Передача постоянного тока в электроэнергетике

Что такое HVDC

Развитие новых технологий и материалов (которые обладают все лучшими механическими и электрическими свойствами и более экологичны), технико-экономическое и социальное развитие стран (особенно Индии и Китая) и растущий спрос на электроэнергию, необходимость передачи энергии из более отдаленных и менее доступных населенных пунктов в мегаполисы в глобальном масштабе создают новые возможности для передачи постоянного тока.

Наибольшее распространение высоковольтных линий электропередачи постоянного тока (high-voltage direct current, HVDC) происходит в Китае, в котором процесс строительства энергосистемы сверхвысокого напряжения следует стратегии «сочетания переменного и постоянного тока».

Несколько новых проектов линий HVDC были реализованы за последние годы, а другие находятся в стадии строительства или только проектируются. В ближайшее время планируется построить несколько новых линий постоянного тока напряжением ±1100 кВ.

Линия электропередачи UHVDC ± 1100 кВ Синьцзян Чанцзи-Аньхой Гуцюань в Китае (UHVDC — линия электропередачи постоянного тока сверхвысокого напряжения)

Для передачи электроэнергии на большие расстояния (свыше 500 км по воздушным линиям и более 50 км по подводным кабелям) более выгодна передача электроэнергии на постоянном токе.

В зависимости от напряжения и конструктивных характеристик потери энергии при передаче постоянного тока оцениваются в 3,5% на 1000 км, что значительно меньше по сравнению с передачей переменного тока.

Для линий электропередач постоянного тока требуется меньше проводников, потому что нет необходимости в трехфазной системе.

Системы постоянного тока могут использовать более тонкие провода, потому что в них отсутствует скин-эффект.

Эти факторы значительно снижают стоимость передачи электроэнергии.

Принцип прямой передачи заключается в преобразовании переменного тока в постоянный, передаче прямой энергии на большие расстояния и обратном преобразовании в переменный ток. Преобразование энергии осуществляется на преобразовательных станциях.

Перед передачей по воздушной или кабельной линии ток проходит через выпрямитель , а после передачи через инвертор на стороне потребителя, который преобразует постоянный ток в переменный.

В настоящее время и выпрямитель, и инвертор чаще всего представляют собой одну и ту же полупроводниковую преобразовательную систему, которая может работать в обоих режимах в зависимости от направления передаваемой энергии.

Устройство преобразовательных подстанций

Трансформатор преобразователя используется для увеличения напряжения до входного значения преобразователя.

12-импульсный преобразователь должен питаться от двух трехфазных вводов с разницей фаз 30 или 150°. Это снижает содержание низкогармонических составляющих напряжения, особенно 5-й и 7-й гармоник.

Преобразовательный трансформатор также выполняет функцию гальванической развязки систем постоянного и переменного тока, а также реактивного сопротивления в цепи переменного тока для ограничения токов короткого замыкания.

Трансформаторы должны быть специально разработаны для нужд HVDC с учетом повышенных нагрузок на изоляцию постоянным напряжением и прохождения высших гармонических составляющих тока.

Преобразовательная подстанция HVDC

Сегодня можно выделить два основных типа преобразователей — старые LCC (преобразователи с линейной коммутацией) и современные VSC (преобразователи с источником напряжения) — в зависимости от типа используемых компонентов.

Однако обычно 12-импульсный преобразователь обычно состоит из двух 6-импульсных мостовых преобразователей, соединенных последовательно.

LCC представляют собой полупроводниковые преобразователи, использующие в основном тиристоры. Такие элементы можно просто перевести в проводящее состояние, но для перехода в непроводящее состояние им требуется переполюсовка в сети переменного тока, к которой они подключены.

Эта технология также называется CSC (current source convertors), потому что преобразователи действуют как источники тока. Ток всегда течет по линии в одном направлении, а для изменения потока мощности используется изменение полярности напряжения в обоих оконечных трансформаторах. Эта технология занимает много места и поэтому подходит для наземных применений для передачи больших потоков мощности.

В технологии VSC используются транзисторы (IGBT). Эти полупроводниковые компоненты можно включать и выключать. Таким образом, преобразователи не зависят от коммутации с подключенной сетью переменного тока, и элементы могут переключаться с во много раз большей частотой, но это приводит к более высоким потерям.

Возможность управляемого отключения полупроводников дает возможность контролировать потребление реактивной энергии, а инвертор также способен подавать реактивную мощность в сеть переменного тока. Эта технология также известна под коммерческими названиями HVDC Light® от ABB и HVDC Plus® от Siemens.

Подстанции, использующие эту технологию, обеспечивают экономию до половины размера по сравнению со старой технологией LCC. Благодаря своей менее требовательной природе он подходит для строительства в открытом море.

Примеры линий HVDC

Вид с воздуха на преобразовательную подстанцию ​​UHVDC ±1100 кВ

Номинальная пропускная способность проекта передачи постоянного тока UHVDC Changji-Guquan ± 1100 кВ составляет 12 миллионов киловатт. Этот проект также является первым в мире случаем, когда напряжение постоянного тока было увеличено до ± 1100 кВ, а общая длина линии составляет 3324 километра.

Развитие передач HVDC может привести к взаимосвязи нескольких энергосистем. Результатом будет балансировка диаграммы нагрузки (она выражает ход потребления, соответствующего производства электроэнергии за определенный контролируемый период, всегда должен обеспечиваться баланс между производством и потреблением электроэнергии).

Если бы, например, можно было реализовать международную электроэнергетическую систему, протянувшуюся от Японии до Великобритании, диаграммы потребления отдельных районов почти выровнялись бы из-за сдвига во времени. Однако политические изменения и различия в оборудовании западно- и восточноевропейских сетей пока не позволяют этого сделать.

В настоящее время линии постоянного тока HVDC постепенно соединяют восточноевропейские страны с электрическими сетями Европейского сообщества.

Одна из линий электропередачи постоянного тока

В дальнейшем планируется построить несколько линий высокого напряжения постоянного тока для подачи электроэнергии в Европу от ветряных электростанций в Северном и Балтийском морях и от гидроэлектростанций в странах Северной Европы.

Также планируется межконтинентальное соединение Европа-Африка с множеством ветряных электростанций в странах Северной Европы и солнечными тепловыми электростанциями в Африке.

Недостатком этих межконтинентальных соединений является определенная зависимость стран от электроэнергии с другого континента, что влечет за собой проблему надежности передачи в случае возможных политических конфликтов или террористических атак. Пока работа над этими планами остановлена.

Дальнейшее развитие передач HVDC приводит к постоянному увеличению напряжения передачи и передаваемой мощности, к реализации передачи на большие расстояния. В не очень ближайшем будущем всемирное объединение электрических систем со значительным вкладом в передачу линий HVDC, безусловно, будет успешным.