Πλεονεκτήματα των γραμμών μεταφοράς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης σε σύγκριση με τις γραμμές εναλλασσόμενου ρεύματος

Έχοντας γίνει παραδοσιακές γραμμές μεταφοράς υψηλής τάσης, σήμερα λειτουργούν αμετάβλητα χρησιμοποιώντας εναλλασσόμενο ρεύμα. Αλλά έχετε σκεφτεί ποτέ τα πλεονεκτήματα που μπορεί να δώσει μια γραμμή μεταφοράς DC υψηλής τάσης σε σύγκριση με μια γραμμή AC; Ναι, μιλάμε για γραμμές μεταφοράς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης (HVDC Power Transmission).

Φυσικά, για το σχηματισμό γραμμής συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης, καταρχήν, μετατροπείς, που θα έκανε συνεχές ρεύμα από εναλλασσόμενο ρεύμα και εναλλασσόμενο από συνεχές ρεύμα. Τέτοιοι μετατροπείς και μετατροπείς είναι ακριβοί, καθώς και τα ανταλλακτικά για αυτούς, έχουν περιορισμούς υπερφόρτωσης, επιπλέον, για κάθε γραμμή η συσκευή πρέπει να είναι μοναδική χωρίς υπερβολές. Σε μικρές αποστάσεις, οι απώλειες ισχύος στους μετατροπείς καθιστούν μια τέτοια γραμμή μεταφοράς γενικά μη οικονομική.

Αλλά σε ποιες εφαρμογές θα είναι προτιμότερο να το χρησιμοποιήσετε D.C.? Γιατί η υψηλή τάση AC μερικές φορές δεν είναι αρκετά αποδοτική; Τέλος, χρησιμοποιούνται ήδη γραμμές μεταφοράς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης; Θα προσπαθήσουμε να λάβουμε απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα.

Δεν χρειάζεται να πάτε μακριά για παραδείγματα. Ένα ηλεκτρικό καλώδιο που τοποθετείται στον πυθμένα της Βαλτικής μεταξύ δύο γειτονικών χωρών, της Γερμανίας και της Σουηδίας, έχει μήκος 250 μέτρα και αν το ρεύμα ήταν εναλλασσόμενο, τότε η χωρητική αντίσταση θα προκαλούσε σημαντικές απώλειες. Ή κατά την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε απομακρυσμένες περιοχές όταν δεν είναι δυνατή η εγκατάσταση ενδιάμεσου εξοπλισμού. Και εδώ, το συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης θα προκαλέσει λιγότερες απώλειες.

Τι γίνεται αν χρειαστεί να αυξήσετε τη χωρητικότητα μιας υπάρχουσας γραμμής χωρίς να τοποθετήσετε μια επιπλέον; Και στην περίπτωση τροφοδοσίας συστημάτων διανομής AC που δεν είναι συγχρονισμένα μεταξύ τους;

Εν τω μεταξύ, για ειδική ισχύ που μεταδίδεται για συνεχές ρεύμα, σε υψηλή τάση, απαιτείται μικρότερη διατομή του καλωδίου και οι πύργοι μπορεί να είναι χαμηλότεροι. Για παράδειγμα, η καναδική γραμμή μεταφοράς ποταμού Bipole Nelson River συνδέει το δίκτυο διανομής και τον απομακρυσμένο σταθμό παραγωγής ενέργειας.

Τα δίκτυα εναλλασσόμενου ρεύματος μπορούν να σταθεροποιηθούν χωρίς να αυξηθεί ο κίνδυνος βραχυκυκλωμάτων. Οι εκκενώσεις κορώνας, οι οποίες προκαλούν απώλειες στις γραμμές AC λόγω κορυφών υπερυψηλής τάσης, είναι πολύ λιγότερες με το DC, αντίστοιχα, απελευθερώνεται λιγότερο επιβλαβές όζον. Και πάλι, η μείωση του κόστους κατασκευής γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας, για παράδειγμα, χρειάζονται τρία καλώδια για τρεις φάσεις και μόνο δύο για HVDC. Για άλλη μια φορά, τα μέγιστα οφέλη των υποβρυχίων καλωδίων δεν είναι μόνο λιγότερα υλικά, αλλά και λιγότερες χωρητικές απώλειες.

Από το 1997Η AAB εγκαθιστά γραμμές HVDC Light με ισχύ έως 1,2 GW σε τάσεις έως 500 kV. Έτσι κατασκευάστηκε μια ονομαστική ζεύξη ισχύος 500 MW μεταξύ των δικτύων της Μεγάλης Βρετανίας και της Ιρλανδίας.

