Vysokonapěťový stejnosměrný přenos energie: HVDC…
Je přenos střídavého proudu nejúčinnější variantou pro 21. století?
Přenos střídavého proudu je nejběžnější formou přenosu energie na světě. DC převod lze nalézt pouze v některých konkrétních aplikacích.
Výhody a nevýhody přenosu energie HVDC by měly být podrobně diskutovány. Teprve potom si můžeme položit otázku: Je přenos střídavého proudu nejúčinnější pro 21. století?
Dnes mohou různé požadavky na zvýšení účinnosti a spolehlivosti přenosu způsobit, že budeme pochybovat o používání přenosových systémů se střídavým proudem (AC). Rozsáhlý výzkum systémů stejnosměrného proudu (DC) pokračuje, protože se objevují nevýhody systémů střídavého napětí.
Historické pozadí AC a DC systémů
První systém elektrické energie byl postaven a testován na konci 19. století. Nejprve se převážně používaly stejnosměrné napájecí systémy. Systém přenosu stejnosměrného proudu měl několik omezení. Nelze převést stejnosměrné napětí, což znamená, že energii nelze přenášet na velkou vzdálenost bez vysokého poklesu napětí a hodnot ztráty energie.
Thomas Alva Edison a jeho tým vyvinuli v roce 1881 stejnosměrný generátor, jistič, pojistky, žárovky a první stejnosměrné systémy. Stejnosměrné systémy fungovaly při napětí 110 V jako malé izolované systémy, aby se snížily ztráty energie. O několik let později (v roce 1887) koupil George Westinghouse Teslovy patenty na klimatizační systémy a najal ho, aby jej dále rozvíjel.
Díky schopnosti převádět napětí z jedné úrovně na druhou se střídavé systémy staly vhodnými pro přenos energie na velké vzdálenosti. To byl hlavní důvod, proč fungovaly lépe než stejnosměrné napájecí systémy.
Dnes se stejnosměrné systémy používají v některých speciálních aplikacích, jako jsou telekomunikační systémy, vozidla, lodě a přenos vysokého napětí.
Omezení třífázových střídavých přenosových systémů
Vývoj třífázových střídavých přenosových systémů se blíží limitům jejich možností.
Tyto limity mohou zahrnovat:
- Ztráty přenosového výkonu v důsledku nevyhnutelného přenosu jalového výkonu.
- Další ztráta pevnosti v důsledku kožního efektu.
- Nemožnost propojení rozvětvených třífázových přenosových systémů s jinou jmenovitou frekvencí (50-60 Hz) nebo jinou metodou regulace frekvence
- Zvyšte hodnotu zkratového proudu (jističe obtížně přerušují poruchové proudy; značné mechanické namáhání elektrického zařízení)
- Nemožnost použít delší kabelové vedení (tj. Podmořské kabely) kvůli vysokým hodnotám křížové kapacity
Z důvodu těchto omezení AC přenosového systému může budoucnost přenosových systémů spočívat v technologiích založených na použití výkonových elektronických zařízení známých jako přenosové systémy HVDC. Princip fungování tohoto systému spočívá v převodu střídavého napájení na stejnosměrné (pomocí usměrňovačů), dálkových stejnosměrných přenosových vedení na dálku a stejnosměrného napájení na střídavé (pomocí střídačů). ). Převod energie se provádí v konvertorových stanicích.
Konfigurace systému HVDC
V zásadě existují dva hlavní prvky vysokonapěťového stejnosměrného systému (HVDC):
- Stanice měniče na koncích přenosového systému.
- Přenosová vedení (trolejové vedení, kabely)
Převodní stanice mohou v obou režimech fungovat jako invertor nebo usměrňovač. Tato funkce umožňuje přenos energie v obou směrech.
Konvertorová stanice je v zásadě inovativním řešením, které umožňuje implementaci systému HVDC. Nejdůležitějšími částmi přeměňovací stanice jsou přeměňovací jednotka mostu a přeměňovací transformátor. Polovodičový ventil je hlavní součástí převodníku můstku. Nekontrolovatelný polovodičový ventil je vyroben z diod, zatímco kontrolovatelná verze je vyrobena z tyristorů zapojených do sériové konfigurace.
Vysoce výkonné tyristory integrované do moderního systému HVDC mají průměr disku 5 palců (125 mm) s maximálním proudem 4 kA a kapacitu blokování napětí vyšší než 8 kV. Tyristory lze zapojit do sériových konfigurací, aby se dosáhlo vyšší blokovací kapacity při napětí nad 100 kV.
Moderní systémy HVDC většinou používají dvanáct měničů pulzních můstků. Je navržen jako dva plně ovladatelné šestipulzní můstkové převodníky zapojené do sériové konfigurace, jak je vidět na obrázku 1 (a) níže.
