mini|rechts|Stromrichterstation der HGÜ Baltic Cable in Kruseberg, Schweden (2002)
Eine Stromrichterstation ist diejenige Anlage bei einer Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), in der je nach Bedarf Drehstrom in Gleichstrom umgewandelt wird oder umgekehrt.
Neben den Stromrichtern beinhaltet eine Stromrichterstation: je eine Schaltanlage auf Wechselspannungs- und Gleichspannungsseite Stromrichtertransformatoren je nach Art von Konverterstation auch Oberschwingungsfilter und Einrichtungen zur Blindleistungssteuerung.
Arten Anhand der eingesetzten elektronischen Schalter lassen sich unterscheiden: netzgeführte Stromrichter, (LCC), auch als Current Source Converters bezeichnet. Sie setzten elektronische Schalter wie Thyristoren oder historisch Quecksilberdampfgleichrichter ein, welche grundsätzlich zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet, aber nicht mehr durch die Steuerung ausgeschaltet werden können. Für das Ausschalten sind im Wechselspannungsnetz zusätzlich hinreichend starke Wechselspannungsquellen wie Synchrongeneratoren nötig, welche die für die Umrichtung notwendigen Nulldurchgänge der Netzspannung und die nötige Blindleistung liefern und so den Ausschaltzeitpunkt der Thyristoren festlegen. Aus diesem Umstand leitet sich auch der Begriff „netzgeführt“ ab, da LCC in der Funktion des Wechselrichters vom Wechselspannungsnetz, welches sie speisen, geführt werden. Daher können LCC beispielsweise auf Wechselspannungsseite auch keine Inselnetze ohne sonstige Wechselspannungsquellen alleine versorgen. selbstgeführte Stromrichter, (VSC). Sie besitzen elektronische Schalter, welche von der Steuerung sowohl ein- als auch ausgeschaltet werden können, üblicherweise Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT). Diese Schalter erlauben u. a. einen autonomen Inselbetrieb auf Wechselspannungsseite, sind aber weniger robust als die schon länger verfügbaren Thyristoren. Selbstgeführte Anlagen können darüber hinaus im Rahmen von Flexible-AC-Transmission-Systemen (FACTS) induktive oder kapazitive Blindleistung zur Verfügung stellen bzw. aufnehmen und außerdem den Leistungsfluss im Wechselspannungsnetz steuern.Sandra Ullrich, Übertragungsnetze, in: Martin Wietschel, Sandra Ullrich, Peter Markewitz, Friedrich Schulte, Fabio Genoese (Hrsg.), Energietechnologien der Zukunft. Erzeugung, Speicherung, Effizienz und Netze, Wiesbaden 2015, S. 267–322, S. 299f.
Da die Sperrspannung pro Thyristor oder IGBT technisch bedingt nur einige wenige kV beträgt, werden von diesen Bauteilen jeweils mehrere Dutzend in Reihe geschaltet und zu einem Thyristorturm zusammengefasst, um die erforderlichen Sperrspannungen zu erreichen.
Netzgeführte Stromrichter mini|hochkant=2|Prinzipschaltung netzgeführter Stromrichter (LCC) Netzgeführte Stromrichter sind seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich in Betrieb, was unter anderem an den robusten Eigenschaften der eingesetzten Thyristoren liegt. Die eingesetzten Thyristoren weisen Sperrspannungen von bis zu 10 kV auf bei Strömen bis zu 5 kA und können kurzzeitige Überlasten problemlos verkraften. Bei einem Ausfall eines Thyristors fällt dieser in den kurzgeschlossenen Zustand, was bei der Reihenschaltung im Rahmen der Thyristortürme den Weiterbetrieb bis zum nächsten Wartungsintervall erlaubt, so im Thyristorturm entsprechende Reserveeinheiten vorhanden sind.
Weiters weisen Thyristoren mit Stand im Jahr 2019 geringere Verluste auf als vergleichbare Stromrichter mit IGBTs. Außerdem sind LCCs weitgehend tolerant gegenüber Spannungseinbrüchen auf der Gleichspannungsseite, beispielsweise zufolge eines Kurzschlusses auf der Gleichspannungsleitung, und weisen nur geringe Wechselwirkung auf das Wechselspannungssystem auf.
Der Nachteil der netzgeführten Stromrichter besteht darin, dass sie einen wesentlichen Blindleistungbedarf auf Wechselspannungsseite haben und aufwändiger Oberschwingungsfilter zur Unterdrückung von unerwünschten Oberschwingungen bedürfen, welche je nach Netztopologie individuell angepasst werden müssen. Daher ist der Flächenbedarf inklusive Freilandflächen von Stromrichtern basierend auf LCC größer als bei VSC.
