC คือ six-pulse bridge วิธีกำจัดความเพี้ยนที่ราคาถูกที่สุด คือใช้ twelve-pulse bridge (ประกอบด้วย six-pulse bridge สองชุดที่มี phase shift 30°ระหว่างเฟส) การกำจัดความเพี้ยนดังกล่าวยังคงงานท้าทาย แต่สามารถจัดการได้
ในระบบ LCC สำหรับ HVDC มักจะประกอบด้วยตัวกรองฮาร์โมนิคที่ออกแบบมาเพื่อจัดการกับฮาร์โมนิคที่ 11 และ 13 ในด้าน AC, และฮาร์โมนิคที่ 12 ในด้าน DC. บางครั้งตัวกรอง high-pass อาจจะมีไว้ให้จัดการกับ ฮาร์โมนิคที่ 23, 25, 35, 37 ... ในด้าน AC และ 24, 36 ... บนฝั่ง DC บางครั้งตัวกรอง AC นอกจากนี้ยังอาจจำเป็นต้องลดฮาร์โมนิค ที่ต่ำลง เช่น ฮาร์โมนิคที่ 3 หรือ 5
งานของการออกแบบตัวกรองฮาร์โมนิค AC สำหรับสถานีแปลง HVDC มีความซับซ้อนและต้องควบคุมตรวจสอบที่เข้มข้น เพราะนอกจากจะสร้างความมั่นใจว่า converter ไม่ได้ผลิตความเพี้ยนในระดับที่ยอมรับไม่ได้บนแรงดันไฟฟ้าในระบบ AC แล้ว ยังจะต้องทำให้มั่นใจได้ว่าตัวกรองฮาร์โมนิคไม่สร้างความถี่อื่นๆขึ้นมาในส่วนอื่นของระบบ AC ด้วย ความรู้อย่างละเอียดของอิมพีแด้นซ์ของฮาร์โมนิคในระบบ AC, ที่ความถี่หลากหลาย, เป็นสิ่งจำเป็นในการออกแบบตัวกรอง AC.
ตัวกรอง DC ยังจำเป็นสำหรับระบบสายส่งระบบ HVDC ในส่วนของสายส่งแขวนอากาศ การบิดเบือนแรงดันไฟฟ้าไม่ได้เป็นปัญหาเนื่องจากผู้บริโภคไม่ได้เชื่อมต่อโดยตรงกับขั้ว DC ของระบบ ดังนั้นเกณฑ์การออกแบบหลักสำหรับตัวกรอง DC ก็คือ เพื่อให้แน่ใจว่ากระแสฮาร์โมนิคที่ไหลในสาย DC ไม่ก่อให้เกิดการรบกวนกับสายโทรศัพท์ที่อยู่ใกล้เคียง. ด้วยการเพิ่มขึ้นของการสื่อสารโทรคมนาคมมือถือระบบดิจิตอล ซึ่งมีความไวต่อการรบกวนน้อย ตัวกรอง DC จึงมีความสำคัญน้อยกว่าสำหรับระบบ HVDC
voltage-sourced converters บางชนิดอาจผลิตความเพี้ยนในระดับต่ำซะจนกระทั่งตัวกรองไม่จำเป็นต้องมี แต่ converter ชนิดแปลงสองระดับ,ใช้กับ pulse-width modulation (PWM), ยังคงต้องมีการกรองแม้จะน้อยกว่าระบบ LCC
ด้วย converter ดังกล่าวสเปกตรัมของฮาร์โมนิคโดยทั่วไปจะเลื่อนไปที่ความถี่สูงกว่าของ LCC จึงทำให้อุปกรณ์ตัวกรองมีขนาดเล็กลง ความถี่ฮาร์โมนิคที่โดดเด่นเป็น sidebands ของความถี่ PWM และตัวทวีคูณของมัน ในการใช้งาน HVDC, ความถี่ PWM โดยทั่วไปจะมีประมาณ 1-2 เฮิร์ทซ์
เมนูนำทาง
ระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูงใกล้เคียง
แหล่งที่มา
WikiPedia: ระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง