Converter

Soms worden gelijkstroom en wisselstroom in elkaar omgezet. Stations met dit doel worden converters genoemd.

Het elektriciteitsnet werkt op wisselstroom. Maar er zijn ook opwekkers (zonneparken bijvoorbeeld) die gelijkstroom produceren. Verder heb je ook hoogspanningsgelijkstroom of HVDC (High Voltage Direct Current) die voornamelijk wordt gebruikt als elektriciteit over grotere afstanden onder water moet worden verplaatst. Dat gaat met wisselstroom niet als de afstand te groot wordt. Voor het omzetten van wisselstroom in gelijkstroom en omgedraaid worden converters gebruikt.

Het is niet eenvoudig om binnenin een converterstation te kijken, en als je er al in mag is fotografie wel eens verboden. Vandaar dat we het vooralsnog moeten doen met een afbeelding van Wikipedia. Hier zien we een thyristorinstallatie in Nieuw Zeeland. Beeld: Marshelec, via Wikipedia (CC BY-SA).

Ingewikkelde bezigheid

In de geschiedenis van elektriciteit als energiedrager zijn we op een wisselstroomnetwerk uitgekomen omdat wisselstroom met eenvoudige(r) generators kan worden geproduceerd, omdat het met transformators zonder bewegende delen van spanning kan worden veranderd en omdat wisselstroom de aangename eigenschap heeft vanzelf naar evenwichten te zoeken: in netbalans, maar ook geografisch tussen gebieden met meer productie en gebieden met meer vraag. Schakelen en beveiligen is met wisselstroom makkelijker dan met gelijkstroom, en een vermaasd net aanleggen is met wisselstroom eenvoudiger dan met gelijkstroom. Toch heeft wisselstroom ook een aantal nadelen, zodat gelijkstroom bleef intrigeren. Er is een draad minder nodig dan bij wisselstroom, er is alleen een stilstaand magneetveld,er zijn geen harmonischen, en het kent slechts Ohmse weerstand en geen impedantie (extra vormen van weerstand door inductief en capacitief gedrag). Het belangrijkste voordeel van gelijkstroom is dat het geen tijdfactor kent en dat het net zo makkelijk onder water kan dan door de lucht.

We hebben nu eenmaal een wisselstroomnet, dus dat is de norm. Overal waar we gelijkstroom willen gebruiken is het nodig de ene stroomsoort in de andere om te zetten. Vergeleken met een transformator, waarin wisselstroom slechts van spanning wordt veranderd, is een converter waarin wisselstroom en gelijkstroom in elkaar worden omgezet een razend ingewikkeld apparaat. Vroeger werden ze gemaakt als roterende omvormers: eigenlijk gewoon een motor/generatorkoppel waarbij de generator quasi-gelijkstroom produceerde door een slipring. Zulke apparaten waren duur, luidruchtig en omdat er een behoorlijke roterende massa in zat waren ze ook onderhoudsgevoelig. Later kwamen kwikdampgelijkrichters. Daarin kon wisselstroom worden gestopt, maar kon spanning slechts één kant op doordat één elektrode een scherpe punt had en de ander uit een plas kwik bestond. Op de scherpe punt wou zich wel een vonk vormen richting de plas kwik, maar omgekeerd niet. Door ze telkens twee aan twee toe te passen was de sinusvorm van wisselstroom om te klappen in quasi-gelijkstroom die daarna met condensators of met extra gelijkrichters die iets fasehoekverdraaid waren vlak te strijken en.. eh, je snapt hem al. Kwik is moeilijk spul en het terug omzetten in wisselstroom was ook een klus op zich.

Tegenwoordig is vermogenselektronica de belangrijkste manier om wisselstroom in gelijkstroom te veranderen en vice versa. In kleine installaties zoals omvormers voor zonnepanelen, in middelgrote installaties zoals gelijkrichters en inverters voor batterijparken en spoorbovenleidingen (wanneer die een gelijkstroomsysteem gebruiken zoals in Nederland) en ook in de grootste installaties die we kennen: HVDC-converters die tegenwoordig met gemak een gigawatt vermogen aankunnen.

Hun doel is het aansluiten van HVDC-kabels naar zware windparken en tussen verschillende landen als ze onder een stuk zee door moeten, maar er is ook een tweede doel waar ze nuttig zijn: het verbinden van twee niet-gesynchroniseerde wisselstroomnetten. Als de netfrequentie van twee wisselstroomnetten niet overeen komt of als de netten niet gesynchroniseerd zijn (ze lopen net een fractie uit fase) kunnen ze niet met transformators worden verbonden. Een converter kan dat wel, tenminste als je er twee met hun rug tegen elkaar aan zet en er tussenin een kort stukje gelijkstroomkabel aanlegt. Zulke converters worden Back to Back converters of B2B-installaties genoemd. We vinden ze aan de randen van het ENTSO-E elektriciteitsnet.

In de praktijk kunnen beide functies gecombineerd worden. Zo is het Engelse elektriciteitsnet niet gesynchroniseerd met het vasteland, en er ligt ook nog een stuk zeewater tussen. De HVDC-kabels en hun converters dienen tegelijk als interconnectors en een soort B2B-stations, maar dan zijn beide helften aan de overzijde van het water geplaatst.

B2B-converter op Vyborgskara (Rusland), waarmee het Finse net aan het Russische net is verbonden. Beide netten zijn niet gesynchroniseerd en dus is een korte gelijkstroomstap nodig om ze alsnog te verbinden. Of eigenlijk wás, want sinds de Russische inval in Oekraïne heeft Finland de breakers open gezet zodat welhaast symbolisch een verbinding werd verbroken. Spijtig, hopelijk volgen spoedig betere tijden.

