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J. Dorn, September 2016
Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine Schlüsseltechnologie für unsere Stromversorgung
SIEMENS
■
■
■
Page 2
Introduction and Basics
Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
■ Technology of L ine-Commutated Current Sourced Converters (LCC) and project examples
■ Technology of Self-commutated V oltage S ourced Converter (VSC) and project examples
Summary
26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
SIEMENS
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Introduction and Basics
Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
■ Technology of L ine-Commutated Current Sourced Converters (LCC) and project examples
■ Technology of Self-commutated V oltage S ourced Converter (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
SIEMENS
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 mix2 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?
SIEMENS
AC Grid 1 4 P► AC Grid 2
Com pared to AC transm ission HVDC has a num ber of advantages:
■ Long overhead lines with high transmission Capacity, low transm issionlosses and reduced right-of-w ay ►!
■ Cable transm issions with low losses and without limitation in length
■ Asynchronous grids can be interconnected
■ Increase of transmission capacity without increasing short circuit currents
■ Fast control of power flow, independent from AC conditions
■ Firewall against cascading disturbances, active pow er oscillation dam ping
Page 6 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft ►I
Comparison of Tower Geometry AC vs. DC SIEMENS
Comparison of Towers for 800 kV AC Line a) and 500 kV DC Line b), at same Transmission Capacity of 3,000 MW
Page 7 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
HVDC ApplicationsSIEMENS
Long Distance OHL
DC Cable
A C-i ¥-ACSystem A ^^DC^Cable^^ System B
Back-to-Back
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SIEMENS
HVDC Classic vs. VSC HVDC
AC Grid 1 ◄p
► AC Grid 2
HVDC Classic VSC HVDC
Line-commutated current-source converter (LCC)
Self-commutated voltage-source converter (VSC)
Thyristors with turn-on capability only Semiconductor Switches with turn-onand turn-off capability, IGBTs
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SIEMENS
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Introduction and Basics
Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
■ Technology of L ine-Commutated Current Sourced Converters (LCC) and project examples
■ Technology of Self-commutated V oltage S ourced Converter (VSC) and project examples
Summary
26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
SIEMENS
HVDC Classic: Basic Converter Design
L Rh
Key Components of a typical Bipolar Classic HVDC Converter Station
SIEMENS
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
Page 12 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
Blo
ckin
g V
olta
ge [
kV]
Development of Thyristor Blocking Voltages and Silicon Area in HVDC Converters
SIEMENS
~ 28 .000
thyris to rs / 1000 MW (for both stations)
8 0
7,0
6,01
5,01
4 0
3.0
2.0
1 0
~ 800
thyris to rs / 1000 MW
I D irect LightT riggering | 8 5kv
T t
30.000
^/.000
24.000
DC-Current: 6250 A
5000 A, 6''
1970 1975 1980
Page 13 26.09.2016
1985 1990 1995 2000
18.000
15.000
12.000
9.000
6.000
< 600
thy ris to rs / 1000 MW 0
2005 2010 2015
Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
Si
Are
a in
mm
2
HVDC Thyristor Module (2x13 Thyristors) SIEMENS
64 5
Seite 14 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
Suspended Thyristor Modules ensure excellent seismic Performance (Gui-Guang I)
SIEMENS
Page 15 Energietag 2016 des Arbi KE) »Österreichischen Physikalischen Gesellsi ift
HVDC Classic - Valve Hall and Station SIEMENS
Seite 16 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
COMETA, Spain-Mallorca DC Interconnector Indoor AC Yard
SIEMENS
Page 17 rgietag 2016 des ArbeitskreisesE^ergie (AKE)deoÖster^ejjCfrischenPhvsikalischenEi
The 800 kV Xiangjiaba-Shanghai Project SIEMENS
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 rte rs ta tio n
F u lo n gc o n v e r te rs ta tio n
Page 18 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
800 kV Converter Station SIEMENS
400 kV 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
SIEMENS
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800 kV Overhead Line Xiangjiaba-ShanghaiSIEMENS
4000A
4000A
+ 800kV 800kV
6400MW
with these two lines
