Máy biến áp chuyển đổi trong HVDC: Hub kết nối lưới điện AC với truyền tải DC

Máy biến áp chuyển đổi là thành phần duy nhất trong liên kết HVDC đứng giữa lưới điện xoay chiều và các van chuyển đổi. Nó không phải là một máy biến áp điện có tên khác: nó phải tồn tại dưới ứng suất điện áp AC và DC kết hợp, tiền từ hóa DC phía van và gia nhiệt hài hòa mà một thiết bị tiêu chuẩn không bao giờ được thiết kế để làm.

Sự khác biệt đó là toàn bộ quan điểm của bài viết này. Hầu hết các giải thích về máy biến áp chuyển đổi đều mô tả chức năng của chúng - điện áp bước, pha dịch chuyển, cách ly. Ít giải thích hơn lý do tại sao một thiết bị được xây dựng theo quy tắc máy biến áp điện lại bị hỏng một cách lặng lẽ trong trạm HVDC. Ba ứng suất đặc biệt dưới đây không phải là tính năng để quảng cáo; chúng là các chế độ lỗi mà thông số kỹ thuật của người mua phải lập ngân sách rõ ràng hoặc trạm sẽ trả tiền cho chúng sau này tại hiện trường.

Công việc mà không có máy biến áp nào khác làm được

Một liên kết HVDC có hai đầu. Ở đầu gửi, trạm chuyển đổi hoạt động như một bộ chỉnh lưu , biến AC thành DC; ở đầu nhận, trạm thứ hai hoạt động như một bộ biến tần , quay ngược lại. Một máy biến áp chuyển đổi nằm ở mỗi đầu, ngay giữa thanh cái AC và cầu van - tập hợp các thyristor hoặc IGBT thực sự thực hiện chuyển đổi.

Máy này có ba chức năng mà máy biến áp thông thường không bao giờ thực hiện được:

• Cách ly điện giữa hệ thống AC và điện thế DC, do đó điện áp một chiều không thể quay trở lại lưới điện.

• Chuyển pha - bộ chuyển đổi được chế tạo dưới dạng một cặp, một ngôi sao được kết nối quanh co (wye) và một tam giác khác, tạo ra sự dịch chuyển 30 độ cho phép hai nửa tạo thành cầu 12 xung và hủy bỏ các sóng hài thấp nhất.

• Sự biến đổi điện áp phù hợp với van chứ không phải với một điểm nối lưới cố định.

Một máy biến áp điện thông thường nhìn thấy dạng sóng xen kẽ sạch trong suốt vòng đời của nó. Một máy biến áp chuyển đổi nhìn thấy điện áp xoay chiều, điện thế DC cố định từ van và phổ hài hòa phong phú - tất cả cùng một lúc, trên cùng một cuộn dây. Câu duy nhất đó giải thích mọi yêu cầu đặc biệt tiếp theo.

Ứng suất 1: Điện trường AC/DC kết hợp

Về phía van, cuộn dây không chỉ bị căng thẳng bởi AC. Nó mang sự chồng chất của điện áp xoay chiều đang hoạt động, điện thế DC do bộ chuyển đổi tạo ra và hàm lượng hài của dòng điện chuyển đổi. Lớp cách nhiệt phải giữ trong trường hỗn hợp không có trường tương đương trong thiết kế chỉ dùng AC.

Hậu quả thực tế xuất hiện trong thử nghiệm. Máy biến áp chuyển đổi đủ tiêu chuẩn bằng thử nghiệm khả năng chịu AC và DC kết hợp cộng với thử nghiệm đảo cực (được đề cập trong IEC 61378-2 đối với máy biến áp chuyển đổi HVDC), chứ không chỉ là thử nghiệm khả năng chịu AC và điện áp cảm ứng của IEC 60076 đủ tiêu chuẩn cho máy biến áp nguồn thông thường. Đảo ngược cực là quan trọng vì cực DC tại van có thể đảo ngược trong quá trình hoạt động; một hệ thống cách điện chỉ được xác nhận theo một cực cố định có thể bị hỏng khi thiên vị bị đảo ngược.

Một thiết bị được chế tạo theo tỷ lệ cách điện rắn cao hơn mà ứng suất hỗn hợp này yêu cầu mang lại tỷ lệ chất điện môi rắn lớn hơn nhiều so với máy biến áp xoay chiều tương đương. Bài học dành cho người viết thông số kỹ thuật: nếu tài liệu chỉ đề cập đến khả năng chịu đựng AC, thì cuộn dây van đã đủ tiêu chuẩn cho một thế giới mà nó sẽ không bao giờ hoạt động và lỗi thực sự đã được thiết kế trước khi cửa nhà máy đóng lại.

