Výhody vysokonapäťových jednosmerných prenosových vedení v porovnaní s vedeniami striedavého prúdu
Keďže sa stali tradičnými vysokonapäťovými prenosovými vedeniami, dnes vždy pracujú so striedavým prúdom. Ale premýšľali ste niekedy o výhodách, ktoré môže poskytnúť vysokonapäťové jednosmerné prenosové vedenie v porovnaní so striedavým vedením? Áno, hovoríme o vysokonapäťových jednosmerných prenosových vedeniach (HVDC Power Transmission).
Samozrejme, na vytvorenie vysokonapäťového vedenia jednosmerného prúdu v prvom rade, prevodníky, ktorý by robil jednosmerný prúd zo striedavého prúdu a striedavý prúd z jednosmerného prúdu. Takéto meniče a meniče sú drahé, rovnako ako náhradné diely pre ne, majú obmedzenia preťaženia, navyše pre každú linku musí byť zariadenie bez preháňania jedinečné. Na krátke vzdialenosti spôsobujú straty výkonu v meničoch takéto prenosové vedenie vo všeobecnosti nehospodárne.
Ale v akých aplikáciách ho bude lepšie používať D.C.? Prečo vysoké striedavé napätie niekedy nie je dostatočne účinné? A nakoniec, používajú sa už vysokonapäťové prenosové vedenia jednosmerného prúdu? Na tieto otázky sa pokúsime získať odpovede.
Pre príklady netreba chodiť ďaleko. Elektrický kábel položený na dne Baltského mora medzi dvoma susednými krajinami Nemeckom a Švédskom má dĺžku 250 metrov a ak by bol prúd striedavý, potom by kapacitný odpor spôsobil značné straty. Alebo pri dodávke elektriny do odľahlých oblastí, keď nie je možné inštalovať medzizariadenia. Aj tu spôsobí vysokonapäťový jednosmerný prúd menšie straty.
Čo ak potrebujete zvýšiť kapacitu existujúcej linky bez toho, aby ste zaviedli ďalšiu? A v prípade napájania striedavých rozvodov, ktoré nie sú navzájom synchronizované?
Medzitým je pre špecifický výkon prenášaný jednosmerným prúdom pri vysokom napätí potrebný menší prierez drôtu a veže môžu byť nižšie. Napríklad kanadská Bipole Nelson River Transmission Line spája distribučnú sieť a vzdialenú elektráreň.
Striedavé elektrické siete možno stabilizovať bez zvýšenia rizika skratu. Korónové výboje, ktoré spôsobujú straty v striedavých vedeniach v dôsledku ultravysokých napäťových špičiek, sú pri jednosmernom prúde oveľa menšie, a preto sa uvoľňuje menej škodlivého ozónu. Opäť, zníženie nákladov na výstavbu elektrických vedení, napríklad tri vodiče sú potrebné pre tri fázy a len dva pre HVDC. Maximálnymi výhodami podmorských káblov je opäť nielen menej materiálu, ale aj menšie kapacitné straty.
Od roku 1997AAB inštaluje HVDC Light vedenia s výkonom do 1,2 GW pri napätiach do 500 kV. Medzi sieťami Veľkej Británie a Írska sa tak vybudovalo nominálne výkonové prepojenie 500 MW.
Toto prepojenie zlepšuje bezpečnosť a spoľahlivosť dodávky elektriny medzi sieťami. Jeden z káblov v sieti vedie zo západu na východ a má dĺžku 262 kilometrov, pričom 71 % kábla je na morskom dne.
Ešte raz si pamätajte, že ak by sa striedavý prúd použil na dobitie kapacity kábla, došlo by k zbytočným stratám výkonu a keďže prúd je aplikovaný neustále, straty sú zanedbateľné. Okrem toho by sa nemali zanedbávať ani AC dielektrické straty.
Vo všeobecnosti platí, že pri jednosmernom prúde je možné preniesť väčší výkon cez ten istý vodič, pretože napäťové špičky pri rovnakom výkone, ale pri striedavom prúde, sú vyššie, navyše izolácia musí byť hrubšia, prierez je väčší. vzdialenosť medzi vodičmi je väčšia, atď. Vzhľadom na všetky tieto faktory poskytuje koridor jednosmerného vedenia prenos elektrickej energie hustejší prenos.
