Stejnosměrné elektrické vedení – Články

Vysokonapěťová stejnosměrná přenosová vedení (HVDC) jsou efektivnější pro přenos energie na dlouhé vzdálenosti, protože mají nižší energetické ztráty než ekvivalentní vysokonapěťové střídavé přenosové systémy (HVAC).

Kvůli chybějícímu požadavku na kompenzaci jalového výkonu podél vedení přenosu energie HVDC se vyznačují vyšší účinností díky sníženým nákladům na přenos, což přispívá k ekonomické konkurenceschopnosti zdrojů zelené energie na trhu s elektřinou. Vysokonapěťové stejnosměrné přenosové systémy také poskytují zvýšenou stabilitu sítě, umožňují utilitám plně regulovat tok energie a poskytují příležitost integrovat zdroje větrné energie. Vedení vysokého napětí HVDC zabírají menší plochy než přenosové linky HVAC. Na rozdíl od střídavého napětí stejnosměrné napětí nemění směr několikrát za sekundu a proud prochází celým vodičem, nejen po jeho povrchu. Je však třeba poznamenat, že současné přenosové systémy jsou především systémy střídavého proudu a v současné době se vyvíjí úsilí o rozšíření a modernizaci těchto systémů na systémy stejnosměrné. Přenosové systémy HVDC Zvláště vhodné pro aplikace, kde se síť rozvodné sítě rozprostírá na velké vzdálenosti. V současné době přenosové linky HVDC Jsou široce používány v podmořských systémech, kde spojují zemi s pobřežními větrnými elektrárnami nebo přenášejí energii do oblastí, kde nelze instalovat nadzemní přenosová vedení. Pro uspokojení rostoucí poptávky po elektřině se zvažuje i možnost použití HVDC kabelů pro přenos energie v pozemních systémech.

V článku publikovaném v informačním zdroji Inženýrství360, jsou diskutovány výhody a nevýhody HVDC a HVAC energetických systémů.

Hlavní výhody přenosových systémů HVDC jsou nižší kapitálové náklady a schopnost přenášet značné množství energie na velké vzdálenosti. Energetické ztráty jsou pouze asi 3 % na každých 1000 km v závislosti na konstrukci systému a úrovni napětí. Zdroje výroby energie umístěné ve vzdálených lokalitách mohou také využívat přenosové systémy HVDC.

Hlavní oblasti, ve kterých jsou přenosové soustavy HVDC Ukázalo se, že je účinnější než přenosové systémy HVAC:

• Přenos energie na velké vzdálenosti z koncového bodu do koncového bodu, například v odlehlých oblastech, bez mezilehlých větví.
• Námořní kabely pro přenos energie vyznačující se velkými hodnotami kapacity, které vedou k dodatečným ztrátám střídavého proudu. Například 600 km dlouhý kabel Nor Ned spojující Nizozemsko a Norsko a 250 km kabel v Baltském moři spojující Německo a Švédsko.
• Posílení přenosové sítě v těch energetických soustavách a v těch případech, kde je obtížné přidat další vodiče, nebo může být poměrně nákladné budovat nové přenosové soustavy a stabilizovat takové nesynchronizované rozvody střídavého proudu.
• Vytváření propojení mezi elektrárnami umístěnými v odlehlých oblastech a centry spotřeby elektrické energie nebo distribučními systémy elektrické energie. Příkladem takového spojení je přenosový systém Nelson River Bipole DC (Kanada).

Přenosové systémy HVDC mohou stabilizovat rozsáhlý střídavý napájecí systém bez zvýšení kapacity zkratového proudu a nemají více fází jako systémy HVACa také vyžadují méně vodičů.

V systémech HVDC neexistuje žádný jev povrchového efektu (efekt kůže), který by poškozoval sítě HVAC, kde je proud ve vodiči rozložen tak, že hustota proudu je největší v blízkosti povrchu vodiče a exponenciálně klesá přes vrstvy blíže středu vodiče. V důsledku toho v systémech HVDC Lze použít tenčí vodiče a takové systémy mohou podporovat přenos elektřiny mezi různými zeměmi pracujícími na různých frekvencích a napětích.

