Prednosti visokonaponskih vodova istosmjerne struje u odnosu na vodove izmjenične struje
Postavši tradicionalni dalekovodi visokog napona, danas uvijek rade na izmjeničnu struju. Ali jeste li ikada razmišljali o prednostima koje visokonaponski istosmjerni dalekovod može dati u usporedbi s izmjeničnim vodom? Da, govorimo o visokonaponskim istosmjernim (HVDC Power Transmission) dalekovodima.
Naravno, za formiranje visokonaponskog istosmjernog voda, na prvom mjestu, pretvarači, koji bi od izmjenične struje napravio istosmjernu, a od istosmjerne izmjeničnu. Takvi pretvarači i pretvarači su skupi, kao i rezervni dijelovi za njih, imaju ograničenja preopterećenja, osim toga, za svaku liniju uređaj mora biti jedinstven bez pretjerivanja. Na kratkim udaljenostima, gubici snage u pretvaračima čine takav dalekovod općenito neekonomičnim.
Ali u kojim aplikacijama će biti poželjno koristiti ga D.C.? Zašto visoki izmjenični napon ponekad nije dovoljno učinkovit? Konačno, jesu li visokonaponski istosmjerni dalekovodi već u uporabi? Pokušat ćemo dobiti odgovore na ova pitanja.
Za primjere ne morate ići daleko. Električni kabel položen po dnu Baltičkog mora između dvije susjedne zemlje, Njemačke i Švedske, dugačak je 250 metara, a kada bi struja bila izmjenična, tada bi kapacitivni otpor uzrokovao znatne gubitke. Ili pri opskrbi električnom energijom udaljenih područja kada nije moguće instalirati međuopremu. I ovdje će istosmjerna struja visokog napona uzrokovati manje gubitke.
Što ako trebate povećati kapacitet postojeće linije bez postavljanja dodatne? A u slučaju napajanja AC distribucijskih sustava koji nisu međusobno sinkronizirani?
U međuvremenu, za specifičnu snagu koja se prenosi za istosmjernu struju, na visokom naponu, potreban je manji presjek žice, a stupovi mogu biti niži. Na primjer, kanadski Bipole Nelson River Transmission Line povezuje distribucijsku mrežu i udaljenu elektranu.
Mreže izmjenične struje mogu se stabilizirati bez povećanja rizika od kratkih spojeva. Korona pražnjenja, koja uzrokuju gubitke u izmjeničnim vodovima zbog ultravisokih vršnih napona, mnogo su manja s istosmjernom strujom, sukladno tome se oslobađa manje štetnog ozona. Opet, smanjenje troškova izgradnje dalekovoda, na primjer tri žice su potrebne za tri faze i samo dvije za HVDC. Još jednom, najveće prednosti podmorskih kabela nisu samo manje materijala, već i manji kapacitivni gubici.
Od 1997. godAAB postavlja HVDC svjetlosne vodove snage do 1,2 GW na napone do 500 kV. Tako je izgrađena poveznica nominalne snage 500 MW između mreža Velike Britanije i Irske.
Ovo povezivanje poboljšava sigurnost i pouzdanost opskrbe električnom energijom između mreža. Prolazeći od zapada prema istoku, jedan od kabela u mreži dugačak je 262 kilometra, a 71% kabela nalazi se na morskom dnu.
Još jednom zapamtite da ako bi se izmjenična struja koristila za ponovno punjenje kapacitivnosti kabela, došlo bi do nepotrebnih gubitaka snage, a budući da se struja primjenjuje stalno, gubici su zanemarivi. Osim toga, ne smiju se zanemariti ni izmjenični dielektrični gubici.
Općenito, s istosmjernom strujom, više snage može se prenijeti kroz istu žicu, jer su vrhovi napona na istoj snazi, ali s izmjeničnom strujom, veći, osim toga, izolacija mora biti deblja, presjek je veći, veći je razmak između vodiča itd. S obzirom na sve ove čimbenike, koridor istosmjernog dalekovoda omogućuje gušći prijenos električne energije.
