Prednosti visokonapetostnih enosmernih daljnovodov v primerjavi z izmeničnimi

Ker so postali tradicionalni visokonapetostni daljnovodi, danes vedno delujejo na izmenični tok. Toda ali ste kdaj razmišljali o prednostih, ki jih lahko nudi visokonapetostni DC daljnovod v primerjavi z AC vodom? Da, govorimo o visokonapetostnih enosmernih daljnovodih (HVDC Power Transmission).

Seveda je za oblikovanje visokonapetostnega enosmernega toka v prvi vrsti pretvorniki, ki bi iz izmeničnega toka naredil enosmerni in iz enosmernega izmenični tok. Takšni pretvorniki in pretvorniki so dragi, pa tudi rezervni deli zanje, imajo omejitve preobremenitve, poleg tega mora biti za vsako linijo naprava edinstvena brez pretiravanja. Na kratkih razdaljah je zaradi izgub moči v pretvornikih tak daljnovod na splošno neekonomičen.

Toda v katerih aplikacijah ga bo bolje uporabiti D.C.? Zakaj visoka izmenična napetost včasih ni dovolj učinkovita? Končno, ali so visokonapetostni enosmerni daljnovodi že v uporabi? Poskušali bomo dobiti odgovore na ta vprašanja.

Za primere vam ni treba iti daleč. Električni kabel, položen po dnu Baltskega morja med dvema sosednjima državama, Nemčijo in Švedsko, je dolg 250 metrov in če bi bil tok izmeničen, bi kapacitivni upor povzročil precejšnje izgube. Ali pri dobavi električne energije oddaljenim območjem, ko ni mogoče namestiti vmesne opreme. Tudi tukaj bo visokonapetostni enosmerni tok povzročil manjšo izgubo.

Kaj pa, če morate povečati zmogljivost obstoječe linije, ne da bi vgradili dodatno? In v primeru napajanja izmeničnih distribucijskih sistemov, ki med seboj niso sinhronizirani?

Medtem je za specifično moč, ki se prenaša za enosmerni tok, pri visoki napetosti potreben manjši presek žice, stolpi pa so lahko nižji. Na primer, kanadski prenosni daljnovod Bipole Nelson River povezuje distribucijsko omrežje in oddaljeno elektrarno.

Električna omrežja izmeničnega toka je mogoče stabilizirati brez povečanja tveganja kratkega stika. Koronske razelektritve, ki povzročajo izgube v izmeničnih napeljavah zaradi ultravisokih napetostnih konic, so veliko manjše pri enosmerni napetosti, zato se sprošča manj škodljivega ozona. Spet zmanjšanje stroškov gradnje daljnovodov, na primer tri žice so potrebne za tri faze in samo dve za HVDC. Še enkrat, največje prednosti podmorskih kablov niso le manjše materialne, ampak tudi manjše kapacitivne izgube.

Od leta 1997AAB postavlja HVDC Light vode z močjo do 1,2 GW pri napetostih do 500 kV. Tako je bila med omrežji Velike Britanije in Irske zgrajena povezava nazivne moči 500 MW.

Ta povezava izboljšuje varnost in zanesljivost oskrbe z električno energijo med omrežji. Eden od kablov v omrežju, ki poteka od zahoda proti vzhodu, je dolg 262 kilometrov, pri čemer je 71 % kabla na morskem dnu.

Še enkrat si zapomnite, da če bi izmenični tok uporabili za ponovno polnjenje kapacitivnosti kabla, bi prišlo do nepotrebnih izgub moči, in ker se tok stalno uporablja, so izgube zanemarljive. Poleg tega ne smemo zanemariti izmeničnih dielektričnih izgub.

Na splošno velja, da se pri enosmernem toku lahko po isti žici prenese več moči, ker so napetostni vrhovi pri enaki moči, pri izmeničnem toku pa višji, poleg tega mora biti izolacija debelejša, presek večji, večja razdalja med vodniki ipd. Upoštevajoč vse te dejavnike omogoča koridor enosmernega daljnovoda gostejši prenos električne energije.

