HVDC, eller ”High Voltage Direct Current” (Sv. Högspänd Likström), är inte en speciellt ny uppfinning. Det som trots allt är intressant är kanske hur få människor som känner till begreppet – än mindre vet vad det innebär. HVDC handlar om att överföra likström över långa avstånd samtidigt som man undviker de förluster som uppstår genom traditionell växelström. Även om tekniken funnits länge (kommersiellt sedan 1954) så är det först på senare år som det tagit vind i seglen… bokstavligt. HVDC har blivit en teknologi som framhäver dem förnyelsebara energikällorna och möjliggör förflyttning av energi från avlägsna vattenfall till storstadens centrum. Under The Skin, HVDC simplified, är mitt försök att göra HVDC mer förståeligt.

________________________________________________________________________________________

HVDC är en teknologi som är relativt ny men som trots det har gjort stora framsteg. Hjärtat av HVDC är ventilen. Det är ventilen som tillåter möjligheten att bilda likström av växelström (och vice versa). Genom HVDC:s historia har funnits tre olika typer av ventiler som haft sina olika fysikaliska och elektriska egenskaper.

Mercury Arc Valve, Image @ atomicmpc.com.au

(1) Jonventilen var den första typen av ventil som användes inom HVDC. Den hade tidigare använts till mycket annat, bl.a. inom järnvägen (eng. länk). Jonventilen uppfanns 1902 av Peter Cooper Hewitt, den första ”statiska” jonventilen kom att användas inom högspänd likström först 1954 då länken ABB Gotland togs i drift. Mer information återfinns på en.wikipedia.org (eng. länk). Redan innan jonventilen fanns det en alternativ AC/DC-konversering möjlig genom tunga roterande motorer, således ingav jonventilen en nästan vördnadsbjudande åsyn att vara mindre, tystare, vibrationsfri, tillförlitlig och effektiv (eng. källa). Jonventilen tillverkas inte längre, till stor del pga det mycket giftiga kvicksilver som var kärnan i ventilen. Den allra största HVDC-stationen som byggdes med jonventiler var Nelson River Bipole (eng. länk) med en totaleffekt på 1GW. De sista jonventilerna i Nelson River byttes ut så sent som 2004.

Thyristor Valve, Image @ en.wikipedia.org

(2) Tyristorventilen togs fram under 1970-talet och kom att ersätta jonventilen inom HVDC. Tyristorventilen är en statisk halvledare som i dagsläget är en del av världens största HVDC-överföring i Kina på +/- 800 kV DC. Det som gör tyristorn så användbar är det faktum att den kan ”tändas” när som helst över en positiv halvperiod och den släcks sedan automatiskt när den negativa halvperioden tar vid. Detta gör att man med stor tillförlitlighet kan skapa en likström och styra storleken på effektöverföringen. En ensam tyristor har en spänningstålighet på omkring 9 kV. I HVDC-applikationer seriekopplas flertalet tyristorer tillsammans för att öka kapaciteten. Idag används tyristorer inom HVDC huvudsakligen till så kallade ”bulk transmissions”, stabila, stora överföringar så som vattenkraft och mycket höga effektnivåer.

IGBT Valve Stacks, Image @ it-material.de

(3) IGBT-ventilen är den senaste i raden av komponenter att bygga upp HVDC. IGBT:n kom att användas inom HVDC under slutet av 1990-talet i samband med att ABB introducerade sin ”HVDC Light”-teknologi. Till skillnad från tyristorn kan IGBT:n även stängas av och inte bara tändas. Således skapar det möjligheten till snabbare och mer finjusterad tillförsel av elkraft. Huvudsakligen har HVDC Light marknadsförts för att stabilisera svaga nät och för att stabilisera tillförseln av vindkraft på elnätet. IGBT-ventilen har inte lika hög kapacitet som tyristorn och således används både tyristorn och IGBT:n i dagens tillämpningar för att tillgodose ett stort område.