Okolo nich nie sú vytvorené trvalé vedenia vysokého napätia nízkofrekvenčné striedavé magnetické poleako je typické pre AC prenosové vedenia. Niektorí vedci hovoria o škodlivosti tohto premenlivého magnetického poľa pre ľudské zdravie, pre rastliny, pre zvieratá. Jednosmerný prúd zase vytvára v priestore medzi vodičom a zemou len konštantný (nie premenlivý) gradient elektrického poľa a to je bezpečné pre zdravie ľudí, zvierat a rastlín.
Stabilita AC systémov je uľahčená jednosmerným prúdom.Kvôli vysokému napätiu a jednosmernému prúdu je možné prenášať energiu medzi AC systémami, ktoré nie sú navzájom synchronizované. Tým sa zabráni šíreniu kaskádových škôd. V prípade nekritických porúch sa energia jednoducho presunie do systému alebo zo systému.
To ďalej podporuje prijatie vysokonapäťových jednosmerných sietí, čím vznikajú nové základy.
Konvertorová stanica Siemens pre vysokonapäťové vedenie jednosmerného prúdu (HVDC) medzi Francúzskom a Španielskom
Schéma moderného vedenia HVDC
Tok energie je regulovaný riadiacim systémom alebo konverznou stanicou. Prietok nesúvisí s režimom prevádzky systémov pripojených k linke.
Prepojenia na jednosmerných vedeniach majú v porovnaní so striedavými vedeniami ľubovoľne malú prenosovú kapacitu a odpadá problém slabých článkov. Samotné vedenia môžu byť navrhnuté s ohľadom na optimalizáciu energetických tokov.
Okrem toho miznú ťažkosti so synchronizáciou niekoľkých rôznych riadiacich systémov pre prevádzku jednotlivých energetických systémov. Vrátane rýchlych núdzových ovládačov Elektrické vodiče jednosmerného prúdu zvýšenie spoľahlivosti a stability celej siete. Riadenie toku energie môže znížiť oscilácie v paralelných vedeniach.
Tieto výhody uľahčia rýchlejšie prijatie vysokonapäťovej interakcie jednosmerného prúdu s cieľom rozdeliť veľké energetické systémy na niekoľko častí, ktoré sú navzájom synchronizované.
Napríklad v Indii bolo vybudovaných niekoľko regionálnych systémov, ktoré sú vzájomne prepojené vysokonapäťovými jednosmernými vedeniami.Existuje aj reťazec prevodníkov riadených špeciálnym centrom.
Rovnako je to aj v Číne. V roku 2010 postavila ABB v Číne prvý jednosmerný prúd ultravysokého napätia na svete s výkonom 800 kV v Číne.V roku 2018 bolo dokončené vedenie 1100 kV Zhongdong — Wannan UHV DC s dĺžkou 3400 km a kapacitou 12 GW.
Do roku 2020 bolo dokončených najmenej trinásť stavieb.Vedenia VN DC v Číne. HVDC vedenia prenášajú veľké množstvo energie na značné vzdialenosti, pričom ku každému vedeniu je pripojených viacero napájacích zdrojov.
Vývojári vysokonapäťových jednosmerných prenosových vedení spravidla neposkytujú širokej verejnosti informácie o nákladoch na ich projekty, pretože ide o obchodné tajomstvo. Špecifiká projektov však robia svoje vlastné úpravy a cena sa líši v závislosti od: výkonu, dĺžky kábla, spôsobu inštalácie, nákladov na pozemok atď.
Ekonomickým porovnaním všetkých aspektov sa rozhoduje o realizovateľnosti výstavby HVDC vedenia. Napríklad výstavba štvorlinkovej prenosovej linky medzi Francúzskom a Anglickom s kapacitou 8 GW spolu s prácami na pevnine si vyžiadala približne miliardu libier.
Zoznam významných projektov v oblasti vysokonapäťového jednosmerného prúdu (HVDC) z minulosti
V 80. rokoch 19. storočia prebiehala takzvaná vojna prúdov medzi zástancami DC ako Thomas Edison a zástancami striedavého prúdu ako Nikola Tesla a George Westinghouse. Jednosmerný prúd trval 10 rokov, ale prudký rozvoj výkonových transformátorov, potrebných na zvýšenie napätia a tým obmedzenie strát, viedol k rozšíreniu striedavých sietí. Až s rozvojom výkonovej elektroniky bolo možné použiť vysokonapäťový jednosmerný prúd.
Technológia HVDC sa objavil v 30. rokoch 20. storočia. Bol vyvinutý spoločnosťou ASEA vo Švédsku a Nemecku. Prvá HVDC linka bola postavená v Sovietskom zväze v roku 1951 medzi Moskvou a Kaširou. Potom, v roku 1954, bola postavená ďalšia trať medzi ostrovom Gotland a pevninským Švédskom.
