Hochspannungsdioden für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ)

Hochspannungskondensatoren und Dioden für die HGÜ-Übertragung

Abstract

HGÜ-Umrichterstationen sind die größten Hochspannungs-Leistungselektroniksysteme der Welt, und ihre Zuverlässigkeit hängt von passiven Bauteilen ab, deren Bedeutung leicht unterschätzt wird. Dieser Artikel erläutert die Funktionen von Gleichstromfiltern, Snubbern und Gradienten, die Belastung der einzelnen Bauteile und die Auswahl von HGÜ-Kondensatoren, -Widerständen und -Dioden für Umrichterstationen, die über Jahrzehnte betrieben werden.

1. Anwendungskontext: Konverter an beiden Enden

Eine HGÜ-Verbindung wandelt Wechselstrom am Sendeende in Gleichstrom und am Empfangsende wieder zurück. Jeder Umrichter erzeugt Oberschwingungen und Schaltvorgänge, die das passive Netz absorbieren muss:

Die Gleichstromseite ist gefiltert, um Oberschwingungen aus dem Netz fernzuhalten, und jedes Ventil ist durch Dämpfungs- und Abschwächernetzwerke geschützt. Die Filterkondensatoren führen den Restwelligkeitsstrom des Umrichters kontinuierlich – die anspruchsvollste Aufgabe im Umrichterkraftwerk nach den Ventilen selbst.

2. Technische Anforderungen

2.1 Gleichstromfilter. Der Filterkondensator absorbiert die charakteristischen Oberschwingungen des Wandlers:

2.2 Ventildämpfer. Der Snubber begrenzt den Abschaltvorgang im Halbleiter:

2.3 Bewertung und Weitergabe. In Reihenschaltungen von Ventilen werden aufeinander abgestimmte Leckströme benötigt, damit sich die Gleichspannung gleichmäßig aufteilt:

2.4 Charakteristische Harmonische. Ein netzgeführter Umrichter erzeugt auf beiden Seiten charakteristische Oberschwingungen. Auf der Gleichstromseite sind die dominanten Ordnungen die Vielfachen des 12-Pulses:

Der Gleichstromfilter ist eine abgestimmte Sperre für diese Oberwellen, und seine Kondensatoren müssen den Oberwellenstrom jeder Ordnung kontinuierlich führen können. Deshalb beginnt die Auswahl der Filterkondensatoren mit einem Oberwellenspektrum – dem Strom jeder Ordnung – und nicht mit einem einzelnen Kapazitätswert.

Abb. 1 — HGÜ-Umrichterstation: Ventile, Gleichstromfilter und Übertragungsleitung.

3. Schwachstellen der Ingenieure (Feedback aus der Praxis)

4. Kondensatorvergleich für den Wandlerservice

So nutzen Sie diesen Vergleich. Für eine Umrichterstation, die zwischen den Überholungen in Betrieb bleiben muss, ist die HVC-Filterklasse der Basiswert: Die Oberwellenstromfestigkeit ist die Spezifikation, die über die Lebensdauer des Kondensators entscheidet. Bei einem kleinen Back-to-Back-Umrichter mit geringer Auslastung kann ein Bauteil mittlerer Klasse ausreichend sein, jedoch sollte dessen Stromfestigkeit vorher anhand des Spektrums überprüft werden. Das Filtersystem sollte stets einen niedrigen Temperaturkoeffizienten (TCR) aufweisen und aufeinander abgestimmt sein – die gleichmäßige Verteilung schützt jedes Ventil im System.

5. Auswahl und HVC-Lösung

6. Fallstudie im Ingenieurwesen (Referenz)

Bei dem betreffenden Umspannwerk handelt es sich um eine ±500-kV-3-GW-Doppelleitung, bei der alle 18 Monate die DC-Filterkondensatoren ausgetauscht werden mussten und pro Quartal ein Ventilabschaltfehler auftrat. Analysen ergaben, dass die Filterkomponenten nur für Gleichstrom ausgelegt waren und das Spannungsregelungsnetz nicht mehr optimal passte. Im Zuge der Modernisierung wurden N4700-Filterkondensatoren mit Nennstrom, Spannungsregelungsnetze mit niedrigem Temperaturkoeffizienten (TCR) und koordinierte Dämpfungsglieder installiert.

Das Kraftwerk läuft nun zwischen den Generalüberholungen ohne ungeplante Ausfälle. Bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) bildet das passive Netz das störungsfreie Rückgrat – bewertet man es hinsichtlich der Oberschwingungen, überdauert es jedes Ventil.