Oko njih se ne stvaraju trajni vodovi visokog napona niskofrekventno izmjenično magnetsko poljekao što je tipično za dalekovode izmjenične struje. Neki znanstvenici govore o štetnosti ovog promjenjivog magnetskog polja za ljudsko zdravlje, za biljke, za životinje. Istosmjerna struja, pak, stvara samo konstantan (ne promjenjiv) gradijent električnog polja u prostoru između vodiča i zemlje, a to je sigurno za zdravlje ljudi, životinja i biljaka.
Stabilnost izmjeničnih sustava omogućuje istosmjerna struja.Zbog visokog napona i istosmjerne struje moguć je prijenos energije između izmjeničnih sustava koji nisu međusobno sinkronizirani. Time se sprječava kaskadno širenje oštećenja. U slučaju nekritičnih kvarova, energija se jednostavno premješta u ili iz sustava.
Ovo dodatno potiče usvajanje visokonaponskih istosmjernih mreža, stvarajući nove temelje.
Siemensova pretvaračka stanica za visokonaponski istosmjerni (HVDC) dalekovod između Francuske i Španjolske
Shema modernog HVDC voda
Protok energije reguliran je kontrolnim sustavom ili pretvorbenom stanicom. Protok nije povezan s načinom rada sustava priključenih na vod.
Interkonekcije na istosmjernim vodovima imaju proizvoljno mali prijenosni kapacitet u usporedbi s izmjeničnim vodovima, a problem slabih veza je eliminiran. Sami vodovi mogu se projektirati uzimajući u obzir optimizaciju tokova energije.
Osim toga, nestaju poteškoće sinkronizacije više različitih sustava upravljanja radom pojedinih energetskih sustava. Uključeni brzi kontroleri za hitne slučajeve Električne žice istosmjerne struje povećanje pouzdanosti i stabilnosti cjelokupne mreže. Kontrola protoka snage može smanjiti oscilacije u paralelnim vodovima.
Ove prednosti će olakšati brže usvajanje interakcije istosmjerne struje visokog napona kako bi se veliki elektroenergetski sustavi razbili na nekoliko dijelova koji su međusobno sinkronizirani.
Na primjer, u Indiji je izgrađeno nekoliko regionalnih sustava koji su međusobno povezani visokonaponskim istosmjernim vodovima.Postoji i lanac pretvarača koje kontrolira poseban centar.
Isto je i u Kini. U 2010. ABB je izgradio u Kini prvi 800 kV ultravisoki napon istosmjerne struje u Kini. 1100 kV Zhongdong — Wannan UHV DC vod dužine 3400 km i kapaciteta 12 GW dovršen je 2018.
Od 2020. dovršeno je najmanje trinaest gradilišta EHV DC vodova u Kini. HVDC vodovi prenose velike količine energije na značajne udaljenosti, s višestrukim opskrbljivačima strujom povezanim na svaki vod.
Projektanti visokonaponskih istosmjernih dalekovoda u pravilu ne daju široj javnosti podatke o cijeni svojih projekata jer je to poslovna tajna. Međutim, specifičnosti projekta čine svoje prilagodbe, a cijena varira ovisno o: snazi, duljini kabela, načinu postavljanja, cijeni zemljišta itd.
Ekonomskom usporedbom svih aspekata donosi se odluka o isplativosti izgradnje HVDC voda. Primjerice, izgradnja dalekovoda s četiri linije između Francuske i Engleske, kapaciteta 8 GW, zajedno s radovima na kopnu, zahtijevala je oko milijardu funti.
Popis značajnih projekata istosmjerne struje visokog napona (HVDC) iz prošlosti
1880-ih godina došlo je do takozvanog rata struja između zagovornika istosmjerne struje kao što je Thomas Edison i zagovornika izmjenične struje kao što su Nikola Tesla i George Westinghouse. Istosmjerna struja trajala je 10 godina, no brzi razvoj energetskih transformatora, nužnih za povećanje napona i time ograničavanje gubitaka, doveo je do širenja izmjeničnih mreža. Tek razvojem energetske elektronike postala je moguća uporaba istosmjerne struje visokog napona.
HVDC tehnologija pojavio se 1930-ih. Razvila ga je ASEA u Švedskoj i Njemačkoj. Prvi HVDC vod izgrađen je u Sovjetskom Savezu 1951. između Moskve i Kashire. Zatim je 1954. godine izgrađena još jedna pruga između otoka Gotland i kopnenog dijela Švedske.
