HGÜ-Konverterstation

Eine HGÜ-Umrichterstation (oder kurz Umrichterstation ) ist ein spezielles Umspannwerk , das die Endausrüstung für eine Hochspannungs-Gleichstrom -Übertragungsleitung (HGÜ) bildet. ^{[ 1 ]} Sie wandelt Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt um. Neben dem Umrichter enthält die Station üblicherweise:

• Dreiphasen-Wechselstrom-Schaltanlage
• Transformatoren
• Kondensatoren oder Synchrongeneratoren für Blindleistung
• Filter zur Oberwellenunterdrückung und
• Gleichstromschaltanlagen.

Der Umrichter wird üblicherweise in einem Gebäude, der sogenannten Ventilhalle , installiert . Frühe HGÜ-Systeme verwendeten Quecksilberdampf-Rückgewinnungsventile , seit Mitte der 1970er-Jahre kommen jedoch Halbleiterbauelemente wie Thyristoren zum Einsatz. Umrichter mit Thyristoren oder Quecksilberdampf-Rückgewinnungsventilen werden als netzgeführte Umrichter bezeichnet . In thyristorbasierten Umrichtern sind viele Thyristoren in Reihe geschaltet und bilden ein Thyristorventil. Jeder Umrichter besteht normalerweise aus sechs oder zwölf Thyristorventilen. Die Thyristorventile sind üblicherweise paarweise oder in Vierergruppen angeordnet und können auf Isolatoren am Boden stehen oder an Isolatoren von der Decke hängen.

Netzgeführte Umrichter benötigen zur Kommutierung Spannung aus dem Wechselstromnetz. Seit Ende der 1990er-Jahre werden jedoch zunehmend spannungsgeführte Umrichter für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) eingesetzt. Diese verwenden Bipolartransistoren mit isoliertem Gate anstelle von Thyristoren und können ein spannungsloses Wechselstromnetz mit Strom versorgen.

Nahezu alle für HGÜ verwendeten Umrichter sind grundsätzlich in der Lage, die Leistung in beide Richtungen umzuwandeln. Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wird als Gleichrichtung , die Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom als Invertierung bezeichnet .

Die Gleichstromausrüstung umfasst häufig eine Spule ( Reaktor genannt ), die in Reihe mit der Gleichstromleitung eine Induktivität hinzufügt, um den Gleichstrom zu glätten. Die Induktivität beträgt typischerweise zwischen 0,1 H und 1 H. Der Glättungsreaktor kann entweder einen Luftkern oder einen Eisenkern haben. Eisenkernspulen ähneln ölgefüllten Hochspannungstransformatoren. Luftkernspulen ähneln den Trägerfrequenz-Drosselspulen in Hochspannungsleitungen, sind jedoch deutlich größer und werden von Isolatoren gehalten . Luftspulen haben den Vorteil, dass sie weniger Geräusche erzeugen als Eisenkernspulen, die potenzielle Umweltgefahr durch auslaufendes Öl eliminieren und bei kurzzeitigen Hochstromfehlern nicht gesättigt werden . Dieser Teil der Anlage enthält außerdem Messgeräte für Gleichstrom und -spannung.

Spezielle Gleichstromfilter werden eingesetzt, um hochfrequente Störungen zu eliminieren. Solche Filter sind erforderlich, wenn die Übertragungsleitung Powerline-Kommunikationstechniken für Kommunikation und Steuerung nutzt oder wenn die Freileitung durch besiedelte Gebiete verläuft. Diese Filter können passive LC- Filter oder aktive Filter sein. Aktive Filter bestehen aus einem Verstärker, der über Transformatoren und Schutzkondensatoren gekoppelt ist und ein dem Störsignal auf der Leitung phasenverschobenes Signal ausgibt, wodurch dieses aufgehoben wird. Ein solches System wurde beim HGÜ-Projekt Baltic Cable eingesetzt .

Die Umrichtertransformatoren erhöhen die Spannung des Wechselstromnetzes. Durch die Stern-Dreieck- Schaltung der Transformatorwicklungen kann der Umrichter mit 12 Impulsen pro Wechselstromperiode arbeiten, wodurch zahlreiche Oberwellenströme eliminiert werden. Die Isolierung der Transformatorwicklungen muss speziell ausgelegt sein, um einem hohen Gleichspannungspotenzial gegen Erde standzuhalten. Umrichtertransformatoren können als Einzelgerät mit einer Leistung von bis zu 300 Megavoltampere ( MVA ) gebaut werden. Da der Transport größerer Transformatoren unpraktisch ist, werden bei höheren Leistungsanforderungen mehrere Einzeltransformatoren zusammengeschaltet. Dabei können entweder zwei Drehstromtransformatoren oder drei Wechselstromtransformatoren verwendet werden. Bei der letzteren Variante wird nur ein Transformatortyp benötigt, wodurch die Bereitstellung eines Ersatztransformators wirtschaftlicher ist.