Ein weiterer wesentlicher einschränkender Punkt bei netzgeführten Stromrichtern besteht in dem Umstand, dass die Richtung des Stromflusses in jedem Fall gleich bleiben und daher zu einer Umkehrung des Leistungsflusses die Polarität auf der Gleichspannungsseite gewechselt werden muss. Weil sich beim Betrieb von Hochspannungskabeln mit hoher Gleichspannung Raumladungen im Dielektrikum zwischen Innen- und Außenleiter im Kabel ansammeln, führt rasches Umpolen der Gleichspannung jedoch zu lokalen Felderhöhungen im Dielektrikum, welche materialzerstörende Teilentladungen im Isolierstoff auslösen. Daher muss vor Umkehrung des Leistungsflusses bei LCC-Stromrichtern eine bestimmte Zeit, die im Bereich von einigen 10 Minuten liegt, gewartet werden.
Selbstgeführte Stromrichter mini|hochkant=2|Prinzipschaltung selbstgeführter Stromrichter (VSC) Selbstgeführte Stromrichter (VSC) haben neben dem erwähnten unabhängigen Betrieb auf Wechselspannungsseite den Vorteil, dass durch zusätzliche Verwendung einer Pulsdauermodulation (PDM) die Oberschwingungen stark reduziert werden, so dass unter Umständen auf Oberschwingungsfilter gänzlich verzichtet werden kann, wie dies bei der Bauform der VSC in Form der (MMC) der Fall ist. Weiters kann auf der Gleichspannungsseite durch eine Richtungsänderung des Stromflusses, unter Beibehaltung der Polarität der Gleichspannung, der Leistungsfluss in unter 100 ms umgedreht werden. Auch sind VSC auf Wechselspannungsseite grundsätzlich schwarzstartfähig, benötigen also keine andere Wechselspannungsquellen im Wechselspannungsnetz zum Starten.
Der Nachteil der auf IGBTs basierenden VSC sind deren höhere Verlustleistung und höhere Kosten im Vergleich zu Thyristoren, was auch an dem Umstand liegt, dass für die Erzielung der gleichen Gesamtleistung mehr IGBTs als vergleichbare Thyristoren als einzelne Bauelemente eingesetzt werden müssen. Auch sind IGBT weniger robust, insbesondere bei Überlast, und fallen häufiger aus. VSC reagieren auch sehr empfindlich auf Unterspannung auf der Gleichspannungsseite. Bei Fehlern im Gleichspannungskreis muss im Regelfall durch Leistungsschalter auf Wechselspannungsseite eine unmittelbare Abschaltung des kompletten VSC-Stromrichters erfolgen, und eine Wiederverbindung kann längere Zeit in Anspruch nehmen.
Generell ist bei IGBTs der nötige Schaltungsaufwand höher als bei Thyristoren. Beispielsweise neigen IGBTs dazu, bei einem Ausfall in den nicht leitenden Zustand überzugehen, was aufgrund der notwendigen Reihenschaltung aufwändige zusätzliche Überbrückungsschaltungen erfordert.
Bestandteile Stromrichterhalle mini|rechts|Halle der Stromrichterstation mit aufgehängten Thyristortürmen (mit einer Person im unteren Bildbereich zum Größenvergleich) mini|Thyristorturm für 250 kV und 2 kA
Die Stromrichterhalle, historisch auch Ventilhalle (engl. valve hall) genannt, ist das Gebäude, in dem die Stromrichter, typischerweise realisiert mit Thyristoren oder IGBT, früher auch Quecksilberdampfgleichrichter, untergebracht sind. Quecksilberdampfgleichrichter wurden in der Stromrichterhalle auf Isolatoren aufgestellt, während Thyristoren oder IGBTs entweder auf Isolatoren aufgestellt oder an der Decke aufgehängt werden. Letzteres erfordert zwar eine stabilere Deckenkonstruktion, diese kann aber Erdbeben besser überstehen als bei einem stehenden Aufbau. Häufig werden hierbei mehrere Ventilfunktionen in einem Thyristorturm vereint. Neben der Stromrichterhalle befindet sich oft ein zusätzliches Gebäude, in dem die Ansteuerelektronik, Geräte für die Kühlung und Überwachung, Einrichtungen für die Stromversorgung der Hilfseinrichtungen sowie Sozialräume untergebracht sind.