Moskva – Kašira (ZSSR) — dĺžka 112 km, napätie — 200 kV, výkon — 30 MW, rok výroby — 1951. Považuje sa za prvý na svete plne statický elektronický vysokonapäťový jednosmerný prúd uvedený do prevádzky. Linka momentálne neexistuje.
Gotland 1 (Švédsko) — dĺžka 98 km, napätie — 200 kV, výkon — 20 MW, rok výstavby — 1954. Prvý komerčný HVDC spoj na svete. Rozšírený ABB v roku 1970, vyradený z prevádzky v roku 1986.
Volgograd – Donbas (ZSSR) — dĺžka 400 km, napätie — 800 kV, výkon — 750 MW, rok výstavby — 1965. Prvá etapa 800 kV jednosmerného elektrického vedenia Volgograd — Donbass bola uvedená do prevádzky v roku 1961, ktorá bola v tom čase označovaná ako tzv. veľmi dôležitá etapa technického rozvoja sovietskej elektrotechniky. Linka je momentálne demontovaná.
Testovanie vysokonapäťových usmerňovačov pre jednosmerné vedenie v laboratóriu VEI, 1961.
Linkový diagram vysokonapäťového jednosmerného prúdu Volgograd — Donbass
Pozri: Fotografie elektrických inštalácií a elektrických zariadení v ZSSR 1959-1962
HVDC medzi ostrovmi Nového Zélandu — dĺžka 611 km, napätie — 270 kV, výkon — 600 MW, rok výstavby — 1965. Od roku 1992 rekonštruovaný АBB… Napätie 350 kV.
Od roku 1977až doteraz boli všetky HVDC systémy postavené s použitím polovodičových komponentov, vo väčšine prípadov tyristorov, od konca 90-tych rokov sa začali používať IGBT konvertory.
Invertory IGBT v meniacej stanici Siemens pre vysokonapäťové prenosové vedenie jednosmerného prúdu (HVDC) medzi Francúzskom a Španielskom
Cahora Bassa (Mozambik – Južná Afrika) — dĺžka 1420 km, napätie 533 kV, výkon — 1920 MW, rok výroby 1979. Prvý HVDC s napätím nad 500 kV. Oprava ABB 2013-2014
Ekibastuz – Tambov (ZSSR) — dĺžka 2414 km, napätie — 750 kV, výkon — 6000 MW. Projekt sa začal v roku 1981. Keď bude uvedený do prevádzky, bude to najdlhšia prenosová linka na svete. Stavenisko bolo opustené okolo roku 1990 v dôsledku rozpadu Sovietskeho zväzu a trať nebola nikdy dokončená.
Interconnexion France Angleterre (Francúzsko – Veľká Británia) — dĺžka 72 km, napätie 270 kV, výkon — 2000 MW, rok výroby 1986.
Gezhouba – Šanghaj (Čína) — 1046 km, 500 kV, výkon 1200 MW, 1989.
Rihand Delhi (India) — dĺžka 814 km, napätie — 500 kV, výkon — 1500 MW, rok výroby — 1990.
Baltický kábel (Nemecko – Švédsko) — dĺžka 252 km, napätie — 450 kV, výkon — 600 MW, rok výroby — 1994.
Tien Guan (Čína) — dĺžka 960 km, napätie — 500 kV, výkon — 1800 MW, rok výroby — 2001.
Talcher Kolar (India) — dĺžka 1450 km, napätie — 500 kV, výkon — 2500 MW, rok výroby — 2003.
Tri rokliny – Changzhou (Čína) — dĺžka 890 km, napätie — 500 kV, výkon — 3000 MW, rok výstavby — 2003. V rokoch 2004 a 2006.Z hydroelektrárne HVDC „Tri rokliny“ boli postavené ďalšie 2 trate do Huizhou a Šanghaja na 940 a 1060 km.
Najväčšia vodná elektráreň na svete, Tri rokliny, je spojená s Changzhou, Guangdong a Šanghajom vysokonapäťovými vedeniami jednosmerného prúdu.
Xiangjiaba-Shanghai (Čína) — trať z Fulong do Fengxia. Dĺžka je 1480 km, napätie 800 kV, výkon 6400 MW, rok výstavby 2010.
Yunnan – Guangdong (Čína) — dĺžka 1418 km, napätie — 800 kV, výkon — 5000 MW, rok výroby — 2010.