Okoli njih se ne ustvarjajo trajni visokonapetostni vodi nizkofrekvenčno izmenično magnetno poljekot je značilno za daljnovode AC. Nekateri znanstveniki govorijo o škodi tega spremenljivega magnetnega polja za zdravje ljudi, rastlin, živali. Enosmerni tok pa ustvarja samo konstanten (ne spremenljiv) gradient električnega polja v prostoru med prevodnikom in tlemi, kar je varno za zdravje ljudi, živali in rastlin.

Stabilnost izmeničnih sistemov omogoča enosmerni tok.Zaradi visoke napetosti in enosmernega toka je možen prenos moči med izmeničnimi sistemi, ki med seboj niso sinhronizirani. To preprečuje širjenje kaskadne škode. V primeru nekritičnih okvar se energija preprosto premakne v sistem ali iz njega.

To dodatno spodbuja sprejetje visokonapetostnih enosmernih omrežij, kar daje nove temelje.

Pretvorniška postaja Siemens za visokonapetostni enosmerni daljnovod (HVDC) med Francijo in Španijo

Shema sodobne linije HVDC

Pretok energije uravnava krmilni sistem ali pretvorniška postaja. Pretok ni povezan z načinom delovanja sistemov, priključenih na vod.

Medsebojne povezave na DC vodih imajo poljubno majhno prenosno zmogljivost v primerjavi z AC vodi, problem šibkih povezav pa je odpravljen. Same linije je mogoče oblikovati ob upoštevanju optimizacije energetskih tokov.

Poleg tega odpadejo težave pri sinhronizaciji več različnih krmilnih sistemov za delovanje posameznih energetskih sistemov. Vključeni so hitri krmilniki v sili Električne žice za enosmerni tok povečanje zanesljivosti in stabilnosti celotnega omrežja. Nadzor pretoka moči lahko zmanjša nihanja v vzporednih linijah.

Te prednosti bodo olajšale hitrejše sprejemanje visokonapetostne enosmerne interakcije, da bi razdelili velike elektroenergetske sisteme na več delov, ki so med seboj sinhronizirani.

Na primer, v Indiji je bilo zgrajenih več regionalnih sistemov, ki so med seboj povezani z visokonapetostnimi enosmernimi vodi.Obstaja tudi veriga pretvornikov, ki jih nadzoruje poseben center.

Enako je na Kitajskem. Leta 2010 je ABB na Kitajskem zgradil prvi ultravisokonapetostni enosmerni tok na svetu 800 kV. 1100 kV vod Zhongdong — Wannan UHV DC z dolžino 3400 km in zmogljivostjo 12 GW je bil dokončan leta 2018.

Od leta 2020 je bilo dokončanih najmanj trinajst gradbišč EHV DC proge na Kitajskem. Vodi HVDC prenašajo velike količine energije na precejšnje razdalje, pri čemer je na vsako linijo priključenih več dobaviteljev električne energije.

Proizvajalci visokonapetostnih enosmernih daljnovodov praviloma širši javnosti ne posredujejo podatkov o stroških svojih projektov, saj je to poslovna skrivnost. Vendar pa posebnosti projektov naredijo svoje prilagoditve in cena se razlikuje glede na: moč, dolžino kabla, način namestitve, stroške zemljišča itd.

Z ekonomsko primerjavo vseh vidikov se sprejme odločitev o izvedljivosti izgradnje HVDC voda. Na primer, gradnja štirivodnega daljnovoda med Francijo in Anglijo z zmogljivostjo 8 GW je skupaj z deli na kopnem zahtevala približno milijardo funtov.

Seznam pomembnih visokonapetostnih enosmernih projektov (HVDC) iz preteklosti

V 1880-ih prišlo je do tako imenovane vojne tokov med zagovorniki enosmernega toka, kot je Thomas Edison, in zagovorniki izmeničnega toka, kot sta Nikola Tesla in George Westinghouse. DC je trajal 10 let, vendar je hiter razvoj močnostnih transformatorjev, potrebnih za povečanje napetosti in s tem omejitev izgub, privedel do širjenja omrežij AC. Šele z razvojem močnostne elektronike je postala mogoča uporaba visokonapetostnega enosmernega toka.

HVDC tehnologija pojavil v tridesetih letih prejšnjega stoletja. Razvila ga je ASEA na Švedskem in v Nemčiji. Prvi vod HVDC je bil v Sovjetski zvezi zgrajen leta 1951 med Moskvo in Kaširo. Nato je bila leta 1954 zgrajena še ena proga med otokom Gotland in celinsko Švedsko.