Ứng suất 2: Từ hóa trước DC phía van

Điện thế DC ở phía van không chỉ nằm trên lớp cách nhiệt. Nó cũng làm lệch lõi từ - đẩy điểm vận hành ra khỏi vòng AC đối xứng. Kết quả là mật độ từ thông bị dịch chuyển, thành phần sóng hài đều trong dòng từ hóa ngày càng tăng, tiếng ồn nghe được cao hơn, tổn hao tản thêm và trong trường hợp xấu nhất là kích thích quá mức mà không có giới hạn thiết kế chỉ AC nào có kích thước đủ để hấp thụ.

Đây là một họ thất bại khác với họ quá tải. Lõi của máy biến áp tiêu chuẩn được thiết kế xung quanh một dòng điện xoay chiều đối xứng; nó không có yêu cầu phải chịu được độ lệch DC cố định. Biên độ từ thông và cấu trúc lõi của máy biến áp chuyển đổi phải được chỉ định dựa trên mức tiền từ hóa DC dự kiến, nếu không thiết bị sẽ hoạt động hiệu quả trên giấy và gây ồn, tổn hao và cận biên khi sử dụng.

Các đặc điểm kỹ thuật phải nêu rõ điều này. 'Máy biến áp, dịch vụ HVDC' là chưa đủ; tài liệu phải yêu cầu xác minh khả năng chịu sai lệch DC và đặt tên cho giới hạn mật độ từ thông mà lõi phải giữ dưới điện thế đứng của van.

Căng thẳng 3: Hệ thống sưởi hài hòa và cặp 12 xung

Chuyển đổi không phải là hình sin. Bộ chuyển đổi thu được dòng điện phong phú ở bậc 5, 7, 11 và 13 và hơn thế nữa. Sự lệch pha sao/tam giác 30 độ giữa hai nửa máy biến áp làm triệt tiêu pha thứ 5 và thứ 7, đó chính là lý do tại sao HVDC sử dụng bố trí 12 xung thay vì cầu 6 xung đơn. Nhưng các thành phần bậc 11, 13 và bậc cao hơn vẫn tồn tại và chúng tạo ra thêm tổn thất đồng và thất thoát chính xác ở những nơi mà mô hình nhiệt chỉ cơ bản cho biết vẫn còn khoảng trống.

Những tổn thất rải rác đó tập trung ở các đầu cuộn dây, kết cấu chì và thành bể — những vị trí quen thuộc của các điểm nóng cục bộ. Một hệ thống làm mát có kích thước từ MVA định mức và chỉ riêng tải cơ bản sẽ hoạt động kém so với phổ sóng hài thực. Thiết kế tản nhiệt phải được đánh giá dựa trên tổn thất hài hòa chứ không phải bảng tên.

Đối với người mua, đây là một cái bẫy thu mua ẩn trong tầm nhìn rõ ràng: một máy biến áp được chấp nhận trong thử nghiệm tăng nhiệt độ ở tần số cơ bản vẫn có thể nóng dưới dòng điện chuyển đổi. Kế hoạch kiểm tra chấp nhận phải bao gồm việc đánh giá tổn thất theo hàm lượng hài mà thiết bị sẽ thực sự mang theo.

Máy biến áp chuyển đổi và máy biến áp điện: Những gì thiết bị tiêu chuẩn không thể làm được

Tình trạng	Máy biến áp điện thông thường	Máy biến áp chuyển đổi (HVDC)
Ứng suất điện áp trên van/cuộn dây thứ cấp	AC thuần túy, đối xứng	AC xếp chồng + DC đứng + sóng hài
Kích thích lõi	Thông lượng xen kẽ đối xứng	Thông lượng AC cộng với độ lệch tiền từ hóa DC
Cơ sở tổn thất để làm mát	Tải tần số cơ bản	Tổn thất cơ bản cộng với phổ hài
Vai trò chuyển pha	Không có (chỉ tần số lưới)	Cặp sao/tam giác cho phép hoạt động 12 xung
Tỷ lệ cách nhiệt	Hỗn hợp rắn/lỏng tiêu chuẩn	Tỷ trọng vật liệu cách nhiệt rắn cao hơn đáng kể
Kiểm tra trình độ	IEC 60076 AC chịu được, điện áp cảm ứng	IEC 61378-2 khả năng chịu đựng AC/DC kết hợp và đảo cực

Bảng này là câu trả lời ngắn nhất cho câu hỏi 'chúng ta không thể sử dụng một máy biến áp công suất lớn hơn sao?' — không, bởi vì các ứng suất mà máy biến áp chuyển đổi phải tồn tại hoàn toàn không có trong cơ sở thiết kế của thiết bị tiêu chuẩn.

Thông số kỹ thuật phải nói gì

Thông số kỹ thuật mua sắm máy biến áp chuyển đổi HVDC cần có bằng chứng chứ không phải tính từ:

1. Thử nghiệm ứng suất kết hợp — đặt tên cho thử nghiệm khả năng chịu AC/DC và thử nghiệm đảo cực theo IEC 61378-2, không chỉ các thử nghiệm AC IEC 60076.