En så kallad ”converter transformer” är en speciell typ av transformator för användning inom HVDC-tekniken. Åke Carlsson på ABB Transformers sammanfattar HVDC-transformatorns egenskaper och funktioner enligt följande:

• Att förse AC-spänning till två separata kretsar med ett relativt fasskifte på 30 grader för reducering av de lägsta övertonerna 5:an och 7:an.
• Att agera som en galvanisk barriär mellan AC och DC-systemen och för att förhindra att DC-potential övergår i växelströmsnätet.
• Med hjälp av en relativt högre reaktiv impedans i AC-tillförseln, minska eventuella kortslutningsströmmar samt kontrollera ”rate of rise” i ventilströmmen under kommutering.
• Att transformera spänning mellan växelströmsnätet och HVDC-systemet.
• Genom en relativt stor omsättningskopplare med små steg kunna ge nödvändiga justeringar i källspänningen.

5:e och 7:e övertonen (utdrag ur Harmoniska Övertoner):

De flesta utrustningar inom kraftelektroniken ger upphov till dessa övertoner. Detta på grund av att de är så kallade icke-linjära laster, laster som drar ström puls-vis eller på annat sätt påverkar och förvränger sinusformen hos strömkurvan. Detta innebär att de konverterare som finns i HVDC utrustning bland annat ger upphov till dessa övertoner.

Genom att fasvrida transformatorns två sekundära utgångar med 30 grader elimineras de två lägsta övertonerna. Fasvridningen fås genom att sätta två trefastransformatorer parallellt varav en är Y-Y-kopplad och den andra Y-Δ-kopplad (den 30-gradiga fasvridningen är ett fenomen av Δ-formationen).

Bild återfinns hos allaboutcircuits[dot]com

En ökning av den reaktiva impedansen på HVDC-transformatorer jämfört med traditionella krafttransformatorer bidrar till ett ”segare” strömrusningsförlopp på ventilsidan och lägre kortslutningsströmmar – detta bidrar till att skydda ventilerna men också att ventilens fysikaliska egenskaper har mindre krav på strömtålighet än om en traditionell transformator användes.

Men transformatorns största och viktigaste funktion är fortfarande den som även gäller för vanliga krafttransformatorer: Dess uppgift är att överföra spänning från ett nät till ett annat där spänningsvolym (och talar vi HVDC) även frekvens kan skilja åt.

________________________________________________________________________________________

Källor och information:
Specific requirements on HVDC converter transformers av Åke Carlsson LÄNK (pdf)

HVDC, eller ”High Voltage Direct Current” (Sv. Högspänd Likström), är inte en speciellt ny uppfinning. Det som trots allt är intressant är kanske hur få människor som känner till begreppet – än mindre vet vad det innebär. HVDC handlar om att överföra likström över långa avstånd samtidigt som man undviker de förluster som uppstår genom traditionell växelström. Även om tekniken funnits länge (kommersiellt sedan 1954) så är det först på senare år som det tagit vind i seglen… bokstavligt. HVDC har blivit en teknologi som framhäver dem förnyelsebara energikällorna och möjliggör förflyttning av energi från avlägsna vattenfall till storstadens centrum. Under The Skin, HVDC simplified, är mitt försök att göra HVDC mer förståeligt.

________________________________________________________________________________________

HVDC handlar kort och gott om att omvandla växelströmmen från där den genereras till likström, föra över likströmmen till förbrukaren och på plats konvertera tillbaka till växelström. I stort handlar det om att minska förluster, men frågor rörande magnetiska fält blir allt mer en större politisk fråga. Samtidigt som världen kräver mer energi så ökar även kraven på miljövänlighet och strålningskrav m.m. Högspänd likström blev plötsligt populärt.

En HVDC-anläggning består av ett antal byggstenar:

(1) Transformator
(2) Ventil
(3) Likströmskabel/lina
(4) Filter

Det kan synas ganska lite, men faktum är att det bara finns ett fåtal tillverkare i världen som levererar HVDC-anläggningar varav de största spelarna i dagsläget är ABB, Siemens, och Areva. Allt eftersom HVDC blir allt mer populärt, och fler och fler inser att det ligger en kista med guld på andra sidan, så kommer allt fler företag in på marknaden. Men konkurrens är allt ifrån dåligt. Det sporrar till att göra nya framsteg, höja kvaliteten och effektivisera ytterligare.

