Високовольтні лінії постійного і змінного струму

У 1919 р інженер Михайло Осипович Доліво-Добровольський написав роботу «Про межах застосовності трифазного змінного струму для передачі електроенергії на відстань». Провівши дослідження, він довів, що при електропередачах великої потужності і на дуже далеку відстань відбудеться зворотній перехід від змінного струму до постійного. [30]

Вважається, що пішли в минуле часи, коли вирішувалося питання, яким бути електромереж в світі - мереж постійного або змінного струму (так звана «війна струмів або напруг», що мала місце на рубежі 19-20 століть). В даний час більшість мереж - це мережі змінної напруги з частотою 50/60 Гц. Проте, останні події в енергетиці показують, що стара дискусія може повернутися.

В даний час йдуть процеси, які можуть потіснити монополію змінного струму

1) Розвиток високовольтних систем постійного струму (ЛПТ / HVDC систем) в системах електропередачі триває завдяки наступним перевагам [1]:

Відсутні втрати на випромінювання, так електромагнітні хвилі випромінює тільки провідник зі змінним струмом.
У мережі немає реактивної (паразитного) потужності і, отже, витрат на боротьбу з нею, тобто немає коефіцієнта потужності і необхідності його поліпшення.
Економія на матеріалах опор ЛЕП, проводів.

Основна перевага HVDC - це можливість передати більшу кількість енергії на велику відстань з меншими капітальними витратами і меншими втратами, ніж в HVAC лініях [1]. Залежно від рівня напруги і конструкційних особливостей втрати становлять близько 3% на 1км [1]. HVDC дозволяють більш ефективно використовувати енергетичні джерела віддалені від навантажувальних центрів.

Основні приклади, де використання HVDC більш ефективно, ніж HVAC:

Підводні кабелі (наприклад, 250 км Балтійський кабель між Швецією і Німеччиною [1], 600 км кабель NorNed між Норвегією і Голландією, 290 км зв'язка Basslink між Австралійським материком і Тасманії [1]). У підводних кабелях лінії змінного струму неефективні через втрат на струми Фуко в солоній воді.
Далекомагістральні потужні лінії електропередачі типу «кінцева точка - кінцева точка» без проміжних відгалужень, наприклад, у віддалених (незаселених) областях.
Збільшення потужності існуючої силової мережі в ситуаціях, де додаткові дроти встановлювати важко або дорого.
Передача потужності і стабілізація між несинхронізованих розподільними системами змінної напруги (Power transmission and stabilization between unsynchronised AC distribution systems).
Підключення віддаленої генеруючої електростанції до головної мережі, наприклад: Nelson River DC Transmission System.
Стабілізація переважної AC мережі за рахунок того, що HVDC не вносить вклад в загальний струм КЗ системи (Stabilizing a predominantly AC power-grid, without increasing prospective short circuit current).
Зниження ціни лінії електропередачі. HVDC потребує меншої кількості провідників так як немає необхідності підтримки багатофазних систем. Так само, через відсутність скін-ефекту можуть використовуватися більш тонкі провідники.
Полегшення передачі (обміну) енергією між країнами (районами, мережами), які використовують різні частоти промислової мережі.
Синхронізація мереж змінної напруги, виробленого ВДЕ [1].

Переваги та недоліки HVDC за іншими джерелами [2]:

A. Переваги HVDC

Велика передана потужність для провідника одного перетину (немає випромінювання, немає скін-ефекту і ін.).
Більш проста конструкція лінії (немає реактивних компенсаторів і ін.).
Може бути використаний повернення через землю (ОЛВЗ). Мається на увазі, що менше втрати на струми Фуко і ін. Тому в HVAC лініях також використовується ОЛВЗ / SWER.
У разі ОЛВЗ кожен провідник може працювати як незалежна ланцюг.
Немає зарядного струму, тобто змінного струму йде на підзаряд ємностей лінії (No charging current. Additional current must flow in the cable to charge the cable capacitance). Це особливо важливо в підземних / підводних кабелях. Тому в підводних ЛЕП HVDC використовується вже кілька десятиліть.
Немає скін ефекту.
Кабелі можуть працювати при більш високому градієнті напруги (так як немає струмів Фуко).
Коефіцієнт потужності лінії завжди дорівнює одиниці: реактивної потужності немає, лінія не потребує реактивної компенсації.
Менше коронний розряд і радіоперешкоди, особливо в погану погоду, для провідника з тими ж самими діаметром і RMS напругою як в HVAC.
Синхронна робота не вимагається.
Отже, дистанція лінії не обмежена вимогами стабільності.
Може з'єднувати системи змінної напруги з різними частотами.
Низький струм КЗ в лінії з постійним струмом (Low short-circuit current on DC line).
Чи не вносить вклад в ток КЗ AC лінії (Does not contribute to short-circuit current of a A.C system).
Регулювання перетоків потужності легко здійснюється / контролюється (Tie-line power is easily controlled).