Fallbesprechung. Die Temperatur des Filterkondensators lieferte die entscheidenden Informationen: Mit 88 °C lag er an seiner Nenngrenze, sodass jede sommerliche Spitzenlast ihn überlastete. Bei der Überholung wurden nicht nur Bauteile ausgetauscht, sondern auch die Luftströmung so verändert, dass der heißeste Kondensator unterhalb der Leistungsgrenze blieb. Die zweite wichtige Erkenntnis betrifft das Oberwellenspektrum. Der Stationsingenieur hatte den Filter bisher immer anhand seines Kapazitätswerts dimensioniert; die Überholung basierte auf dem gemessenen Oberwellenstrom pro Ordnung, also dem Wert, der das Bauteil tatsächlich erhitzt. Dieselben beiden Vorgehensweisen – die tatsächliche Belastung messen und dann die Leistung an die realen Umgebungsbedingungen anpassen – gelten für jeden Umrichter: Der Gleichstromfilter, die Dämpfungsglieder und das Spannungsregelungsnetzwerk funktionieren unter den Betriebsbedingungen, nicht im Datenblatt. Stimmen die Werte einmal, läuft die Station jahrelang.

7. Designüberlegungen

• Oberschwingungsstrombelastbarkeit: Der DC-Filterkondensator wird durch das Oberwellenspektrum des Umrichters beansprucht, nicht durch den DC-Pegel – ermitteln Sie das Spektrum und bewerten Sie das Bauteil entsprechend.
• ESR bei der Schaltfrequenz: Die Filterverluste bei der Wandlerfrequenz bestimmen die Kondensatortemperatur; Bauteile mit niedrigem ESR verdoppeln die Lebensdauer bei gleichem Strom.
• TCR-Wert des Gradientenwiderstands: Die Gleichstromverteilung zwischen in Reihe geschalteten Ventilblöcken hängt von aufeinander abgestimmten, niedrigthermischen Vorwiderständen ab – eine Drift von 100 ppm/°C führt bei heißem Wetter zu einem Ungleichgewicht im Block.
• Dämpfungskoordination: Die Snubber-Kapazität und der Dämpfungswiderstand müssen auf die Abschaltcharakteristik des Ventils abgestimmt werden – messen, dann dimensionieren.
• Zuverlässigkeit über Jahrzehnte: Konverterstationen sind für eine Lebensdauer von über 30 Jahren ausgelegt; daher werden langfristige IR- und PD-Daten benötigt, nicht nur Zahlen aus dem ersten Jahr.
• Redundante Sensorik: Durch redundante Verteiler- und Sensorketten kann das Steuerungssystem auch bei einem Ausfall eines einzelnen Elements weiterlaufen.

Validierungscheckliste.

1. Messen Sie das Stromspektrum des Filterkondensators und vergewissern Sie sich, dass alle Oberschwingungen innerhalb der Nennwerte liegen.
2. Überprüfen Sie die Temperatur des Kondensatorgehäuses unter Nennbetrieb des Umrichters.
3. Erfassen Sie den Gleichspannungsanteil am Ventilblock beim Übergang von kalter zu warmer Umgebungsluft.
4. Führen Sie den Snubber-Abschalttest durch und bestätigen Sie, dass der dv/dt-Wert unterhalb des Gerätegrenzwerts liegt.
5. Führen Sie Teilentladungsprüfungen bei der Nennspannung durch und bestätigen Sie, dass die Werte innerhalb der Spezifikation liegen.

Fazit.

HGÜ-Stationen sind darauf ausgelegt, Gigawatt über Jahrzehnte zu übertragen, und ihr passives Netzwerk muss diesem Anspruch gerecht werden. Stromstarke N4700-Filter, HVR-Komponenten mit niedrigem Temperaturkoeffizienten (TCR) und verlustarme Dämpfungsglieder von HVC bilden das notwendige störungsfreie Rückgrat des Umrichters – die Ventile mögen die Hauptrolle spielen, aber die passiven Komponenten sind das Fundament.

8. Referenzen

1. IEC 62501:2009, Spannungsgesteuerte Umrichterventile (VSC-Ventile) für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)Genf, Schweiz: IEC.
2. ABB AB, HVDC Light – Es ist Zeit, sich zu verbindenLudvika, Schweden: ABB.
3. RW Erickson und D. Maksimovic, Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Aufl. Cham, Schweiz: Springer, 2020.
4. N. Mohan, TM Undeland und WP Robbins, Leistungselektronik: Wandler, Anwendungen und Design, 3. Aufl. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2003.
5. 王兆安、刘进军主编,《电力电子技术》 (Power Electronics Technology), 第5版. Titel: 机械工业出版社, 2009. (auf Chinesisch)