Da die Stromrichter im Betrieb eine hohe elektrische Spannung gegen Erde führen, darf die Stromrichterhalle während des Betriebs der Anlage nicht betreten werden. Im Regelfall ist daher in dem Nebengebäude, von dem aus die Steuerung erfolgt, ein Fenster vorgesehen, um einen Blick auf die Anlage werfen zu können. Da zahlreiche Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen ferngesteuert werden, sind auch häufig Fernüberwachungsgeräte installiert.
Bei manchen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlagen wie der HGÜ Cahora Bassa wurden Stromrichter verwendet, die in ölgefüllten Behältern im Freien aufgestellt werden. Bei solchen Anlagen, die die Ausnahme darstellen, gibt es keine Stromrichterhalle.
Gleichstrom-Schaltanlage Die Gleichstrom-Schaltanlagen bei netzgeführten Stromrichtern (LCC) verfügen fast immer über eine Glättungsdrossel zur Glättung des Gleichstroms. Ihre Induktivität beträgt zwischen 0,1 H und 1 H. Die Glättungsdrossel kann als Luftspule oder als Spule mit Eisenkern ausgeführt sein. In letzteren Fall sieht sie ähnlich aus wie ein Hochspannungstransformator und wird wie ein solcher meist mit Öl gekühlt. Als Luftspulen ausgeführte Glättungsdrosseln ähneln in ihrer Bauart meist Trägerfrequenzsperrspulen in Hochspannungsleitungen, besitzen aber wesentlich größere Abmessungen. Sie sind wie diese meist auf Isolatoren montiert. Luftdrosseln haben den Vorteil, weniger Geräusche zu erzeugen als Eisendrosseln.
Zur Gleichstrom-Schaltanlage gehören auch stets Gleichstrom- und Gleichspannungs-Messwandler. Hierfür kommen zum Gleichstrom-Ausgang in Reihe und parallel zu diesen liegende Transduktoren zum Einsatz.
Gelegentlich werden auch noch Gleichstromfilter zur Beseitigung hochfrequenter Störsignale eingesetzt. Solche Filter sind insbesondere dann nötig, wenn auf der Gleichstromleitung eine Nachrichtenübermittlung nach dem Trägerfrequenzverfahren im Bereich zwischen 30 kHz und 500 kHz erfolgen soll oder wenn die Gleichstromleitung als Freileitung ausgeführt ist, die in unmittelbarer Nähe von Wohnhäusern vorbeiführt. Diese können aus LC-Gliedern bestehen und somit passiv sein, oder aus einem per Übertrager und Schutzkondensatoren angekoppelten Verstärker bestehen und somit aktiv sein. Ein solcher Verstärker gibt ein um 180 Grad zum Störsignal phasenverschobenes Signal auf die Leitung und regelt so die Störung weg. Ein solches System wird bei der HGÜ Baltic Cable verwendet.
Stromrichter mini|rechts|Ehemalige Quecksilberdampf-Gleichrichter der HVDC Inter-Island Link Netzgeführte Stromrichter werden seit Mitte der 1970er Jahre in Thyristortechnik ausgeführt, wobei man fast immer 12-pulsige Dreiphasengleichrichter verwendet, um den Aufwand für die Oberschwingungsfilter zu verringern. Bei älteren Anlagen sind gelegentlich noch Quecksilberdampf-Gleichrichter im Einsatz. Während bei diesen jeder Gleichrichter einzeln aufgestellt ist, werden bei Thyristorstromrichtern 4 Stromrichterventile zu einem Modul, dem Thyristorturm zusammengefasst. Für einen kompletten Stromrichter sind also 3 Thyristortürme nötig.
Bei Anlagen, die nicht mit Stromzwischenkreis, sondern mit Spannungszwischenkreis und als selbstgeführte Stromrichter betrieben werden, kommen statt Thyristoren zumeist IGBTs zum Einsatz. Bei diesen Anlagen unterscheidet sich der Aufbau des Stromrichters grundlegend von denen mit Thyristoren.
Stromrichter-Transformatoren Die Stromrichter-Transformatoren dienen nicht nur zur Anpassung der Spannung des Drehstromnetzes an die der HGÜ, sondern auch durch die besondere Schaltung (Stern-Stern-Dreieck-Schaltung) zur Ausschaltung zahlreicher Oberschwingungen, falls der Stromrichter in 12-Puls-Schaltung ausgeführt ist und nur in dieser Schaltung betrieben wird. Da die Windungen der Stromrichter-Transformatoren ein Gleichspannungspotential gegen Erde führen, muss die Isolation der Windungen dieser Transformatoren besonders bemessen werden.