B. Недоліки HVDC

Конвертори дороги.
Конвертори сполучення з HVAC стикаються з проблемою реактивної потужності.
Конвертори генерують гармоніки, потрібні фільтри.
Мультітермінальную (мережа з безліччю споживачів) систему побудувати нелегко (Multiterminal or network operation is not easy) [2].

Дальні дистанції технічно недосяжні для ліній HVAC без проміжних станцій компенсації реактивної потужності. Частота і проміжні реактивні компоненти викликають проблеми стабільності AC лінії. З іншого боку HVDC лінія електропередачі не має проблеми стабільності через відсутність частоти, і отже, немає обмеження на довжину лінії. Ціна на одиницю довжини для HVDC лінії нижче, ніж для HVAC при тій же потужності і надійності. Однак, ціна термінального обладнання (обладнання кінцевих станцій) HVDC лінії значно вище ніж HVAC. Найбільше цінову перевагу HVDC лінії досягається на відстанях понад 500-800 км. HVDC лінії менше впливає на людину і на природу в цілому, це робить HVDC більш «доброзичливою» по відношенню до навколишнього середовища [2].

Переваги HVDC [9]:

Високовольтні DC і сверхвисоковольтние DC системи - це досконалі технології, чудово підходять для цілей інтеграції різних джерел енергії таких, як сонце і вітер в локальні електричні мережі. Це особливо важливо для великомасштабних офшорних проектів вітроелектростанцій, або великомасштабних СЕС. HVDC мають численні переваги над традиційною HVAC ЛЕП. Одне з головних переваг HVDC - малі втрати при передачі енергії, на відміну від великих втрат в HVAC лініях.

Основне практичне правило виглядає наступним чином: на кожні 1000 км DC лінії втрати становлять менше 3% (на прикладі лінії 5000 МВт, 800 кВ). Зазвичай втрати DC лінії на 30-40% менше, ніж втрати для ліній AC, при тих же рівнях напруги. Тому для ЛЕП великої довжини DC (ЛПТ) є єдиним прийнятним рішенням, як з технічної, так економічної точки зору. Підтвердження можна можна почерпнути з досвідчених даних, представлених нижче і отриманих на HVAC і HVDC Transmission system for the Nelson River Bipole [1, 2]. З графіків порівняння витрат на будівництво стандартної ЛЕП і ЛПТ, видно що починаючи з відстані 450 миль ЛПТ більш вигідні, і з подальшим зростанням відстані вигода зростає.

Високовольтні лінії постійного і змінного струму

Переваги HVDC [12]:

Особливість системи ABB HVDC Light - можливість стабілізувати напругу ліній змінного струму, а так само можливість використання для зв'язку з ізольованими віддаленими джерелами генерації в місцях, де будівництво нових повітряних ліній надвисокої напруги занадто витратно. Це важливо для вітряних електростанцій, так як вони значно віддалені і різниця в швидкості вітру може привести до значних коливань напруги.

Так само система HVDC вигідна для підземних підводних кабелів. Ось приклади реалізованих проектів:

Протяжний підземний кабель (70 км Gotland HVDC Light) від вітряної електростанції (Швеція).
Протяжний підземний кабель (59 км Terranora interconnector і 180 км Murraylink) між двома мережами (Австралія) [12] та ін.

Зауваження: HVDC мають багато особливостей, які продовжують вивчатися і часто не можуть бути віднесені тільки до переваг або тільки недоліків, наприклад, коронний розряд не тільки призводить до втрат і радіошуми, а й виробляє озон.

Таким чином, переваги HVDC для підводних і підземних застосувань обумовлені відсутністю струмів Фуко, а переваги на далеких дистанціях - малої займаною площею через менший відстані між проводами і відсутності скін-ефекту (немає необхідності розбивати провідники на кілька менших, працює весь обсяг дроти, незалежно від перетину) і проблем коефіцієнта потужності.

Недоліки HVDC пов'язані зі використанням складних перетворювачів (конверторів), необхідністю їх контролю та обслуговування [1].

З початку розвитку ліній постійного струму з 1880-х років і до середини 20 століття в багатьох країнах було зроблено декілька спроб побудови ЛПТ систем (Італія, Швейцарія, Німеччина та ін.). Тільки потім почалося суттєве розвиток DC систем. Після Великої Вітчизняної Війни в СРСР були введені в лад ЛПТ ЛЕП 30 МВт ЛПТ Кашира-Москва (1951 р), 750 МВт Полтава-Донбас (1964 г) та ін. З тих пір число ЛПТ ЛЕП в світі збільшилося і продовжує рости.