Op de netkaart zien we zo hier en daar HVDC-verbindingen en converterstations. Ze vormen geen eigen netwerk, maar dienen eerder als ad-hoc oplossingen of als point-to-point verbindingen tussen twee wisselstroomstations, bijna altijd wanneer er water tussen ligt of wanneer het twee netten zijn die niet zijn gesynchroniseerd. Op dit moment zijn er in Nederland en België vijf HVDC-verbindingen en dus ook vijf zulke stations.

De NorNed-converterhal wekt de indruk van kouwe kak, maar we moeten niet vergeten dat de NorNed-kabel in zijn begindagen een wereldrecord was: nooit eerder was zo’n lange stroomkabel over de zeebodem uitgerold tussen twee landen (580 kilometer). Foto door Ole Nielsen.

Kwetsbaar, dus binnen

Een converterstation biedt een heel andere aanblik dan een gangbaar wisselstroomstation. De apparatuur waarmee gelijkstroom en wisselstroom in elkaar worden omgezet is wat fijngevoeliger dan de robuuste vermogenstransformators die meestal netjes in de kopermenie zitten en gewoon buiten achter een scherfmuur staan. Ook vermogensschakelaars zijn grote, zware apparaten die tegen een stootje kunnen. Dat is bij de vermogenselektronica waar converters mee werken wel anders. Het is relatief fragiel spul dat slecht tegen water kan en wat je dus zeker in het West-Europese klimaat buiten kan laten staan. Omdat zulke converters vaak aan de kust staan heb je ook nog met zout te maken.

Daarom bouwt men er afgesloten hallen voor. De eerste HVDC-converter in Nederland was de NorNed-converter, die de ene kant van de gelijkstroomkabel naar Noorwegen vormt. Toen, we schrijven 2007, was HVDC nog een trots nieuwtje in Nederland waardoor een gebouw met hippe architectuur (toe maar!) werd gebouwd, en die vervolgens niemand zag omdat het ding in de Eemshaven staat. Vrij snel ging het nieuwtje eraf. De BritNed-converter werd al in een stuk saaier gebouw gezet en de COBRA herken je amper vanaf de buitenkant. Het is gewoon een stalen loods.

De COBRA-converterhal pal naast NorNed werd in 2019 opgeleverd, twaalf jaar later. Toen was het nieuwtje van HVDC-interconnecties er ook in Nederland wel een beetje vanaf. Het is een saaie doos zonder opsmuk, die eigenlijk goed nieuws is: HVDC is nu een standaardgereedschap geworden. Foto door PJK.

Duur, maar snelle ontwikkelingen

In de loop van de geschiedenis zijn verschillende manieren gebruikt om van de kwikdampgelijkrichters af te komen en daarna de vermogenselektronica zo goedkoop, klein en rendabel mogelijk te maken. Dat laatste is aardig gelukt, maar de gebruikte thyristorschakelingen en condensatorbanken (thyristors zijn een variant op transistors, waarmee met een kleine schakelstroom een groot vermogen kan worden geschakeld, net als met een relais) zijn nog steeds zo groot als hele appartementenblokken: veel forser dan een transformator voor hetzelfde vermogen. Ze worden letterlijk aan het dak op enige hoogte boven de grond opgehangen om daar hun werk te doen, in een hal die de afmetingen van een vliegtuighangar overtreft.

Vermogenselektronica loopt ook financieel flink in de vermogens. De aanlegkosten voor de NorNed-kabel bedroegen € 600 miljoen, waarvan de aanleg van de 580 kilometer lange zeekabel ‘slechts’ 130 miljoen voor zijn rekening nam. De rest kwam voor rekening van ambtelijke procedures en vooral van de twee converterstations om de kabel met de bestaande koppelnetten van Noorwegen en Nederland te verbinden. Apparatuur met zo’n prijs is niet iets dat je graag buiten in de zoute lucht aan de kust zet.

In het buitenland treffen we af en toe wel eens HVDC-apparatuur aan in de openlucht, met name bij HVDC-verbindingen in China, Congo en Brazilië. Daar zijn de afgelopen tien jaar verbindingen met succes in gebruik genomen die per exemplaar een spanning van maar liefst 800 kV tot inmiddels 1100 kV en een transportvermogen van 6000 MVA tot 12.000 MVA hebben: HVDC kan inmiddels wedijveren met de zwaarste wisselstroomverbindingen. De converterstations en de condensatorbanken die hiervoor nodig zijn hebben een groot oppervlak nodig: voor een HVDC-converterstation met dezelfde capaciteit als een gangbare 380 kV-verbinding in Nederland (1645 MVA) is reeds vijf tot acht hectare grondgebied vereist.

In Nederland en België is voorlopig weinig reden om meer HVDC aan te leggen dan interconnecties met het buitenland en offshore windparken: de afstanden zijn hier te klein en het bestaande net functioneert naar behoren, waardoor het kapitaalvernietiging is om opeens te besluiten het allemaal anders te gaan doen. Ook betrouwbaarheid is een overweging. Op dit moment is het ondanks allerlei trotse publicaties van producenten nog steeds een feit dat een wisselstroomverbinding een hogere betrouwbaarheid heeft dan HVDC. Wanneer de leveringszekerheid op één staat, is de keuze voor wisselstroom.

Maar ontwikkelingen gaan heel snel. Na een eeuw wat in de marge op de achtergrond te hebben geprutteld is HVDC sinds grofweg de jaren 90 bezig uit te groeien tot een bijzonder bruikbare nieuwe tool in de gereedschapskist, al is een converterstation typisch een speeltje van de moderne tijd: vol elektronica.