Huvudkretsekvationen för likspänning i HVDC-tillämpningar är ett utmärkt verktyg för att se vilka parametrar som påverkar bland annat Tap changer-kontrollen och hur förändringar i vinklar, ström och AC-spänning påverkar likspänningen och därmed effektöverföringen mellan två stationer. Som tidigare visats så ser en HVDC-station principiellt ut som på bilden nedan:

Man har alltså ett behov av att matematiskt kunna beskriva DC-spänningen beroende av omgivande faktorer. I avsnittet som skrevs förra veckan: Vi kontrollerar effekten! definierades den ideala så kallade ”No load voltage” till att vara:

Udi0 • cos(α)

Efter en kommentar kring denna ekvation så kan jag nämna att jag utgått ifrån ett kompendium, skrivet av Åke Ekström vid KTH, som behandlar högeffektelektronik där teorin kring högspänd likström hanteras väldigt ingående.  Där skrivs Udi0 som 3•√2/π • Uh, det vill säga huvudspänningen. Det man nu måste veta är att huvudspänningen för växelström är definierad som RMS-värdet av växelströmmen vilket är U Φ-Φ/√2. Jag har alltså förenklat ekvationens utseende.

Åter till att påpeka att uttrycket ovan är en ideal framställning av likspänningen. Det finns en hel del faktorer man måste beakta för att få en exakt ekvation, eller snarare en så pass exakt ekvation att den tillfredsställer tillämpningen. I alla fysiska material som leder ström finns det förluster som visar sig i form av värmeutveckling. För höga förluster kan skapa inte bara skada på utrustning utan även ekonomiska förluster (dessa tas dock inte i beaktande här av naturliga skäl).

Vart hittar vi förluster?

En stor del är förluster i transformatorerna som isolerar växelströmsnätet och likströmsnätet från varandra. Transformatorförluster visar sig främst som induktans, dvs. inducerade strömmar, i transformatorns lindningar. Denna förlust kan beräknas fram till en konstant term ,som beror på likströmmen, och betecknas generellt som dxN. Utöver dessa kan man anta att det finns resistiva förluster i material och även den kan beräknas till en konstant term beroende av likströmmens storlek. De resistiva förlusterna kan betecknas drN.

Utav detta får vi en sammanlagd term: (dxN + drN) • Id

Det kan vara värt att nämna att på grund av reaktanser som skapar dxN så får spänningen ett spänningsfall som även är kopplat till tyristorers fysiska begränsningar. Tillsammans skapar de ett så kallat överlapp i kommuteringen som enkelt innebär att två ventiler inom samma trepuls-grupp, under vissa perioder, leder samtidigt. En bild för den som är intresserad finns här, där den svarta linjen representerar likspänningen Ud.

Till sist har vi en term som representerar spänningsfall i tyristorventilerna som inte är relaterat till strömmen. Denna benämns oftast UT och motsvarar en 6-puls grupp, dvs. för en 12-puls grupp av ventiler så är parametern multiplicerad med 2; 2UT.

Slår man ihop alla dessa termer och skapar relativitet till nominella världen så får vi en komplett ekvation:

Denna ekvation är en HVDC-anläggnings huvudkretsekvation. Just den här ovan är refererad till likriktarstationen i en anläggning. För växelriktaren gäller en annan vinkel än tändvinkeln α (alpha), närmare bestämt en släckvinkel som ofta benämns γ (gamma). Dessutom är +/- tecken omvända.

Sammanfattningsvis kan man säga att det är en hel del parametrar att ta hänsyn till. Däremot finns det möjligheter att förenkla den ytterligare vid ”allmänna” beräkningar. drN och 2UT är så pass små procentenheter att de för det mesta kan bortses ifrån.