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* -
L i.i. nVli
• 1i4 d U M f t b j i » T ^ -f -
SIEMENS
■
■
■
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Introduction and Basics
Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
■ Technology of L ine-Commutated Current Sourced Converters (LCC) and project examples
■ Technology of Self-commutated V oltage S ourced Converter (VSC) and project examples
Summary
26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
SIEMENS
General features of VSC HVDC
Grid access of w eak AC networks
High dynam ic perform ance
Independent control o f active and reactive pow er
Supply o f passive netw orks and black start capability
Sm all space requirem ents
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SIEMENS
monitoring, cooling plates
Page 24 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
SIEMENS
Modular Multilevel Converter (MMC) Approach
Uac
Udp
Udn
Small Voltage Steps
Small rates of voltage rise
Low switching frequencies
Advantages:
Low em ission of electromagnetic HF fields
Filters and shielding usually not necessary
Low electrical losses
Seite 25 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
SIEMENS
MMC - Modularity
*•
PLUSCONTROL™
PM Electronics
l
+
o ■
Submodule
Seite 26 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
Converter armsoperated as controlled voltage sources
SIEMENS
Uc(t) t
t tSeite 27 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
SIEMENS
Voltage generation
- t
Uc(t )
i
[ 2
r
A)
a)
[1
2
rn
t
t t
AC and DC Voltages controlled by Converter Module Voltages:
26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen GesellschaftSeite 28
SIEMENS
All currents controlled by converter arm voltages
-t
Uc(t) T
T T
Seite 29 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
High system availability and reliability due to redundancy concept
SIEMENS
Phase Unit Submodule (SM)
R eq u irem en ts :• No in te rrup tion o f
ope ra tion in ca se o f a leve l fau lt
• A leve l fau lt d oe s not in flu en ce su rrou n d in g
S o lu t io n :• B u ilt- in level
redundancy (som e percent)
• Fa s t and h igh -re liab le b ypa ss -sw itch
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 DD1I| IGBT2 D2
f2
SIEMENS
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SIEMENS
M odularer Aufbau des Strom richters (1)
26.09.2016Source: Siemens AG
Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen GesellschaftSeite 32
SIEMENS
Modularer Aufbau des Stromrichters (2)
H
Source: Siemens AGSeite 33 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
SIEMENS
Components and subsystems
Switchyard Transformers Star Point Reactor
üb
Insertion Resistor Bypass Switch
rin e i-
Current Measuring Devices
Control, Protection and Monitoring System
ConverterReactors DC Switchyard Transmission
Path
r \
r
\ h mu —
n
UBfr
v |>Bb
To/ from other Station
O — H r
Seite 34 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft►I
Transbay Cable Bird’s eye view
SIEMENS
Source: S iem ens AG
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SIEMENS
Increase of Power Rating of MMCs
Transbay Cab le 400 M W 2010HelW in 1 576 M W 2014
HelW in 2 690 M W 2015SylW in 1 864 M W 2015BorW in 2 800 M W 2015
Inelfe 2 x 1000 M W 2015BorW in 3 900 M W 2019
Com m ercial operation.\
►
/
All platforms in commercial operation!
Com m ercial operation.
Seite 36 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
iwtw
uw
INELFE, France-SpainOverview
SIEMENS
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
Seite 37 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
SIEMENSINELFE, France-SpainWorldwide biggest VSC HVDC System with 2000 MW capacity
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SIEMENS
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Converter Topologies in HVDC and used Semiconductors
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26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
SIEMENS
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 r
DC fault clearing capability
Best solution depends on required transmission capacity, other requirements and circumstancesSeite 40 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft
Thank you for your attention SIEMENS
Jörg DornHead of R&D Transmission Solutions Siemens AG
www.siemens.com/answers
Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKF1 r i p r fWprrpirhic;p.hfin Physikalischen F jP R P l lR r . h f l f t
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