Výhody vysokonapěťových stejnosměrných přenosových vedení ve srovnání s vedením střídavého proudu

Poté, co se staly tradičními vysokonapěťovými přenosovými vedeními, dnes vždy pracují se střídavým proudem. Ale přemýšleli jste někdy o výhodách, které může poskytnout vysokonapěťové stejnosměrné přenosové vedení ve srovnání se střídavým vedením? Ano, mluvíme o vysokonapěťových stejnosměrných přenosových vedeních (HVDC Power Transmission).

Samozřejmě, pro vytvoření vysokonapěťového stejnosměrného vedení v první řadě, převodníky, který by ze střídavého proudu dělal stejnosměrný proud a ze stejnosměrného proudu střídavý. Takové měniče a měniče jsou drahé, stejně jako náhradní díly k nim, mají omezení přetížení, navíc pro každou linku musí být zařízení bez nadsázky jedinečné. Kvůli ztrátám výkonu v měničích na krátké vzdálenosti je takové přenosové vedení obecně neekonomické.

Ale ve kterých aplikacích jej bude vhodnější používat DC.? Proč není vysoké střídavé napětí někdy dostatečně účinné? A konečně, jsou již používány vysokonapěťové stejnosměrné přenosové linky? Na tyto otázky se pokusíme získat odpovědi.

Pro příklady nemusíte chodit daleko. Elektrický kabel položený na dně Baltského moře mezi dvěma sousedními zeměmi Německem a Švédskem je dlouhý 250 metrů a pokud by proud byl střídavý, pak by kapacitní odpor způsobil značné ztráty. Nebo při dodávce elektřiny do odlehlých oblastí, kdy není možné instalovat mezizařízení. I zde způsobí vysokonapěťový stejnosměrný proud menší ztráty.

Co když potřebujete zvýšit kapacitu stávající linky, aniž byste museli zavádět další? A v případě napájení AC rozvodů, které nejsou vzájemně synchronizované?

Mezitím je pro měrný výkon přenášený pro stejnosměrný proud při vysokém napětí vyžadován menší průřez vodiče a věže mohou být nižší. Například kanadská Bipole Nelson River Transmission Line spojuje distribuční síť a vzdálenou elektrárnu.

Střídavé elektrické sítě lze stabilizovat bez zvýšení rizika zkratů. Korónové výboje, které způsobují ztráty ve střídavých vedeních v důsledku ultravysokých napěťových špiček, jsou mnohem menší se stejnosměrným proudem, odpovídajícím způsobem se uvolňuje méně škodlivého ozónu. Opět, snížení nákladů na výstavbu elektrického vedení, například tři dráty jsou potřeba pro tři fáze a pouze dva pro HVDC. Maximálním přínosem podmořských kabelů je opět nejen méně materiálu, ale také menší kapacitní ztráty.

Od roku 1997AAB instaluje HVDC Light vedení s výkonem až 1,2 GW při napětí až 500 kV. Mezi sítěmi Velké Británie a Irska tak bylo vybudováno spojení jmenovitého výkonu 500 MW.

Toto propojení zlepšuje bezpečnost a spolehlivost dodávek elektřiny mezi sítěmi. Jeden z kabelů v síti vede ze západu na východ a je dlouhý 262 kilometrů, přičemž 71 % kabelu je na mořském dně.

Ještě jednou si pamatujte, že pokud by byl střídavý proud použit k dobíjení kapacity kabelu, docházelo by ke zbytečným ztrátám výkonu, a protože proud je přiváděn neustále, ztráty jsou zanedbatelné. Kromě toho by neměly být zanedbány ani dielektrické ztráty střídavého proudu.

Obecně platí, že při stejnosměrném proudu lze stejným vodičem přenášet větší výkon, protože napěťové špičky při stejném výkonu, ale při střídavém proudu, jsou vyšší, navíc izolace musí být silnější, průřez je větší, vzdálenost mezi vodiči je větší atd. S ohledem na všechny tyto faktory poskytuje koridor stejnosměrného vedení hustší přenos elektrické energie.

