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Erneuerbare Energien – Gleichstromübertragung und Blindleistungskompensation machen's möglich

HGÜ und FACTs für stabile Netze

20. Oktober 2010, 10:45 Uhr | Heinz Arnold

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Stromrichtertechnik für HGÜ

Herz eines HGÜ-Systems ist der Stromrichter, auch Converter genannt. Schon seit langem sind die netzgeführten Stromrichter (Line-Commutated Converters, kurz LCC) die Arbeitspferde der HGÜ, die auch bei höchsten Leistungen mit sehr geringen Verlusten (1,3 bis 1,5 %, beide Stationen zusammen) sehr robust und zuverlässig arbeiten und über sehr hohe Überlastfähigkeiten verfügen. Als Schaltelemente finden hier Thyristoren Einsatz.

Wie der Name schon sagt, werden in LCC-Systemen die Kommutierungsvorgänge im Stromrichter durch die Wechselspannung des angeschlossenen Netzes bestimmt. Thyristoren können den Strom nur einschalten, das Abschalten erfolgt beim Stromnulldurchgang auf Grund der treibenden Netzspannung. Steht keine Netzspannung zur Verfügung, kann das System nicht funktionieren, es ist daher nicht Blackstart-fähig. Die netzgeführte Technik braucht aus diesem Grund eine ausreichende Netzkurzschlussleistung an der Anschluss-Stelle, das heißt eine Mindestzahl von Kraftwerkseinspeisungen. Der Vorteil der auf Thyristoren basierenden netzgeführten Stromrichter liegt in ihren hohen Kapazitäten: Systeme mit höchster Übertragungsleistung im Bereich von 5 bis über 7 GW lassen sich derzeit nur mit Thyristoren realisieren.

Selbstgeführte Systeme

In bestimmten Anwendungen ist es allerdings vorteilhaft, auf die selbstgeführte Technik (Self-Commutated Converter, SCC) mit Spannungszwischenkreis (Voltage Sourced Converters, VSC) zu setzen. Diese Technik arbeitet mit Hochleistungstransistoren (IGBTs), die wie ein elektronischer Generator auch ein spannungsloses Netz selbständig aufbauen können (Blackstart-Fähigkeit).

Siemens verwendet platzsparende, modulare Multilevel-Technik, die ohne aufwendige Kompensations- und Filtereinrichtungen auskommt. Diese Technik basiert auf in Reihe geschaltete Power-Module mit Kondensatoren, die wie Spannungsquellen arbeiten, während die netzgeführte Thyristortechnik mit Glättungsdrosseln wie Stromquellen wirken (Current- Sourced Converters, CSC). Die Stationsverluste bei VSC mit Multileveltechnik liegen mit ca. 2 % etwas höher als bei LCC, frühere Zwei- und Drei-Level Schaltungen kamen auf bis zu 6 % Verluste. Wie schon gesagt, brauchen solche VSCs keine Netzspannung – sie können diese sogar über die in den Kondensatoren gespeicherte Energie selbst aufbauen (Elektronischer Generator), eine wichtige Funktion für den Start von Offshore Plattformen und die Versorgung von Inselnetzen. Bisher waren dazu vor allem Zwei- und Drei-Level VSCs Einsatz, die jeweils zwei oder drei Spannungspegel an die Drehstromanschlüsse des Netzes aufschalten. Die Gleichspannung wird über Pulsweitenmodulation (PWM) getaktet. Dabei müssen alle Schaltelemente – in einem Converter-Zweig können das einige Hundert sein – auf einmal schalten. Die Folge sind hohe Spannungssprünge, die über Filter aufwändig geglättet werden müssen, um sich der gewünschten Sinuskurve anzunähern. Das bedeutet eine hohe Belastung für die Leistungselektronik, und der notwendige Filteraufwand ist erheblich.