Αυτή η σύνδεση βελτιώνει την ασφάλεια και την αξιοπιστία της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ των δικτύων. Διασχίζοντας από τα δυτικά προς τα ανατολικά, ένα από τα καλώδια του δικτύου έχει μήκος 262 χιλιόμετρα, με το 71% του καλωδίου να βρίσκεται στον βυθό της θάλασσας.

Για άλλη μια φορά, να θυμάστε ότι εάν το ρεύμα εναλλασσόμενου ρεύματος χρησιμοποιούταν για την επαναφόρτιση της χωρητικότητας του καλωδίου, θα υπήρχαν περιττές απώλειες ισχύος και επειδή το ρεύμα εφαρμόζεται συνεχώς, οι απώλειες είναι αμελητέες. Επιπλέον, οι απώλειες διηλεκτρικού AC δεν πρέπει επίσης να παραμεληθούν.

Γενικά, με συνεχές ρεύμα, περισσότερη ισχύς μπορεί να μεταδοθεί μέσω του ίδιου καλωδίου, επειδή οι κορυφές της τάσης στην ίδια ισχύ, αλλά με εναλλασσόμενο ρεύμα, είναι υψηλότερες, επιπλέον, η μόνωση πρέπει να είναι παχύτερη, η διατομή είναι μεγαλύτερη, Η απόσταση μεταξύ των αγωγών είναι μεγαλύτερη κ.λπ. Λαμβάνοντας υπόψη όλους αυτούς τους παράγοντες, ο διάδρομος της γραμμής μεταφοράς συνεχούς ρεύματος παρέχει πυκνότερη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας.

Γύρω τους δεν δημιουργούνται μόνιμες γραμμές υψηλής τάσης Εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο χαμηλής συχνότηταςόπως είναι τυπικό για τις γραμμές μεταφοράς AC. Μερικοί επιστήμονες μιλούν για τη βλάβη αυτού του μεταβλητού μαγνητικού πεδίου στην ανθρώπινη υγεία, στα φυτά, στα ζώα. Το συνεχές ρεύμα, με τη σειρά του, δημιουργεί μόνο μια σταθερή (όχι μεταβλητή) κλίση ηλεκτρικού πεδίου στο χώρο μεταξύ του αγωγού και του εδάφους, και αυτό είναι ασφαλές για την υγεία των ανθρώπων, των ζώων και των φυτών.

Η σταθερότητα των συστημάτων AC διευκολύνεται από το συνεχές ρεύμα.Λόγω της υψηλής τάσης και του συνεχούς ρεύματος, είναι δυνατή η μεταφορά ισχύος μεταξύ συστημάτων AC που δεν είναι συγχρονισμένα μεταξύ τους. Αυτό αποτρέπει την εξάπλωση της καταρράκτης ζημιάς. Σε περίπτωση μη κρίσιμων αστοχιών, η ενέργεια απλώς μεταφέρεται μέσα ή έξω από το σύστημα.

Αυτό ενισχύει περαιτέρω την υιοθέτηση δικτύων DC υψηλής τάσης, δημιουργώντας νέα θεμέλια.

Σταθμός μετατροπέα Siemens για γραμμή μεταφοράς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης (HVDC) μεταξύ Γαλλίας και Ισπανίας

Σχηματική απεικόνιση μιας σύγχρονης γραμμής HVDC

Η ροή ενέργειας ρυθμίζεται από ένα σύστημα ελέγχου ή ένα σταθμό μετατροπής. Η ροή δεν σχετίζεται με τον τρόπο λειτουργίας των συστημάτων που συνδέονται στη γραμμή.

Οι διασυνδέσεις σε γραμμές συνεχούς ρεύματος έχουν αυθαίρετα μικρή χωρητικότητα μετάδοσης σε σύγκριση με τις γραμμές AC και εξαλείφεται το πρόβλημα των αδύναμων ζεύξεων. Οι ίδιες οι γραμμές μπορούν να σχεδιαστούν λαμβάνοντας υπόψη τη βελτιστοποίηση των ροών ενέργειας.

Επιπλέον, εξαφανίζονται οι δυσκολίες συγχρονισμού πολλών διαφορετικών συστημάτων ελέγχου για τη λειτουργία μεμονωμένων ενεργειακών συστημάτων. Περιλαμβάνονται γρήγοροι ελεγκτές έκτακτης ανάγκης Ηλεκτρικά καλώδια συνεχούς ρεύματος αύξηση της αξιοπιστίας και της σταθερότητας του συνολικού δικτύου. Ο έλεγχος ροής ισχύος μπορεί να μειώσει τις ταλαντώσεις σε παράλληλες γραμμές.