Kolem nich nejsou vytvořena trvalá vedení vysokého napětí nízkofrekvenční střídavé magnetické polejak je typické pro AC přenosové linky. Někteří vědci hovoří o škodlivosti tohoto proměnlivého magnetického pole pro lidské zdraví, pro rostliny, pro zvířata. Stejnosměrný proud zase vytváří pouze konstantní (nikoli proměnný) gradient elektrického pole v prostoru mezi vodičem a zemí, a to je bezpečné pro zdraví lidí, zvířat i rostlin.

Stabilita střídavých systémů je usnadněna stejnosměrným proudem.Díky vysokému napětí a stejnosměrnému proudu je možné přenášet energii mezi střídavými systémy, které nejsou vzájemně synchronizovány. Tím se zabrání šíření kaskádových škod. V případě nekritických poruch se energie jednoduše přesune do systému nebo ze systému.

To dále podporuje přijetí vysokonapěťových stejnosměrných sítí, což dává vzniknout novým základům.

Konvertorová stanice Siemens pro vysokonapěťové stejnosměrné přenosové vedení (HVDC) mezi Francií a Španělskem

Schéma moderního vedení HVDC

Tok energie je regulován řídicím systémem nebo konverzní stanicí. Průtok nesouvisí s režimem provozu systémů připojených k lince.

Propojení na stejnosměrném vedení mají libovolně malou přenosovou kapacitu ve srovnání se střídavým vedením a odpadá problém slabých článků. Samotné vedení lze navrhnout s ohledem na optimalizaci energetických toků.

Navíc mizí potíže se synchronizací několika různých řídicích systémů pro provoz jednotlivých energetických systémů. Součástí jsou rychlé nouzové ovladače Stejnosměrné elektrické vodiče zvýšení spolehlivosti a stability celé sítě. Řízení toku energie může snížit oscilace v paralelních vedeních.

Tyto výhody usnadní rychlejší přijetí vysokonapěťové interakce stejnosměrného proudu za účelem rozdělení velkých energetických systémů na několik částí, které jsou vzájemně synchronizovány.

Například v Indii bylo vybudováno několik regionálních systémů, které jsou propojeny vysokonapěťovými stejnosměrnými vedeními.Existuje také řetězec měničů řízených speciálním centrem.

V Číně je to stejné. V roce 2010 ABB postavilo v Číně první 800 kV ultravysokonapěťový stejnosměrný proud na světě v Číně.V roce 2018 bylo dokončeno vedení 1100 kV Zhongdong — Wannan UHV DC o délce 3400 km a kapacitě 12 GW.

Do roku 2020 bylo dokončeno nejméně třináct stavenišť.Vedení stejnosměrného proudu EHV v Číně. Vedení HVDC přenáší velké množství energie na značné vzdálenosti, přičemž ke každé lince je připojeno několik napájecích zdrojů.

Vývojáři vysokonapěťových stejnosměrných přenosových vedení zpravidla neposkytují široké veřejnosti informace o ceně svých projektů, protože se jedná o obchodní tajemství. Specifika projektů však mají své vlastní úpravy a cena se liší v závislosti na: výkonu, délce kabelu, způsobu instalace, ceně pozemku atd.

Ekonomickým porovnáním všech aspektů se rozhoduje o proveditelnosti výstavby HVDC vedení. Například výstavba čtyřlinkového přenosového vedení mezi Francií a Anglií o kapacitě 8 GW si spolu s prací na pevnině vyžádala zhruba miliardu liber.

Seznam významných projektů stejnosměrného proudu vysokého napětí (HVDC) z minulosti

V 80. letech 19. století došlo k tzv. válce proudů mezi zastánci DC, jako je Thomas Edison, a zastánci střídavého proudu, jako jsou Nikola Tesla a George Westinghouse. Stejnosměrný proud vydržel 10 let, ale prudký rozvoj výkonových transformátorů, nezbytných pro zvýšení napětí a tím omezení ztrát, vedl k rozšíření střídavých sítí. Teprve s rozvojem výkonové elektroniky bylo možné použít vysokonapěťový stejnosměrný proud.

Technologie HVDC se objevil ve 30. letech 20. století. Byl vyvinut společností ASEA ve Švédsku a Německu. První HVDC linka byla postavena v Sovětském svazu v roce 1951 mezi Moskvou a Kaširou. Poté, v roce 1954, byla postavena další trať mezi ostrovem Gotland a pevninským Švédskem.

