J. Dorn, September 2016
Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) -
eine Schlüsseltechnologie für unsere Stromversorgung
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Introduction and Basics
Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
■ Technology of L ine- C ommutated Current Sourced C onverters (LCC) and project examples
■ Technology of Self-commutated V oltage S ourced C onverter (VSC) and project examples
Summary
26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
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Introduction and Basics
Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
■ Technology of L ine- C ommutated Current Sourced C onverters (LCC) and project examples
■ Technology of Self-commutated V oltage S ourced C onverter (VSC) and project examples
Summary
26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
Fundamental changes in the business of electrical energy
Distributed Energy Systems
Transmission Distribution and Consumption
From centralized power and unidirectional grid ...
... to Decentral and Distributed Energy
Systems and bidirectional balancing
r
1 Changing
generation mix 2 Generation capacity
additions 4 Decentralization
(public/private) 5 Refurbishment/
upgrades
Page 4 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
What is HVDC?
Why HVDC?
AC Grid 1 4 P ► AC Grid 2
C o m p a re d to A C tra n s m is s io n H V D C has a n u m b e r o f a d van tag es:
■ Long overhead lines with high transmission Capacity, lo w tra n s m is s io n losses and red u ced rig h t-o f-w a y ►!
■ C a b le tra n s m is s io n s with low losses and without limitation in length
■ A s y n c h ro n o u s g rid s can be interconnected
■ Increase of transmission capacity without increasing s h o rt c irc u it c u rren ts
■ F ast c o n tro l of power flow, independent from AC conditions
■ Firew all against cascading disturbances, active p o w e r o s c illa tio n d a m p in g
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►I
Comparison of Tower Geometry AC vs. DC
Comparison of Towers for 800 kV A C Line a) and 500 kV DC Line b), at same Transm ission Capacity of 3,000 M W
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HVDC Applications
Long Distance OHL
DC Cable
A C -i ¥-AC
System A ^^DC^Cable^^ System B
Back-to-Back
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HVDC Classic vs. VSC HVDC
AC Grid 1 ◄ p ► AC Grid 2
H V D C C la s s ic V S C H V D C
Line-commutated
current-source converter (LCC)
Self-commutated
voltage-source converter (VSC)
Thyristors with turn-on capability only Semiconductor Switches with turn-on and turn-off capability, IGBTs
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Introduction and Basics
Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
■ Technology of L ine- C ommutated Current Sourced C onverters (LCC) and project examples
■ Technology of Self-commutated V oltage S ourced C onverter (VSC) and project examples
Summary
26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
HVDC Classic: Basic Converter Design
L R
hKey Components of a typical
Bipolar Classic HVDC Converter Station
A C - Ä --- -- ¥ -AC
1. AC Switchyard 4. Converter Valves / Valve Hall
2. AC Filters 5. Smoothing Reactors and DC Filters 3. Transformers 6. DC Switchyard
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B lo c k in g V o lt a g e [ k V ]
Development of Thyristor Blocking Voltages and Silicon Area in HVDC Converters
~ 2 8 .0 0 0
th y ris to rs / 1 0 0 0 MW (fo r both s ta tio n s)
8 0
7,0
6,01
5,01
4 0
3.0
2.0
1 0
~ 8 0 0
th y ris to rs / 1 0 0 0 MW
I D ire c t Lig h t
T rig g e rin g | 8 5kv
T t
30.000
^ /.0 0 0
24.000
D C -C u rre n t: 6 2 5 0 A 5 0 0 0 A, 6''
1970 1975 1980
Page 13 26.09.2016
1985 1990 1995 2000
18.000
15.000
12.000
9.000
6.000
< 6 0 0
th y ris to rs / 1 0 0 0 MW 0
2005 2010 2015
Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
S i A r e a in m m 2
HVDC Thyristor Module (2x13 Thyristors)
4 5 6
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Suspended Thyristor Modules ensure excellent seismic Performance (Gui-Guang I)
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HVDC Classic - Valve Hall and Station
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COMETA, Spain-Mallorca DC Interconnector Indoor AC Yard
Page 17 Ei rgietag 2016 des ArbeitskreisesE^ergie (A KE)deoÖ ster^ejjCfrische nPhvsikalischen
The 800 kV Xiangjiaba-Shanghai Project
Length of DC Line:
2071 km
DC Voltage:
± 800 kV
DC Current:
4000 A (continuously)
Transmission Capacity:
6400 MW (continuously)
iF e n g x ia n [ c o n v e r t e r
s t a t i o n
F u lo n g c o n v e r t e r s t a t i o n
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800 kV Converter Station
400 k V nr<
} kV De**“
26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellscha
UHVDC - 800 kV Valve Hall
AC Bushings and Transformer Circuitry
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800 kV Overhead Line Xiangjiaba-Shanghai
4 0 0 0 A
4 0 0 0 A
+ 8 0 0 k V
8 0 0 k V
6400MW
with these two lines
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* -
L i .i
. n V li
• 1
i
4 d U M f t b j i» T ^ -f -
■
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Introduction and Basics
Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
■ Technology of L ine- C ommutated Current Sourced C onverters (LCC) and project examples
■ Technology of Self-commutated V oltage S ourced C onverter (VSC) and project examples
Summary
26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
General features of VSC HVDC
G rid a c c e s s o f w e a k A C n e tw o rk s H igh d y n a m ic p e rfo rm a n c e
In d e p e n d e n t c o n tro l o f a c tiv e and re ac tiv e p o w e r S u p p ly o f p a s s iv e n e tw o rk s an d b la c k s ta rt c a p a b ility
S m all s p a c e re q u ire m e n ts
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m onitoring, cooling plates
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Modular Multilevel Converter (MMC) Approach
U ac
U dp
U dn
Small Voltage Steps
Small rates of voltage rise Low switching frequencies
Advantages:
Low e m issio n of electrom agnetic H F fields
Filters and shielding u sually not n e ce ssa ry
Low electrical lo s s e s
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MMC - Modularity
*•
PLUSCONTROL™
PM Electronics
l
+
o ■
Submodule
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Converter arms
operated as controlled voltage sources
U c (t) t
t t
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Voltage generation
- t
U c (t )
i
[
2r
A ) a ) [
1
r
2 nt
t t
AC and DC Voltages controlled by Converter Module Voltages:
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All currents controlled by converter arm voltages
-t
U c (t) T
T T
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High system availability and reliability due to redundancy concept
Phase Unit Submodule (SM)
R e q u ir e m e n ts :
• N o in te rru p tio n o f o p e ra tio n in c a s e o f a le v e l fa u lt
• A le v e l fa u lt d o e s n o t in flu e n c e s u r r o u n d in g
S o lu t io n :
• B u ilt-in le v e l
re d u n d a n c y (s o m e p e rc e n t)
• F a s t a n d h ig h -r e lia b le b y p a s s - s w it c h
Seite 30 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
Handling of DC pole-to-pole fault by using a protection thyristor
o - -
1
SM Electronics
I G B T 1 DD1
I
| IGBT2 D2
f
2
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M o d u la re r A u fb a u des S tro m ric h te rs (1)
26.09.2016
Source: Siemens AG
Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
Seite 32
Modularer Aufbau des Stromrichters (2)
H
Source: Siemens AG
Seite 33 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
Components and subsystems
Switchyard Transformers Star Point Reactor
üb
Insertion Resistor Bypass Switch
rin e i -
Current Measuring Devices Control, Protection and Monitoring System
Converter
Reactors DC Switchyard Transmission Path
r \
r
\ h m u —
n
U B fr
v |>Bb
To/ from other Station
O — H r
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►I
Transbay Cable Bird’s eye view
S o u rc e : S ie m e n s A G
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Increase of Power Rating of MMCs
T ra n sb a y C a b le 400 M W 2010
H elW in 1 576 M W 2014
H elW in 2 690 M W 2015
S ylW in 1 864 M W 2015
BorW in 2 800 M W 2015
Inelfe 2 x 1000 M W 2015
BorW in 3 900 M W 2019
C o m m e rcia l operation.
\
►
/
A ll platform s in com m ercial operation!
C o m m e rcia l operation.
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iwtwuw
INELFE, France-Spain Overview
Customer INELFE (RTE and REE)
Project Name INELFE
Location Balxas, France -
Santa Llogala, Spain
Power Rating 2 x 1000 MW
Type of Plant HVDC PLUS
Voltage Levels ± 320 kV DC AC 400 kV, 50 Hz
Distance 65 km underground cable
Semiconductors IGBT
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INELFE, France-Spain
Worldwide biggest VSC HVDC System with 2000 MW capacity
Seite 38 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
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Introduction and Basics
Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
■ Technology of L ine- C ommutated Current Sourced C onverters (LCC) and project examples
■ Technology of Self-commutated V oltage S ourced C onverter (VSC) and project examples
Summary
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Comparison of LCC and VSC technology
Line-commutated Converter Technology: Self-commutated VSC Technology:
> Reactive power demand Reactive power controllable
> High efforts for filtering Low or even no filtering efforts resulting on lower space requirement
> Requirements for short circuit power Weak and passive networks can be connected; black start capability
>
Block of converter in case of AC faults ^ Fault ride through capability
Very low losses >
> Operational experience since middle of last century
>
> DC current up to 6.25 kA plus additional overload capability 10 GWs @ +/- 800kV)
> Maximum DC current per converter around 2 kA
> Higher efforts for multi-terminal systems due to polarity reversal
> Multi-terminal simpler due to fixed voltage polarity
> Inherent DC fault clearing capability
rDC fault clearing capability
Best solution depends on required transmission capacity, other requirements and circumstances
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Thank you for your attention SIEMENS
Jörg Dorn