2. Dung sai độ lệch DC - yêu cầu xác minh hoạt động lõi dưới điện thế DC cố định của van, với biên độ mật độ từ thông được giữ lại đã nêu.

3. Đánh giá tổn thất hài hòa - chỉ định rằng việc làm mát và tăng nhiệt độ được xác nhận dựa trên phổ hài hòa dự kiến, chứ không phải chỉ dựa vào phổ hài cơ bản.

4. Cặp 12 xung và kết hợp trở kháng - nêu rõ cách sắp xếp sao/tam giác và dung sai trở kháng chặt chẽ trên các điểm nối (IEC 61378-2 hạn chế sự thay đổi trở kháng để hai nửa triệt tiêu sóng hài như thiết kế).

5. Cấp cách điện phía van - xác định sự phối hợp cách điện bao gồm quá điện áp nhất thời do sét và chuyển mạch chồng lên độ lệch DC.

6. Gói thử nghiệm tại nhà máy - yêu cầu hồ sơ thử nghiệm điện áp tổng hợp, kết quả đảo ngược cực tính và bằng chứng về độ tăng nhiệt độ hài hòa của tải được gửi cùng với thiết bị, vì vậy việc chấp nhận tại địa điểm là xác nhận chứ không phải khám phá.

Sáu dòng bằng chứng phân biệt máy biến áp chuyển đổi đủ điều kiện sử dụng HVDC với máy biến áp điện đeo bảng tên phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Sự khác biệt giữa máy biến áp chuyển đổi và máy biến áp điện là gì? Trả lời: Máy biến áp điện xử lý dạng sóng xoay chiều sạch. Một máy biến áp chuyển đổi kết nối lưới điện xoay chiều và các van chuyển đổi, do đó cuộn dây phía van của nó mang điện áp AC và DC kết hợp, độ lệch lõi DC và dòng điện hài - ứng suất không có trong cơ sở thiết kế máy biến áp điện.

Hỏi: Tại sao máy biến áp chuyển đổi cần thử nghiệm đảo cực? A: Điện thế DC ở van có thể đảo ngược trong quá trình vận hành. Một hệ thống cách điện chỉ được xác nhận ở một cực cố định có thể bị hỏng khi độ lệch đó bị đảo chiều, do đó, IEC 61378-2 yêu cầu thử nghiệm đảo ngược cực mà máy biến áp xoay chiều tiêu chuẩn không bao giờ gặp phải.

Hỏi: Máy biến áp chuyển đổi làm thế nào để giảm sóng hài? Trả lời: Chúng được xây dựng dưới dạng cặp sao/tam giác với độ lệch pha 30 độ, tạo thành cầu 12 xung giúp triệt tiêu sóng hài bậc 5 và bậc 7. Các sóng hài bậc cao vẫn tồn tại và phải được xử lý trong thiết kế nhiệt.

Hỏi: Máy biến áp điện tiêu chuẩn có thể được sử dụng bên trong trạm HVDC không? A: Không phải ở phía bộ chuyển đổi. Ứng suất AC/DC hỗn hợp, tiền từ hóa DC và gia nhiệt hài hòa nằm ngoài quy tắc của máy biến áp điện; chỉ có một thiết bị đạt tiêu chuẩn IEC 61378-2 nằm giữa bus AC và các van.

Hỏi: Tiêu chuẩn nào áp dụng cho máy biến áp chuyển đổi HVDC? Đáp: IEC 61378-2 quản lý các máy biến áp chuyển đổi dành cho các ứng dụng HVDC, bao gồm các yêu cầu về khả năng chịu AC/DC kết hợp, đảo cực và dung sai trở kháng để phân biệt chúng với các máy biến áp điện IEC 60076.

Đồ ăn mang về

MỘT Máy biến áp chuyển đổi là điểm mà lưới điện xoay chiều và liên kết DC không còn là những hệ thống riêng biệt và thực sự gặp nhau. Nó chỉ đạt được vai trò đó khi thông số kỹ thuật của nó nêu tên ba ứng suất mà máy biến áp điện không bao giờ nhìn thấy — trường AC/DC kết hợp, tiền từ hóa DC và gia nhiệt hài hòa — và chứng minh chúng bằng các thử nghiệm phù hợp. Chỉ định nó là một máy biến áp điện có xếp hạng bổ sung và trạm sẽ thừa hưởng những lỗi hỏng được thiết kế tại nhà máy. Chỉ định nó đúng như bản chất thực sự của nó và trung tâm kết nối hai lưới sẽ tiếp tục thực hiện công việc yên tĩnh, không thể đảo ngược của nó.