Αυτά τα πλεονεκτήματα θα διευκολύνουν την ταχύτερη υιοθέτηση της αλληλεπίδρασης συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης προκειμένου να σπάσουν τα μεγάλα συστήματα ισχύος σε πολλά μέρη που είναι συγχρονισμένα μεταξύ τους.

Για παράδειγμα, πολλά περιφερειακά συστήματα έχουν κατασκευαστεί στην Ινδία που διασυνδέονται με γραμμές συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης.Υπάρχει επίσης μια αλυσίδα μετατροπέων που ελέγχονται από ειδικό κέντρο.

Το ίδιο συμβαίνει και στην Κίνα. Το 2010, η ABB κατασκεύασε στην Κίνα το πρώτο συνεχές ρεύμα υπερυψηλής τάσης στον κόσμο 800 kV στην Κίνα. Η γραμμή Zhongdong — Wannan UHV DC 1100 kV με μήκος 3400 km και χωρητικότητα 12 GW ολοκληρώθηκε το 2018.

Από το 2020, έχουν ολοκληρωθεί τουλάχιστον δεκατρία εργοτάξια. Γραμμές EHV DC στην Κίνα. Οι γραμμές HVDC μεταδίδουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε σημαντικές αποστάσεις, με πολλούς προμηθευτές ρεύματος συνδεδεμένους σε κάθε γραμμή.

Κατά κανόνα, οι προγραμματιστές γραμμών μεταφοράς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης δεν παρέχουν στο ευρύ κοινό πληροφορίες σχετικά με το κόστος των έργων τους, καθώς αυτό είναι εμπορικό μυστικό. Ωστόσο, οι ιδιαιτερότητες των έργων κάνουν τις δικές τους προσαρμογές και η τιμή ποικίλλει ανάλογα με: ισχύ, μήκος καλωδίου, μέθοδο εγκατάστασης, κόστος γης κ.λπ.

Συγκρίνοντας οικονομικά όλες τις πτυχές, λαμβάνεται μια απόφαση σχετικά με τη σκοπιμότητα κατασκευής μιας γραμμής HVDC. Για παράδειγμα, η κατασκευή μιας γραμμής μεταφοράς τεσσάρων γραμμών μεταξύ Γαλλίας και Αγγλίας, ισχύος 8 GW, μαζί με τις χερσαίες εργασίες, απαιτούσε περίπου ένα δισεκατομμύριο λίρες.

Κατάλογος σημαντικών έργων συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης (HVDC) από το παρελθόν

Στη δεκαετία του 1880 έγινε ένας λεγόμενος πόλεμος ρευμάτων ανάμεσα σε υποστηρικτές του DC όπως ο Thomas Edison και υποστηρικτές του AC όπως ο Nikola Tesla και ο George Westinghouse. Το DC διήρκεσε για 10 χρόνια, αλλά η ταχεία ανάπτυξη των μετασχηματιστών ισχύος, που ήταν απαραίτητοι για την αύξηση της τάσης και έτσι τον περιορισμό των απωλειών, οδήγησε στον πολλαπλασιασμό των δικτύων AC. Μόνο με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος έγινε δυνατή η χρήση συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης.

Τεχνολογία HVDC εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1930. Αναπτύχθηκε από την ASEA στη Σουηδία και τη Γερμανία. Η πρώτη γραμμή HVDC κατασκευάστηκε στη Σοβιετική Ένωση το 1951 μεταξύ Μόσχας και Κασίρα. Στη συνέχεια, το 1954, κατασκευάστηκε μια άλλη γραμμή μεταξύ του νησιού Gotland και της ηπειρωτικής Σουηδίας.

Μόσχα — Κασίρα (ΕΣΣΔ) — μήκος 112 km, τάση — 200 kV, ισχύς — 30 MW, έτος κατασκευής — 1951. Θεωρείται ότι είναι το πρώτο πλήρως στατικό ηλεκτρονικό συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης στον κόσμο που τέθηκε σε λειτουργία. Η γραμμή δεν υπάρχει αυτήν τη στιγμή.

Gotland 1 (Σουηδία) — μήκος 98 km, τάση — 200 kV, ισχύς — 20 MW, έτος κατασκευής — 1954. Η πρώτη εμπορική σύνδεση HVDC στον κόσμο. Επεκτάθηκε από την ABB το 1970, παροπλίστηκε το 1986.

