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Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

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J. Dorn, September 2016 Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine Schlüsseltechnologie für unsere Stromversorgung
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Page 1: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

J. Dorn, September 2016

Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine Schlüsseltechnologie für unsere Stromversorgung

Page 2: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

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

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SIEMENS

Page 3

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

Page 4: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

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

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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

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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

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HVDC ApplicationsSIEMENS

Long Distance OHL

DC Cable

A C-i ¥-ACSystem A ^^DC^Cable^^ System B

Back-to-Back

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Page 8: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

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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Page 9: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

SIEMENS

Page 10

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

Page 10: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

SIEMENS

HVDC Classic: Basic Converter Design

L Rh

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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

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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

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HVDC Thyristor Module (2x13 Thyristors) SIEMENS

64 5

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Suspended Thyristor Modules ensure excellent seismic Performance (Gui-Guang I)

SIEMENS

Page 15 Energietag 2016 des Arbi KE) »Österreichischen Physikalischen Gesellsi ift

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HVDC Classic - Valve Hall and Station SIEMENS

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COMETA, Spain-Mallorca DC Interconnector Indoor AC Yard

SIEMENS

Page 17 rgietag 2016 des ArbeitskreisesE^ergie (AKE)deoÖster^ejjCfrischenPhvsikalischenEi

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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

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800 kV Converter Station SIEMENS

400 kV nr<

} kV De**“

26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellscha

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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

Seite 21 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft

* -

L i.i. nVli

• 1i4 d U M f t b j i » T ^ -f -

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SIEMENS

Page 22

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

Page 22: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

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

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Page 24: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

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

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SIEMENS

MMC - Modularity

*•

PLUSCONTROL™

PM Electronics

l

+

o ■

Submodule

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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

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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

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SIEMENS

All currents controlled by converter arm voltages

-t

Uc(t) T

T T

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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

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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

Seite 31 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft

Page 31: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

SIEMENS

M odularer Aufbau des Strom richters (1)

26.09.2016Source: Siemens AG

Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen GesellschaftSeite 32

Page 32: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

SIEMENS

Modularer Aufbau des Stromrichters (2)

H

Source: Siemens AGSeite 33 26.09.2016 Energietag 2016 des Arbeitskreises Energie (AKE) der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft

Page 33: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

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

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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

Page 36: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

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

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Page 37: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

SIEMENSINELFE, France-SpainWorldwide biggest VSC HVDC System with 2000 MW capacity

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SIEMENS

Page 39

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

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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

Page 40: Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) - eine ...

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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