Umrichtertransformatoren arbeiten mit hohen Flussdichten in den vier Umrichterstufen pro Zyklus und erzeugen daher mehr Geräusche als herkömmliche Drehstromtransformatoren. Dieser Effekt sollte bei der Standortwahl einer HGÜ-Umrichterstation berücksichtigt werden. Geräuschdämmende Gehäuse können eingesetzt werden.

Bei Verwendung netzgeführter Umrichter benötigt die Umrichterstation 40 % bis 60 % ihrer Nennleistung als Blindleistung. Diese kann durch Schaltkondensatoren, Synchrongeneratoren oder, falls sich ein geeignetes Kraftwerk in der Nähe der Umrichteranlage befindet, durch dessen Generatoren bereitgestellt werden. Der Blindleistungsbedarf lässt sich reduzieren, wenn die Umrichtertransformatoren über Laststufenschalter mit ausreichendem Stufenbereich zur Wechselspannungsregelung verfügen. Ein Teil der benötigten Blindleistung kann durch die Oberschwingungsfilterkomponenten gedeckt werden.

Spannungsquellenumrichter können sowohl Wirk- als auch Blindleistung erzeugen oder aufnehmen, und zusätzliche Blindleistungsanlagen sind im Allgemeinen nicht erforderlich.

Harmonische Filter sind notwendig, um Oberwellen zu eliminieren und Blindleistung in netzgeführten Umrichterstationen zu erzeugen. In Anlagen mit sechs netzgeführten Umrichtern sind komplexe Harmonische Filter erforderlich, da auf der Wechselstromseite ungeradzahlige Harmonische der Ordnungen 6^{n +1} und 6^{n -1} und auf der Gleichstromseite gerade Harmonische der Ordnung 6 ⁿ entstehen . Bei 12-Puls-Umrichterstationen treten ausschließlich harmonische Spannungen oder Ströme der Ordnung 12^{n +1} und 12^{n -1} (auf der Wechselstromseite) bzw. 12 ⁿ (auf der Gleichstromseite) auf. Die Filter sind auf die erwarteten Harmonischenfrequenzen abgestimmt und bestehen aus Reihenschaltungen von Kondensatoren und Induktivitäten.

Spannungsgeführte Umrichter erzeugen im Allgemeinen Oberschwingungen geringerer Intensität als netzgeführte Umrichter. Daher sind Oberschwingungsfilter in der Regel kleiner oder können ganz weggelassen werden.

Neben den Oberwellenfiltern ist auch eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Störsignalen im Frequenzbereich der Netzträgergeräte von 30 kHz bis 500 kHz vorgesehen. Diese Filter befinden sich üblicherweise in der Nähe des Wechselstromanschlusses des statischen Wechselrichtertransformators. Sie bestehen aus einer Spule, die den Laststrom durchlässt, und einem parallel geschalteten Kondensator, der einen Resonanzkreis bildet.

In Sonderfällen kann es möglich sein, ausschließlich Maschinen zur Erzeugung von Blindleistung einzusetzen. Dies wird am HGÜ-Terminal Wolgograd-Donbass realisiert , das sich am Wasserkraftwerk Wolga befindet .

Die dreiphasige Wechselstrom-Schaltanlage einer Umrichterstation ähnelt der eines Wechselstrom-Umspannwerks. Sie enthält Leistungsschalter zum Überstromschutz der Umrichtertransformatoren, Trennschalter, Erdungsschalter und Messwandler für Steuerung, Messung und Schutz. Die Station verfügt außerdem über Blitzableiter zum Schutz der Wechselstromgeräte vor Blitzüberspannungen im Wechselstromnetz.

Der Flächenbedarf einer Umrichterstation ist deutlich größer als der eines herkömmlichen Transformators. Beispielsweise benötigt ein Standort mit einer Übertragungsleistung von 600 Megawatt und einer Übertragungsspannung von 400 kV etwa 300 x 300 Meter (1000 x 1000 Fuß). Niederspannungsanlagen benötigen unter Umständen etwas weniger Fläche, da um die Hochspannungsanlagen im Freien weniger Freiraum erforderlich ist.

Umrichterstationen erzeugen akustische Geräusche. Da sie erhebliche Funkstörungen verursachen können, müssen Konstruktionsmerkmale zur Reduzierung dieser Emissionen integriert werden. Wände können als Schallschutz dienen. Wie bei allen Wechselstrom-Umspannwerken muss verhindert werden, dass austretendes Öl im Falle eines Lecks das Grundwasser verunreinigt. Freileitungen benötigen unter Umständen eine beträchtliche Fläche, die sich jedoch durch die Verwendung von Erdkabeln reduzieren lässt.

• Liste der HGÜ-Projekte
• Rotationsumrichteranlage
• Brandschutzbarrieren für Hochspannungstransformatoren