Βόλγκογκραντ — Ντονμπάς (ΕΣΣΔ) — μήκος 400 km, τάση — 800 kV, ισχύς — 750 MW, έτος κατασκευής — 1965. Το πρώτο στάδιο της γραμμής ισχύος 800 kV συνεχούς ρεύματος Volgograd — Donbass τέθηκε σε λειτουργία το 1961, το οποίο σημειώθηκε στον Τύπο εκείνης της εποχής ως πολύ σημαντικό στάδιο στην τεχνική ανάπτυξη της σοβιετικής ηλεκτρικής μηχανικής. Η γραμμή αυτή τη στιγμή έχει αποσυναρμολογηθεί.

Δοκιμή ανορθωτών υψηλής τάσης για γραμμή συνεχούς ρεύματος στο εργαστήριο VEI, 1961.

Γραμμικό διάγραμμα συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης Volgograd — Donbass

Κοίτα: Φωτογραφίες ηλεκτρικών εγκαταστάσεων και ηλεκτρικού εξοπλισμού στην ΕΣΣΔ 1959-1962

HVDC μεταξύ των νησιών της Νέας Ζηλανδίας — μήκος 611 km, τάση — 270 kV, ισχύς — 600 MW, έτος κατασκευής — 1965. Από το 1992, ανακατασκευάστηκε ΑΒΒ… Τάση 350 kV.

Από το 1977Μέχρι τώρα όλα τα συστήματα HVDC έχουν κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας εξαρτήματα στερεάς κατάστασης, στις περισσότερες περιπτώσεις θυρίστορ, αφού στα τέλη της δεκαετίας του 1990 χρησιμοποιούνται μετατροπείς IGBT.

Μετατροπείς IGBT στο σταθμό μετατροπέα Siemens για τη γραμμή μεταφοράς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης (HVDC) μεταξύ Γαλλίας και Ισπανίας

Cahora Bassa (Μοζαμβίκη - Νότια Αφρική) — μήκος 1420 km, τάση 533 kV, ισχύς — 1920 MW, έτος κατασκευής 1979. Πρώτο HVDC με τάση πάνω από 500 kV. Επισκευή ΑΒΒ 2013-2014

Ekibastuz — Tambov (ΕΣΣΔ) — μήκος 2414 km, τάση — 750 kV, ισχύς — 6000 MW. Το έργο ξεκίνησε το 1981. Όταν τεθεί σε λειτουργία, θα είναι η μεγαλύτερη γραμμή μεταφοράς στον κόσμο. Τα εργοτάξια εγκαταλείφθηκαν γύρω στο 1990 λόγω της κατάρρευσης της Σοβιετικής Ένωσης και η γραμμή δεν ολοκληρώθηκε ποτέ.

Interconnexion France Angleterre (Γαλλία — Μεγάλη Βρετανία) — μήκος 72 km, τάση 270 kV, ισχύς — 2000 MW, έτος κατασκευής 1986.

Gezhouba - Σαγκάη (Κίνα) — 1046 km, 500 kV, ισχύς 1200 MW, 1989.

Rihand Delhi (Ινδία) — μήκος 814 km, τάση — 500 kV, ισχύς — 1500 MW, έτος κατασκευής — 1990.

Καλώδιο Βαλτικής (Γερμανία - Σουηδία) — μήκος 252 km, τάση — 450 kV, ισχύς — 600 MW, έτος κατασκευής — 1994.

Tien Guan (Κίνα) — μήκος 960 km, τάση — 500 kV, ισχύς — 1800 MW, έτος κατασκευής — 2001.

Talcher Kolar (Ινδία) — μήκος 1450 km, τάση — 500 kV, ισχύς — 2500 MW, έτος κατασκευής — 2003.

Τρία Φαράγγια - Changzhou (Κίνα) — μήκος 890 km, τάση — 500 kV, ισχύς — 3000 MW, έτος κατασκευής — 2003. Το 2004 και το 2006.Κατασκευάστηκαν 2 ακόμη γραμμές από το υδροηλεκτρικό εργοστάσιο HVDC "Three Gorges" μέχρι το Huizhou και τη Σαγκάη για 940 και 1060 km.

Ο μεγαλύτερος υδροηλεκτρικός σταθμός στον κόσμο, τα Three Gorges, συνδέεται με το Changzhou, το Guangdong και τη Σαγκάη με γραμμές συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης

Xiangjiaba-Σαγκάη (Κίνα) — η γραμμή από Fulong προς Fengxia. Το μήκος είναι 1480 km, η τάση είναι 800 kV, η ισχύς είναι 6400 MW, το έτος κατασκευής είναι το 2010.

Γιουνάν — Γκουανγκντόνγκ (Κίνα) — μήκος 1418 km, τάση — 800 kV, ισχύς — 5000 MW, έτος κατασκευής — 2010.