Zalety linii przesyłowych prądu stałego wysokiego napięcia w porównaniu z liniami prądu przemiennego
Stając się tradycyjnymi liniami przesyłowymi wysokiego napięcia, dziś niezmiennie działają na prąd przemienny. Ale czy kiedykolwiek zastanawiałeś się nad zaletami, jakie może dać linia przesyłowa prądu stałego wysokiego napięcia w porównaniu z linią prądu przemiennego? Tak, mówimy o liniach przesyłowych wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC Power Transmission).
Oczywiście do budowy linii wysokiego napięcia prądu stałego w pierwszej kolejności konwertery, który wytwarzałby prąd stały z prądu przemiennego i prąd przemienny z prądu stałego. Takie falowniki i przetwornice są drogie, podobnie jak części zamienne do nich, mają ograniczenia przeciążeniowe, ponadto dla każdej linii urządzenie musi być niepowtarzalne bez przesady. Na krótkich dystansach straty mocy w przekształtnikach powodują, że taka linia przesyłowa jest generalnie nieekonomiczna.
Ale w jakich aplikacjach lepiej będzie go używać DC? Dlaczego wysokie napięcie prądu przemiennego czasami nie jest wystarczająco wydajne? Wreszcie, czy linie przesyłowe prądu stałego wysokiego napięcia są już w użyciu? Postaramy się uzyskać odpowiedzi na te pytania.
Nie trzeba daleko szukać przykładów. Kabel elektryczny ułożony na dnie Bałtyku między dwoma sąsiednimi krajami, Niemcami i Szwecją, ma 250 metrów długości i gdyby prąd był zmienny, to rezystancja pojemnościowa spowodowałaby znaczne straty. Lub podczas dostarczania energii elektrycznej do odległych obszarów, gdy nie jest możliwe zainstalowanie urządzeń pośrednich. Również tutaj prąd stały o wysokim napięciu spowoduje mniejsze straty.
Co zrobić, jeśli potrzebujesz zwiększyć przepustowość istniejącej linii bez instalowania dodatkowej? A w przypadku zasilania systemów dystrybucji prądu przemiennego, które nie są ze sobą zsynchronizowane?
Tymczasem dla określonej mocy przesyłanej dla prądu stałego, przy wysokim napięciu, wymagany jest mniejszy przekrój przewodu, a słupy mogą być niższe. Na przykład kanadyjska dwubiegunowa linia przesyłowa Nelson River łączy sieć dystrybucyjną i zdalną elektrownię.
Sieci elektroenergetyczne prądu przemiennego można stabilizować bez zwiększania ryzyka zwarć. Wyładowania koronowe, które powodują straty w liniach prądu przemiennego z powodu bardzo wysokich szczytów napięcia, są znacznie mniejsze w przypadku prądu stałego, odpowiednio mniej szkodliwego ozonu jest uwalniane. Ponownie, zmniejszając koszty budowy linii energetycznych, na przykład trzy przewody są potrzebne do trzech faz, a tylko dwa do HVDC. Po raz kolejny maksymalne korzyści z kabli podmorskich to nie tylko mniej materiału, ale także mniejsze straty pojemnościowe.
Od 1997AAB instaluje linie HVDC Light o mocy do 1,2 GW przy napięciu do 500 kV. W ten sposób zbudowano łącze mocy nominalnej 500 MW między sieciami Wielkiej Brytanii i Irlandii.
Połączenie to poprawia bezpieczeństwo i niezawodność dostaw energii elektrycznej pomiędzy sieciami. Jeden z kabli w sieci, biegnący z zachodu na wschód, ma długość 262 kilometrów, z czego 71% znajduje się na dnie morskim.
Jeszcze raz pamiętaj, że gdyby prąd zmienny był używany do ładowania pojemności kabla, wystąpiłyby niepotrzebne straty mocy, a ponieważ prąd jest podawany w sposób ciągły, straty są znikome. Ponadto nie należy lekceważyć strat dielektrycznych prądu przemiennego.
Ogólnie rzecz biorąc, przy prądzie stałym tym samym przewodem można przesłać więcej mocy, ponieważ szczyty napięcia przy tej samej mocy, ale przy prądzie przemiennym, są wyższe, ponadto izolacja musi być grubsza, przekrój poprzeczny jest większy, odległość między przewodami jest większa itp. Biorąc pod uwagę wszystkie te czynniki, korytarz linii przesyłowej prądu stałego zapewnia gęstszą transmisję energii elektrycznej.
Wokół nich nie powstają trwałe linie wysokiego napięcia zmienne pole magnetyczne o niskiej częstotliwościco jest typowe dla linii przesyłowych prądu przemiennego. Niektórzy naukowcy mówią o szkodliwości tego zmiennego pola magnetycznego dla zdrowia ludzi, roślin, zwierząt. Z kolei prąd stały wytwarza jedynie stały (niezmienny) gradient pola elektrycznego w przestrzeni między przewodnikiem a ziemią, a to jest bezpieczne dla zdrowia ludzi, zwierząt i roślin.
Stabilność systemów prądu przemiennego ułatwia prąd stały.Ze względu na wysokie napięcie i prąd stały możliwe jest przesyłanie mocy między systemami prądu przemiennego, które nie są ze sobą zsynchronizowane. Zapobiega to rozprzestrzenianiu się kaskadowych uszkodzeń. W przypadku awarii niekrytycznych energia jest po prostu wprowadzana lub wyprowadzana z systemu.
To jeszcze bardziej przyspiesza przyjęcie sieci prądu stałego wysokiego napięcia, tworząc nowe fundamenty.
Stacja przekształtnikowa firmy Siemens dla linii przesyłowej wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) między Francją a Hiszpanią
Schemat nowoczesnej linii HVDC
Przepływ energii jest regulowany przez układ sterowania lub stację konwersji. Przepływ nie jest związany ze sposobem pracy systemów podłączonych do linii.
Połączenia międzysieciowe na liniach prądu stałego mają dowolnie małą przepustowość w porównaniu z liniami prądu przemiennego, a problem słabych łączy zostaje wyeliminowany. Same linie mogą być projektowane z uwzględnieniem optymalizacji przepływów energii.
Ponadto znikają trudności synchronizacji kilku różnych systemów sterowania pracą poszczególnych systemów energetycznych. W zestawie szybkie kontrolery awaryjne Przewody elektryczne prądu stałego zwiększenie niezawodności i stabilności całej sieci. Sterowanie przepływem mocy może zredukować oscylacje w liniach równoległych.
Te zalety ułatwią szybsze przyjęcie interakcji wysokiego napięcia prądu stałego w celu rozbicia dużych systemów elektroenergetycznych na kilka części, które są ze sobą zsynchronizowane.
Na przykład w Indiach zbudowano kilka systemów regionalnych, które są połączone liniami prądu stałego wysokiego napięcia.Istnieje również łańcuch konwerterów kontrolowanych przez specjalny ośrodek.
Tak samo jest w Chinach. W 2010 roku ABB zbudowała w Chinach pierwszą na świecie linię ultrawysokiego napięcia prądu stałego 800 kV w Chinach.Linia 1100 kV Zhongdong — Wannan UHV DC o długości 3400 km i mocy 12 GW została ukończona w 2018 roku.
Od 2020 r. ukończono co najmniej 13 budów Linie EHV DC w Chinach. Linie HVDC przesyłają duże ilości energii na znaczne odległości, a do każdej linii podłączonych jest wielu dostawców energii.
Z reguły twórcy linii przesyłowych wysokiego napięcia prądu stałego nie podają opinii publicznej informacji o kosztach swoich projektów, ponieważ jest to tajemnica handlowa. Jednak specyfika projektów dokonuje własnych korekt, a cena waha się w zależności od: mocy, długości kabla, sposobu instalacji, kosztu gruntu itp.
Porównując ekonomicznie wszystkie aspekty, podejmuje się decyzję dotyczącą wykonalności budowy linii HVDC. Na przykład budowa czteroliniowej linii przesyłowej między Francją a Anglią o mocy 8 GW wraz z pracami na lądzie wymagała około miliarda funtów.
Lista znaczących projektów wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) z przeszłości
w 1880 roku toczyła się tak zwana wojna prądów między zwolennikami DC, takimi jak Thomas Edison, a zwolennikami AC, takimi jak Nikola Tesla i George Westinghouse. Prąd stały przetrwał 10 lat, ale szybki rozwój transformatorów mocy, niezbędnych do podwyższenia napięcia, a tym samym ograniczenia strat, doprowadził do rozpowszechnienia się sieci prądu przemiennego. Dopiero wraz z rozwojem energoelektroniki stało się możliwe zastosowanie prądu stałego o wysokim napięciu.