*******

Det finns att läsa mer kring ekvationerna för HVDC för den intresserade:

Hela kapitel 15 i boken ”Standard handbook for electrical Engineers” som finns via adlibris: LÄNK
Ovan nämnda bok finns också i fullt digital upplaga via Högskolan Västs databas dawsonera: LÄNK
Bilden som används i detta inlägg kommer från en powerpoint presentation kring HVDC Transmission från IEEE: LÄNK

Detta inlägg är en repris från min (inte längre aktiva) studentblogg.  Då jag spenderat de senaste tre dagarna med internkurser för nyanställda i HVDC Classic (en utbildning som jag hjälpte till att uppdatera) så tänkte jag det värt att åter lyfta fram denna text som beskriver basen, huvudkretsekvationen, för HVDC Classic.

Att pengar styr är ingen nyhet. I många sammanhang är det kostnader som driver – inte moralen, så var det i alla fall förr. Idag så ”kostar” människors åsikter betydligt mer, det märks både inom marknadsföringen, där relationsmarknadsföring har kommit att bli ett begrepp i sig självt. Det märks också i fantastiska fakta, som vad som egentligen vinner ett val ur bästsäljaren Freakonomics:

Now picture two candidates, one intrinsically appealing and the other not so. The appealing candidate raises much more money and wins easily. But was it the money that won him the votes, or was it his appeal that won the votes and the money? […] Here’s the surprise: the amount of money spent by the candidates hardly matters at all. A winning candidate can cut his spending in half and lose only 1 percent of the vote. Meanwhile, a losing candidate who doubles his spending can expect to shift the vote in his favour by only that same 1 percent. What really matters for a political candidate is not how much you spend; what matters is who you are.

Utdrag ur Freakonomics av Steven D. Levitt & Stephen J. Dubner (Amazon, Adlibris)

På väg A6/E22 från Amsterdam mot Tyskland så kan man inte missa de tiotals vindkraftverk som står längs motorvägen. Personligen är jag inte en av dem som ser vindkraftens ”slagkraft”… jag ställer mig frågan: Hur mycket är det värt att vara miljömedveten (?), En vindkraftspark i Nordsjön består av omkring 80 vindkraftverk á 5 MW, totalt 400 MW. Det är mindre än vad Sveriges första kommersiella reaktor (O1 vid OKG) tillför det svenska elnätet. O1 ger 492 MW och togs i drift 1972. Att de svenska kärnkraftsreaktorerna bör bytas ut (inte minst pga ålder) är en sak, men att byta ut dem mot en sämre energikälla? Kärnkraftsdebatten är en annan fråga, och berör inte detta inlägg. Det som jag finner intressant är just hur mycket folk spelar på relationer, att vara populär.

En fråga. Hade man investerat lika fullt i vindkraft om det inte vore ”miljöklassat”? Men det spelar ingen roll hur mycket det kostar, för det är inte kostnaden som betyder. Vindkraft är i hetluften som ”the environmental way” – och allt annat faller kort.

Vindkraft, Wind power, (c) Johanna Ivarsson 2011

_________________________________________________________________________________________________

That money rules, is no news. Along the highway A6/E22 from Amsterdam towards Germany you can’t fail to miss the tens of wind power turbines standing along the road like a modern version of the old tree avenue. Do not mistake me for being ignorant when it comes to the environment – but I can’t stop myself from asking: How much is it worth being environmentaly aware? One wind farm in the North Sea could consist of around 80 turbines (á 5 MW) – a total of 400 MW. This is less than  the first Swedish commercial nuclear reactor which, today, generates a total of 492 MW and has been around since 1972. That this (admittedly old) reactor is to be substituted by an energy source that is worse? The nuclear debate is not the theme for this post, however interesting. What I really find interesting is how much people play on relations, to be popular. It is shown everywhere – relationship marketing is even its own term.

One question. Would we invest as much in wind power generation if it wasn’t stamped as environmentally friendly? But it doesn’t matter, does it? Because it is not the cost that matters. Wind power is in the air as ”the environmental way” – and everything else falls short.