В современных энергосистемах преобразователи напряжения (ПН) стали важнейшим компонентом преобразования и управления электроэнергией. Преобразователи напряжения (ПН) — это современные силовые электронные устройства, обладающие уникальной способностью как генерировать, так и потреблять реактивную мощность. Благодаря своей универсальности они отлично подходят для широкого спектра применений: от передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) до интеграции возобновляемых источников энергии и поддержки сетей. В данной статье представлен обзор ПН, включая принципы их работы, типы, преимущества, недостатки и области применения в электроэнергетике. Кроме того, будут освещены последние достижения и будущие тенденции в технологии ПН.

Основные принципы и работа преобразователей напряжения

Преобразователи напряжения (VSC) — это электронные устройства, преобразующие постоянное напряжение в переменное и наоборот. Они работают, управляя напряжением и частотой выходного переменного тока. Основные компоненты преобразователя напряжения включают источник постоянного напряжения, коммутационные устройства (обычно биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT)) и выходной фильтр переменного тока.

Работу преобразователя частоты можно разделить на два этапа. На первом этапе источник постоянного напряжения используется для зарядки батареи конденсаторов, которая затем питает IGBT. На втором этапе IGBT включается и выключается, формируя высокочастотный переменный сигнал. Этот сигнал затем фильтруется для получения синусоидального выходного напряжения.

Различные типы VSC и их основные характеристики

Существует три основных типа: двухуровневые VSC, трехуровневые VSC и многоуровневые VSC.

Двухуровневые преобразователи напряжения (VSC): Двухуровневые преобразователи напряжения (VSC) — самый простой тип преобразователей напряжения. Они имеют два уровня напряжения: положительный и отрицательный, и используют два IGBT для включения и выключения напряжения. Двухуровневые преобразователи напряжения (VSC) — самый распространённый тип преобразователей напряжения благодаря простоте конструкции и управления. Однако они имеют ограниченный диапазон выходного напряжения и не подходят для приложений высокой мощности.

Трёхуровневые преобразователи напряжения (VSC): Трёхуровневые преобразователи напряжения имеют три уровня напряжения: положительный, отрицательный и нулевой. Они используют четыре IGBT для включения и выключения напряжения, что обеспечивает более широкий диапазон выходного напряжения и повышает качество электроэнергии.

Многоуровневые преобразователи напряжения (VSC): Многоуровневые преобразователи напряжения (VSC) имеют более трёх уровней напряжения, что достигается за счёт последовательного соединения нескольких IGBT и конденсаторов. Многоуровневые преобразователи напряжения (VSC) могут выдавать более высокие уровни напряжения, чем двух- и трёхуровневые преобразователи напряжения (VSC), обеспечивая повышенную эффективность и меньшие гармонические искажения.

Преимущества и недостатки использования VSC в энергосистемах

Преимущества:

1. Улучшенное качество электроэнергии: преобразователи частоты могут обеспечить быструю компенсацию реактивной мощности, регулирование напряжения и подавление гармоник, улучшая качество электроэнергии в сети.

2. Повышенная эффективность: VSCs имеют низкие потери и высокую эффективность, что снижает потребление энергии и эксплуатационные расходы.

3. Гибкость и масштабируемость: VSCs являются гибкими и масштабируемыми, что обеспечивает легкую интеграцию в существующие энергосистемы и будущее расширение.

4. Снижение воздействия на окружающую среду: VSCs могут интегрировать возобновляемые источники энергии, сокращая выбросы парниковых газов и способствуя созданию более устойчивой энергетической системы.

Недостатки:

1. Высокая стоимость: преобразователи частоты стоят дороже традиционных компонентов энергосистем из-за сложной конструкции и высококачественных компонентов.

2. Сложность: VSC сложнее в проектировании и управлении, чем традиционные компоненты энергосистемы, и требуют специальных знаний и опыта.

3. Ограниченная выходная мощность: двухуровневые VSC имеют ограниченный диапазон выходного напряжения и не

подходят для применений с высокой мощностью, что ограничивает их применение в некоторых системах электроснабжения.

Применение VSC в возобновляемой энергетике, передаче постоянного тока высокого напряжения и функциях поддержки сетей

Интеграция возобновляемых источников энергии в энергосистему имеет первостепенное значение, и преобразователи частоты играют в этом процессе ключевую роль. Благодаря своим инновационным технологиям они могут легко преобразовывать постоянный ток, генерируемый солнечными панелями и ветряными турбинами, в переменный ток, идеально соответствующий текущей электросети. Использование возобновляемой энергии с помощью преобразователей частоты обещает устойчивое будущее и развитие чистой энергетики. Преобразователи частоты также могут обеспечивать компенсацию реактивной мощности и регулировку напряжения для повышения стабильности сети при использовании возобновляемых источников энергии.

Передача постоянного тока высокого напряжения: преобразователи частоты (VSC) являются предпочтительной технологией для передачи постоянного тока высокого напряжения благодаря своей способности контролировать поток электроэнергии и обеспечивать поддержку реактивной мощности. VSC также могут повысить эффективность и надежность систем передачи постоянного тока высокого напряжения, делая их более экономичными.

Функции поддержки сети: преобразователи частоты (VSC) могут выполнять различные функции поддержки сети, такие как регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности и управление частотой. Эти функции необходимы для поддержания стабильности и надежности сети, особенно в периоды высокого спроса или колебаний производства возобновляемой энергии.

Последние достижения и будущие тенденции в технологии VSC

Недавние достижения в технологии VSC были направлены на повышение производительности и снижение стоимости. Среди наиболее значимых достижений можно отметить:

1. Гибридные многоуровневые преобразователи: Гибридные многоуровневые преобразователи (HMC) сочетают в себе преимущества двухуровневых и многоуровневых VSC, обеспечивая более высокую эффективность и сниженную стоимость.

2. Приборы на основе карбида кремния (SiC): приборы на основе SiC имеют более высокие частоты переключения и меньшие потери, чем традиционные IGBT, что повышает эффективность и производительность VSC.

3. Формирующие сеть преобразователи частоты (VSC): Формирующие сеть преобразователи частоты (VSC) могут поддерживать стабильность сети и контроль частоты без необходимости использования синхронного генератора, что делает их идеальными для интеграции возобновляемых источников энергии.

Будущие тенденции в технологии VSC, вероятно, будут направлены на дальнейшее повышение эффективности, снижение стоимости и расширение диапазона выходной мощности. Кроме того, ожидается более широкое распространение интеграции VSC с системами накопления энергии, что позволит повысить стабильность и надежность сети.

Заключение

Преобразователи напряжения (VSC) являются важнейшим компонентом современных энергосистем, обеспечивая повышение качества электроэнергии, эффективности и гибкости. Существует три основных типа VSC: двухуровневые, трёхуровневые и многоуровневые, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. VSC используются в различных областях, включая интеграцию возобновляемых источников энергии, передачу постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и поддержку энергосистем. Новая технология VSC направлена ​​на повышение эффективности, экономичности и мощности, и эти улучшения, вероятно, будут продолжаться в будущем. Несмотря на высокую стоимость и сложность, VSC являются важнейшей технологией для современных энергосистем, способствуя повышению устойчивости и надёжности энергосистемы.