Нижче наведена карта HVDC ліній Європи (багато з яких обслуговують об'єкти відновлюваної енергетики такі, як вітро- і гідро- електростанції), а також проектовані HVDC Китаю [4,5].

2) Відновлювана енергетика як «локомотивна галузь» тягне за собою розвиток систем / ліній постійного струму (ЛПТ / HVDC) за рахунок їх переваги

У зв'язку з проходженням піку споживання вуглеводнів в результаті зростання цін на газ і нафту різко зростає роль поновлюваних джерел енергії, а також всіх суміжних з ними галузях, зокрема будівництві ЛПТ. Лінії змінного струму AC ефективні в системах з машинної генерацією напруги синусоїдальної форми, наприклад: ДЕС, ТЕС, АЕС і т.п. А для таких відновлюваних джерел енергії, таких як ВЕС і СЕС більш ефективні в роботі ЛПТ.

Це зв'язано з тим що:

Дані ВДЕ не можуть самостійно генерувати змінну напругу з фіксованою частотою і напругою (як генератори на звичайних ЕС). Це пов'язано з нестабільністю альтернативних джерел енергії (Сонце, вітер) і актуальною проблемою вигідного акумулювання енергії. Тому для ВДЕ потрібні імпульсні перетворювачі, яким легше працювати з ЛПТ. Навпаки, парові, дизельні, газові та ін. Приводи генераторів звичайних ЕС спочатку легко дають фіксований змінну напругу ( «стабільну напругу, стабільна частота»).

Виходить, що ефективність ЛЕП змінного струму як би «прив'язана» до нафти, газу тощо. НВДЕ. Винятком є ГЕС (ВДЕ), але ГЕС не можуть працювати цілодобово і тому також потребують об'єднання мереж (в ГЕС з накопичувальним водосховищем робота на номінальну потужність виробляється періодично тому вода акумулюється в періоди знижених навантажень). ГЕС працюють на водотоке не придатні для вироблення великих потужностей - див. Нижче.

Розглянемо поширену ситуацію з централізованої електростанцією в регіоні, коли електростанція - це одиночний центр, що живить весь навколишній регіон. В цьому випадку ніякі об'єднання електромереж не потрібні або потрібні тільки для аварійного режиму. Може йтися про об'єднання одиниць ЕС - ЕС на ВДЕ (ВЕС СЕС та ін.), Сильно розосередженими по великій території, тому питання об'єднання десятків, сотень, і більше одиниць ЕС в єдину мережу вкрай важливий. А в разі об'єднання ЛПТ виграє в порівнянні з ЛЕП змінного струму по простоті й ефективності.

Причини необхідності об'єднання ЕС на ВДЕ і вигідності HVDC для цих цілей:

Паркові ВЕС (Вітроелектростанції / Wind farms) і СЕС електростанції спочатку є сильно розосередженими по великій території на площі кілька десятків і сотень кв. км. Прикладом можуть служити офшорні, гірські, рівнинні паркові ВЕС - в середньому від 30 до 300 одиничних ВЕС потужністю 1-6 МВт кожна на території 10-300 кв. км [7].
Паркові ЕС на ВДЕ вимагають об'єднання в єдину енергосистему, так як джерело енергії нестабільний, а дешевий акумулятор електроенергії до сих пір не розроблений.
Паркові ЕС часто видалені і розосереджені, так як прив'язані до ресурсів сонця і вітру, тому потрібно багато довгих ЛЕП, що більш підходить для HVDC технології.
Для об'єднання багатьох терміналів (джерел і споживачів) HVDC значно вигідніше (див переваги вище). Головна причина - не потрібно синхронізація, термінали підключаються паралельно.
При використанні HVDC ліній спрощується споруда системи «мережева електростанція». При цьому паркова ЕС може видавати енергію в мережу, приймати енергію з мережі в акумулятори, передавати / ретранслювати потоки енергії.
При використанні HVDC ліній спрощується споруда системи «об'єднана мережева електростанція» для великого числа малих приватних ЕС / споживачів.
При використанні HVDC спрощується побудова енергосистеми «силовий інтернет», що включає безліч дрібних і великих станцій типу «джерело», «споживач», «акумулятор», а також їх комбінацій.
Навіть в даний час, коли більшість основних магістральних мереж - HVAC, через свою вигідності HVDC використовуються для сполучення мереж HVAC, сполучення мереж HVAC з ЕС на ВДЕ.