Moskva – Kašira (SSSR) — délka 112 km, napětí — 200 kV, výkon — 30 MW, rok výroby — 1951. Považuje se za první na světě plně statický elektronický vysokonapěťový stejnosměrný proud, uvedený do provozu. Linka aktuálně neexistuje.

Gotland 1 (Švédsko) — délka 98 km, napětí — 200 kV, výkon — 20 MW, rok výroby — 1954. První komerční HVDC spoj na světě. Rozšířený ABB v roce 1970, vyřazen z provozu v roce 1986.

Volgograd – Donbas (SSSR) — délka 400 km, napětí — 800 kV, výkon — 750 MW, rok výstavby — 1965. První etapa stejnosměrného vedení 800 kV Volgograd — Donbass byla uvedena do provozu v roce 1961, která byla v tehdejším tisku zaznamenána jako tzv. velmi důležitou etapou technického rozvoje sovětské elektrotechniky. Linka je v současné době demontována.

Testování vysokonapěťových usměrňovačů pro vedení stejnosměrného proudu v laboratoři VEI, 1961.

Linkový diagram vysokonapěťového stejnosměrného proudu Volgograd — Donbass

Dívej se: Fotografie elektrických instalací a elektrických zařízení v SSSR 1959-1962

HVDC mezi ostrovy Nového Zélandu — délka 611 km, napětí — 270 kV, výkon — 600 MW, rok výroby — 1965. Od roku 1992 rekonstruovaný АBB… Napětí 350 kV.

Od roku 1977až dosud byly všechny HVDC systémy stavěny s použitím polovodičových komponent, ve většině případů tyristorů, od konce 90. let se začaly používat IGBT konvertory.

IGBT střídače v měnírně Siemens pro vysokonapěťové stejnosměrné přenosové vedení (HVDC) mezi Francií a Španělskem

Cahora Bassa (Mozambik – Jižní Afrika) — délka 1420 km, napětí 533 kV, výkon — 1920 MW, rok výroby 1979. První HVDC s napětím nad 500 kV. Oprava ABB 2013-2014

Ekibastuz – Tambov (SSSR) — délka 2414 km, napětí — 750 kV, výkon — 6000 MW. Projekt začal v roce 1981. Až bude uveden do provozu, bude to nejdelší přenosová linka na světě. Staveniště byla opuštěna kolem roku 1990 kvůli rozpadu Sovětského svazu a trať nebyla nikdy dokončena.

Interconnexion France Angleterre (Francie – Velká Británie) — délka 72 km, napětí 270 kV, výkon — 2000 MW, rok výroby 1986.

Gezhouba – Šanghaj (Čína) — 1046 km, 500 kV, výkon 1200 MW, 1989.

Rihand Delhi (Indie) — délka 814 km, napětí — 500 kV, výkon — 1500 MW, rok výroby — 1990.

Baltský kabel (Německo – Švédsko) — délka 252 km, napětí — 450 kV, výkon — 600 MW, rok výroby — 1994.

Tien Guan (Čína) — délka 960 km, napětí — 500 kV, výkon — 1800 MW, rok výroby — 2001.

Talcher Kolar (Indie) — délka 1450 km, napětí — 500 kV, výkon — 2500 MW, rok výroby — 2003.

Tři soutěsky – Changzhou (Čína) — délka 890 km, napětí — 500 kV, výkon — 3000 MW, rok výroby — 2003. V roce 2004 a 2006.Z vodní elektrárny HVDC „Tři soutěsky“ byly postaveny další 2 linky do Huizhou a Šanghaje na 940 a 1060 km.

Největší vodní elektrárna na světě, Tři soutěsky, je spojena s Changzhou, Guangdong a Shanghai vedením vysokého napětí stejnosměrného proudu.

Xiangjiaba-Shanghai (Čína) — trať z Fulong do Fengxia. Délka je 1480 km, napětí 800 kV, výkon 6400 MW, rok výstavby 2010.

Yunnan – Guangdong (Čína) — délka 1418 km, napětí — 800 kV, výkon — 5000 MW, rok výroby — 2010.