Délka podmořských linií HVAC omezena, protože celá kapacita vodičů s proudem může být zcela využita k napájení nabíjecího proudu. Žádná taková omezení však neexistují v případě stejnosměrných přenosových kabelů, které jsou také schopny přenášet větší výkon na každém jednotlivém vedení, protože při určitém jmenovitém výkonu je konstantní napětí stejnosměrného vedení menší než maximální napětí střídavého proudu. čára.

Stejnosměrné napětí má neustále vyšší hodnotu, takže kabely pro přenos energie mohou mít jádra stejné velikosti. Izolace žil proudových kabelů pro vedení HVDC umožňuje přenášet o 100 % více energie, než dovoluje střídavé napětí v oblastech, které spotřebovávají velké množství elektřiny, což také pomáhá snižovat náklady na přenos.

Přenosové systémy HVDC zlepšit stabilitu energetického systému tím, že zabrání šíření kaskádových poruch z jedné části velkého energetického systému do druhého, a podporovat přenos energie v nesynchronizovaných střídavých distribučních systémech.

Další významnou výhodou systémů HVDC je, že změny zatížení neovlivňují negativně synchronizaci. Schéma a měřítko toku energie propojovacími systémy HVDC mohou být přímo změněny ve prospěch AC systémů na obou koncích takového spojovacího systému. Mnoho energetických společností zvažuje široké využití pouze systémů HVDC, vzhledem k jejich výhodám z hlediska stability.

Nevýhody přenosových systémů HVDC, se týkají především jejich správy, přepínání, konverze a obecné údržby. Vyžadují statické měniče, které jsou poměrně drahé a mají omezenou schopnost přetížení. Při přenosu elektřiny na krátké vzdálenosti mohou být energetické ztráty v takových měničích větší než v systémech HVAC. Náklady na tyto měniče nemohou být kompenzovány nižšími ztrátami výkonu a sníženými náklady na návrh přenosového vedení.

Výhody stejnosměrného elektrického vedení jsou následující:

1. Limit přenášeného výkonu podél vedení nezávisí na jeho délce a je výrazně větší než u vedení střídavého proudu;
2. Koncepce meze statické stability, charakteristická pro nadzemní vedení střídavého proudu, je odstraněna;
3. Energetické systémy propojené nadzemním vedením stejnosměrného proudu mohou pracovat asynchronně nebo na různých frekvencích;
4. Jsou vyžadovány pouze dva vodiče místo tří, nebo dokonce jeden, pokud jako druhý použijete zem.

Na Obr. 1. znázorňuje obvod přenosu stejnosměrného proudu realizovaný podle bipolárního obvodu („dva póly – zem“).

Na tomto obrázku UD a UZ, konvertorové (usměrňovač a invektorové) rozvodny; L – tlumivka nebo filtr pro snížení vlivu vysokých harmonických, zvlnění napětí a nouzových proudů; rl – odpor vedení; G, T – generátory a transformátory.

Výroba a spotřeba elektřiny se provádí pomocí střídavého proudu.

Obr.1. Stejnosměrný přenosový obvod v ponouzovém režimu

Hlavní prvky stejnosměrného vedení:

1. Řízené vysokonapěťové usměrňovače, ze kterých je sestaven obvod měnírny.
2. Řízené vysokonapěťové měniče, ze kterých je sestaven i obvod měnírny.

Obvod invertorové rozvodny se zásadně neliší od obvodu usměrňovací rozvodny, protože usměrňovače jsou reverzibilní. Jediný rozdíl je v tom, že na střídačové rozvodně je nutné instalovat kompenzační zařízení, kondenzátory, případně synchronní kompenzátory pro dodávku jalového výkonu do střídačů, což je cca 50 % přenášeného činného výkonu.

Středy obou měníren v bipolárním přenosu jsou uzemněny a póly jsou izolovány.

Pólové napětí UП se rovná napětí mezi sloupem a zemí. Například při přenosu energie Volgograd-Donbass je napětí pólu vzhledem k zemi +400 kV a druhé – 400 kV. Napětí Ud mezi póly je 800 kV. Převod lze rozdělit na dva nezávislé poloviční okruhy. V normálním režimu, se stejnými body v polovičních obvodech, je proud procházející zemí blízký nule. Oba přenosové polookruhy mohou pracovat nezávisle a při poruše jednoho pólu lze polovinu výkonu přenést přes druhý pól s návratem přes zemi.