Technologia HVDC pojawił się w latach 30. Został opracowany przez ASEA w Szwecji i Niemczech. Pierwsza linia HVDC została zbudowana w Związku Radzieckim w 1951 roku między Moskwą a Kaszirą. Następnie, w 1954 r., zbudowano kolejną linię między wyspą Gotlandią a Szwecją kontynentalną.
Moskwa — Kaszira (ZSRR) — długość 112 km, napięcie — 200 kV, moc — 30 MW, rok budowy — 1951. Uważany jest za pierwszy na świecie oddany do eksploatacji w pełni statyczny elektroniczny prąd stały wysokiego napięcia. Linia obecnie nie istnieje.
Gotlandia 1 (Szwecja) — długość 98 km, napięcie — 200 kV, moc — 20 MW, rok budowy — 1954. Pierwsze na świecie komercyjne łącze HVDC. Rozbudowany przez ABB w 1970, wycofany ze służby w 1986.
Wołgograd — Donbas (ZSRR) — długość 400 km, napięcie — 800 kV, moc — 750 MW, rok budowy — 1965. Pierwszy etap linii elektroenergetycznej 800 kV DC Wołgograd — Donbas został oddany do użytku w 1961 r., co odnotowano w ówczesnej prasie jako bardzo ważny etap w technicznym rozwoju sowieckiej elektrotechniki. Linia jest obecnie zdemontowana.
Badanie prostowników wysokiego napięcia dla linii prądu stałego w laboratorium VEI, 1961.
Schemat linii wysokiego napięcia prądu stałego Wołgograd — Donbas
Patrzeć: Fotografie instalacji i urządzeń elektrycznych w ZSRR 1959-1962
HVDC między wyspami Nowej Zelandii — długość 611 km, napięcie — 270 kV, moc — 600 MW, rok budowy — 1965. Od 1992 r. przebudowywany АBB… Napięcie 350 kV.
od 1977 rdo tej pory wszystkie systemy HVDC były budowane przy użyciu elementów półprzewodnikowych, w większości przypadków tyrystorów, od końca lat 90. stosowano przetwornice IGBT.
Inwertery IGBT w stacji przekształtnikowej firmy Siemens dla linii przesyłowej wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) między Francją a Hiszpanią
Cahora Bassa (Mozambik — Republika Południowej Afryki) — długość 1420 km, napięcie 533 kV, moc — 1920 MW, rok budowy 1979. Pierwszy HVDC o napięciu powyżej 500 kV. Naprawa ABB 2013-2014
Ekibastuz — Tambow (ZSRR) — długość 2414 km, napięcie — 750 kV, moc — 6000 MW. Projekt rozpoczął się w 1981 roku. Po oddaniu do użytku będzie to najdłuższa linia przesyłowa na świecie. Budowy zostały opuszczone około 1990 roku z powodu upadku Związku Radzieckiego, a linia nigdy nie została ukończona.
Interconnexion France Angleterre (Francja — Wielka Brytania) — długość 72 km, napięcie 270 kV, moc — 2000 MW, rok budowy 1986.
Gezhouba — Szanghaj (Chiny) — 1046 km, 500 kV, moc 1200 MW, 1989 r.
Rihand Delhi (Indie) — długość 814 km, napięcie — 500 kV, moc — 1500 MW, rok budowy — 1990.
Kabel bałtycki (Niemcy - Szwecja) — długość 252 km, napięcie — 450 kV, moc — 600 MW, rok budowy — 1994.
Tien Guan (Chiny) — długość 960 km, napięcie — 500 kV, moc — 1800 MW, rok budowy — 2001.
Talcher Kolar (Indie) — długość 1450 km, napięcie — 500 kV, moc — 2500 MW, rok budowy — 2003.
Trzy Przełomy — Changzhou (Chiny) — długość 890 km, napięcie — 500 kV, moc — 3000 MW, rok budowy — 2003. W latach 2004 i 2006.Zbudowano 2 kolejne linie z hydroelektrowni HVDC „Three Gorges” do Huizhou i Szanghaju na długości 940 i 1060 km.
Największa na świecie elektrownia wodna Three Gorges jest połączona z Changzhou, Guangdong i Szanghajem liniami prądu stałego wysokiego napięcia
Xiangjiaba-Szanghaj (Chiny) — linia z Fulong do Fengxia. Długość 1480 km, napięcie 800 kV, moc 6400 MW, rok budowy 2010.
Yunnan — Guangdong (Chiny) — długość 1418 km, napięcie — 800 kV, moc — 5000 MW, rok budowy — 2010.