Moskva — Kašira (SSSR) — duljina 112 km, napon — 200 kV, snaga — 30 MW, godina izgradnje — 1951. Smatra se da je prvi u svijetu potpuno statički elektronički visokonaponski istosmjerni, pušten u rad. Linija trenutno ne postoji.
Gotland 1 (Švedska) — duljina 98 km, napon — 200 kV, snaga — 20 MW, godina izgradnje — 1954. Prvi svjetski komercijalni HVDC link. Proširio ga je ABB 1970., stavljen izvan pogona 1986.
Volgograd — Donbas (SSSR) — duljina 400 km, napon — 800 kV, snaga — 750 MW, godina izgradnje — 1965. Prva faza 800 kV istosmjernog dalekovoda Volgograd — Donbas puštena je u rad 1961. godine, što je u tadašnjem tisku zabilježeno kao vrlo važna faza u tehničkom razvoju sovjetske elektrotehnike. Linija je trenutno demontirana.
Ispitivanje visokonaponskih ispravljača za istosmjerni vod u laboratoriju VEI, 1961.
Linijski dijagram istosmjerne struje visokog napona Volgograd — Donbas
Izgled: Fotografije električnih instalacija i električne opreme u SSSR-u 1959-1962
HVDC između otoka Novog Zelanda — duljina 611 km, napon — 270 kV, snaga — 600 MW, godina izgradnje — 1965. Od 1992. rekonstruiran ABB… Napon 350 kV.
Od 1977. goddo sada su svi HVDC sustavi građeni korištenjem poluprovodničkih komponenti, u većini slučajeva tiristora, od kasnih 1990-ih korišteni su IGBT pretvarači.
IGBT pretvarači u pretvaračkoj stanici Siemens za visokonaponsku istosmjernu (HVDC) dalekovod između Francuske i Španjolske
Cahora Bassa (Mozambik - Južna Afrika) — duljina 1420 km, napon 533 kV, snaga — 1920 MW, godina izgradnje 1979. Prva HVDC napona preko 500 kV. ABB popravak 2013-2014
Ekibastuz — Tambov (SSSR) — duljina 2414 km, napon — 750 kV, snaga — 6000 MW. Projekt je započeo 1981. godine, a kada bude pušten u promet bit će to najduži dalekovod na svijetu. Gradilišta su napuštena oko 1990. zbog raspada Sovjetskog Saveza i pruga nikada nije dovršena.
Interconnexion France Angleterre (Francuska — Velika Britanija) — duljina 72 km, napon 270 kV, snaga — 2000 MW, godina izgradnje 1986.
Gezhouba — Šangaj (Kina) — 1046 km, 500 kV, snaga 1200 MW, 1989.
Rihand Delhi (Indija) — duljina 814 km, napon — 500 kV, snaga — 1500 MW, godina izgradnje — 1990.
Baltički kabel (Njemačka - Švedska) — duljina 252 km, napon — 450 kV, snaga — 600 MW, godina izgradnje — 1994.
Tien Guan (Kina) — duljina 960 km, napon — 500 kV, snaga — 1800 MW, godina izgradnje — 2001.
Talcher Kolar (Indija) — duljina 1450 km, napon — 500 kV, snaga — 2500 MW, godina izgradnje — 2003.
Tri klanca — Changzhou (Kina) — duljina 890 km, napon — 500 kV, snaga — 3000 MW, godina izgradnje — 2003. U 2004. i 2006. god.Izgrađene su još 2 linije od HVDC hidroelektrane "Three Gorges" do Huizhoua i Shanghaija u dužini od 940 i 1060 km.
Najveća hidroelektrana na svijetu, Tri klanca, povezana je s Changzhouom, Guangdongom i Šangajem visokonaponskim istosmjernim vodovima
Xiangjiaba-Šangaj (Kina) — linija od Fulonga do Fengxia. Duljina je 1480 km, napon 800 kV, snaga 6400 MW, godina izgradnje 2010.
Yunnan — Guangdong (Kina) — duljina 1418 km, napon — 800 kV, snaga — 5000 MW, godina izgradnje — 2010.