Pokud selže jeden pól nebo jeden poloviční obvod, druhý poloviční obvod může pracovat v unipolárním obvodu.

Rýže. 2. Stejnosměrný přenosový obvod v post-havarijním režimu

U unipolárního přenosu je jeden z pólů uzemněn a jeden vodič je izolován od země. Druhý vodič je buď uzemněn na obou stranách převodovky, nebo chybí. Takto uzemněný druhý vodič se používá v případech, kdy je použití proudu v zemi nepřijatelné (například při vjezdu do velkých měst). Jeden unipolární přenosový obvod může zpravidla sestávat z jednoho vodiče a uzemnění a bipolární přenosový obvod může sestávat ze dvou vodičů. Je popsána zkušenost s dlouhodobým průchodem stejnosměrného proudu zemí až do 1200 A.

Unipolární obvody se používají k přenosu malých výkonů až do 100 200 MW na krátké vzdálenosti. Je vhodné přenášet velké výkony na velké vzdálenosti pomocí bipolárních obvodů.

Konvertorové rozvodny kvůli složitému a drahému vybavení značně zvyšují náklady na stejnosměrné přenosy. Přitom samotné vedení stejnosměrného proudu stojí méně než vedení střídavého proudu díky menšímu počtu vodičů, izolátorů, armatur vedení a lehčích podpěr.

Výkonová kapacita stejnosměrného vedení je dána hodnotou a rozdílem napětí na koncích vedení, omezeným aktivním odporem vedení a koncových zařízení a také výkonem měníren.

Přenosová kapacita stejnosměrného vedení je však mnohem větší než u střídavého vedení.

Celkový výkon bipolárního přenosového vedení Volgograd – Donbass s napětím Ud = 800 kV je 720 MW. Byla uvedena do provozu největší světová linka Ekibastuz – Center s UП = ±750 kV, napětím mezi sloupy Ud = 1500 kV a délce 2500 km. Výkon lze zvýšit až na 6000 MW.

Hlavní oblastí použití stejnosměrných vedení je přenos velkých výkonů na velké vzdálenosti. Speciální vlastnosti těchto linek však umožňují jejich úspěšné použití i v jiných případech. Stejnosměrná vedení jsou například účinná, když je nutné překonat mořské průlivy, stejně jako propojit nesynchronní systémy nebo systémy pracující na různých frekvencích (tzv. stejnosměrné spoje).

Vedle vedení stejnosměrného proudu vysokého a velmi vysokého napětí se ve vojenských záležitostech používají také vedení stejnosměrného proudu nízkého a středního napětí.

Široce se používají následující napětí: nízká napětí – 6, 12, 24, 36,48, 60 voltů, střední napětí – 110, 220, 400 voltů.

Pro všechna napětí mají DC vedení následující ctnosti:

1. Nevyžadují výpočty stability.
2. Napětí v takových vedeních je rovnoměrnější, protože v ustáleném stavu nevytvářejí jalový výkon.
3. Konstrukce vedení stejnosměrného proudu je jednodušší než u střídavého: méně řetězců izolátorů, nižší spotřeba kovu.
4. Směr toku energie lze změnit (reverzibilní vedení).

Omezení:

1. Potřeba výstavby komplexních koncových rozvoden s velkým počtem měničů napětí a pomocných zařízení. Je známo, že usměrňovače a měniče značně zkreslují průběh napětí na straně střídavého proudu. Proto je nutné instalovat výkonná vyhlazovací zařízení, která výrazně snižují spolehlivost.
2. Odebírání energie ze stejnosměrného vedení je stále obtížné.
3. Stejnosměrné vedení vyžaduje, aby polarita a napětí na obou koncích byly před zapnutím přibližně stejné.

Je tedy možné usoudit, že vzhledem k vysokým nákladům k0 (obr. 3) se výstavba stejnosměrného elektrického vedení (křivka 2) stává ekonomicky proveditelnou až na velké vzdálenosti cca 1000 km (bod m).

Rýže. 3. Závislost investičních nákladů k na délce vedení l pro střídavý proud – 1 a pro stejnosměrný proud – 2