Moskva — Kašira (ZSSR) — dolžina 112 km, napetost — 200 kV, moč — 30 MW, leto izgradnje — 1951. Šteje se, da je prvi popolnoma statični elektronski visokonapetostni enosmerni tok na svetu, ki je začel delovati. Linija trenutno ne obstaja.

Gotland 1 (Švedska) — dolžina 98 km, napetost — 200 kV, moč — 20 MW, leto izgradnje — 1954. Prva komercialna povezava HVDC na svetu. Leta 1970 ga je razširil ABB, razgradil leta 1986.

Volgograd — Donbas (ZSSR) — dolžina 400 km, napetost — 800 kV, moč — 750 MW, leto izgradnje — 1965. Prva stopnja 800 kV DC daljnovoda Volgograd — Donbas je bila predana leta 1961, kar je bilo v takratnem tisku označeno kot zelo pomembna faza v tehničnem razvoju sovjetske elektrotehnike. Proga je trenutno razstavljena.

Preizkušanje visokonapetostnih usmernikov za enosmerni vod v laboratoriju VEI, 1961.

Linijska shema visokonapetostnega enosmernega toka Volgograd — Donbas

poglej: Fotografije električnih napeljav in električne opreme v ZSSR 1959-1962

HVDC med otoki Nove Zelandije — dolžina 611 km, napetost — 270 kV, moč — 600 MW, leto izgradnje — 1965. Od leta 1992 rekonstruiran ABB… Napetost 350 kV.

Od leta 1977do zdaj so bili vsi sistemi HVDC zgrajeni z uporabo polprevodniških komponent, v večini primerov tiristorjev, od poznih devetdesetih let prejšnjega stoletja pa so bili uporabljeni IGBT pretvorniki.

IGBT pretvorniki v pretvorniški postaji Siemens za visokonapetostni enosmerni (HVDC) daljnovod med Francijo in Španijo

Cahora Bassa (Mozambik - Južna Afrika) — dolžina 1420 km, napetost 533 kV, moč — 1920 MW, leto izgradnje 1979. Prvi HVDC z napetostjo nad 500 kV. ABB popravilo 2013-2014

Ekibastuz — Tambov (ZSSR) — dolžina 2414 km, napetost — 750 kV, moč — 6000 MW. Projekt se je začel leta 1981. Ko bo začel obratovati, bo to najdaljši daljnovod na svetu. Gradbišča so bila okoli leta 1990 opuščena zaradi razpada Sovjetske zveze in proga ni bila nikoli dokončana.

Interconnexion France Angleterre (Francija — Velika Britanija) — dolžina 72 km, napetost 270 kV, moč — 2000 MW, leto izgradnje 1986.

Gezhouba – Šanghaj (Kitajska) — 1046 km, 500 kV, moč 1200 MW, 1989.

Rihand Delhi (Indija) — dolžina 814 km, napetost — 500 kV, moč — 1500 MW, leto izgradnje — 1990.

Baltski kabel (Nemčija - Švedska) — dolžina 252 km, napetost — 450 kV, moč — 600 MW, leto izgradnje — 1994.

Tien Guan (Kitajska) — dolžina 960 km, napetost — 500 kV, moč — 1800 MW, leto izgradnje — 2001.

Talcher Kolar (Indija) — dolžina 1450 km, napetost — 500 kV, moč — 2500 MW, leto izgradnje — 2003.

Tri soteske - Changzhou (Kitajska) — dolžina 890 km, napetost — 500 kV, moč — 3000 MW, leto izgradnje — 2003. V letih 2004 in 2006.Zgrajeni sta bili še 2 progi od hidroelektrarne HVDC "Three Gorges" do Huizhouja in Šanghaja v dolžini 940 in 1060 km.

Največja hidroelektrarna na svetu, Tri soteske, je z visokonapetostnimi enosmernimi vodi povezana s Changzhoujem, Guangdongom in Šanghajem.

Xiangjiaba-Šanghaj (Kitajska) — proga od Fulonga do Fengxia. Dolžina je 1480 km, napetost 800 kV, moč 6400 MW, leto izgradnje 2010.

Yunnan — Guangdong (Kitajska) — dolžina 1418 km, napetost — 800 kV, moč — 5000 MW, leto izgradnje — 2010.