Obrázek 1. (a) Dvanáct měničů pulzních můstků se dvěma sekundárními stranami transformátorů (YY a Y-) a (druhý) PWM HV převodník. Klikni pro zvětšení
Zavedení pulzní šířkové modulace
Vývoj vysokofrekvenčních komponent, jako je IGBT, vyústil v konstrukci vysokonapěťového převodníku využívající technologii PWM (pulsně šířková modulace). Pomocí PWM HV převodníků je možné regulovat jakoukoli frekvenci a amplitudu změnou signálů PWM.
Hlavní částí převaděče PWM HV je převodník mostů IGBT. Moderní IGBT má kapacitu blokování napětí 6,5 kV s maximálním jmenovitým proudem 3,6 kA a spínací frekvenci, která se může pohybovat od několika desítek (novější výzkum umožnil více než 8 kV). kHz. Tyto převaděče IGBT jsou odolné vůči kritické hodnotě dv / dt vyšší než 100 kV / µs, jak je znázorněno na obrázku 1 (b).
HVDC transformátory
HVDC transformátory jsou podstatnou součástí systému HVDC. Používají se k převodu napětí střídavého systému na odpovídající hodnotu střídavého napětí pro vstup převodníku můstku. Dvanáct měničů pulzních můstků vyžaduje napájení navržené dvěma systémy třífázového napětí posunutými o 30 °. Toho je dosaženo použitím dvou třífázových transformátorů s různými konfiguracemi vinutí (nebo transformátoru se dvěma sekundárními stranami, jak je vidět na obrázku 1): jeden připojený k YY, druhý ve vektorové skupině transformátoru Y-Δ.
Toto řešení poskytuje významné úspory v harmonických filtrech tím, že pomáhá zrušit pátou a sedmou harmonickou na straně AC a šestou harmonickou na straně DC.
Transformační stanice, střídavé filtry, stejnosměrné filtry, svodiče přepětí, odpojovače atd. Zahrnuje další důležité vybavení, jako je.
Přenosové systémy HVDC
Mezi výhody přenosového systému HVDC patří:
- Snížení energetických ztrát (účinek parazitních indukčních vedení je zanedbatelný)
- Téměř plná přenosová kapacita použitá pro přenos činného výkonu
- Méně linek, které dodávají stejné množství energie.
- Hodnota dolního průřezu (zanedbatelný efekt kůže)
- Levnější přenosová cesta a věž díky menšímu počtu vedení (jak je znázorněno na obrázku 2 níže)
- Přenos síly ponorky na velké vzdálenosti kvůli nízkým hodnotám příčné kapacity
Obrázek 2. Vysílací věže HVDC zabírají méně místa.
Na druhé straně se přenosové systémy HVDC potýkají s některými nevýhodami, jako jsou:
- Provoz střídače generuje výrazně vysoké harmonické v síti a vytváří problémy s kvalitou energie.
- Výkonová elektronika také generuje šum v telekomunikačních signálech. To lze zmírnit vývojem filtrů, které pomáhají snižovat dopad těchto nevýhod.
- Konvertorové stanice se skládají z velkého počtu tyristorů, drahé součásti výkonové elektroniky.
- Během provozu tyristoru dochází také k významným ztrátám energie.
Je třeba také poznamenat, že téměř veškerá elektrická infrastruktura a spotřebitelé energie jsou přizpůsobeni střídavému proudu, který vyžaduje výměnu.
Ekonomika přenosových systémů HVDC
Ziskovost přenosových systémů HVDC závisí na několika faktorech.
Hlavním faktorem je přenosová vzdálenost. V případě kratší přenosové vzdálenosti je efektivní instalovat přenosové systémy HVAC. Systémy HVDC jsou však nákladově efektivní pro dálkové vedení. Je obtížné najít kritickou vzdálenost, pro kterou je instalace systému HVDC oprávněná. Pouze pro informaci, kritická vzdálenost pro systém přenosu energie nad hlavou je mezi 300 a 500 mil s přenosovým výkonem 2 000 MW.
Náklady na systém HVDC jsou vysoké kvůli instalaci konverzní stanice na koncích přenosové soustavy. Cena systému HVAC je v těchto částech systému výrazně nižší.
Některé hypotetické situace, o nichž lze rozhodnout ve prospěch přenosové soustavy HVDC, jsou:
- Když je přenosový systém HVDC nákladově efektivní ve srovnání s třífázovým systémem HVAC (například vysoký přenosový výkon, dlouhá vzdálenost přenosu energie)
- Pokud není systém HVAC možný (např. Dlouhá kabelová vedení, jako jsou asynchronní třífázová propojení střídavé elektrické sítě, podmořský přenos energie)
- Když je vyžadována regulace výkonu a řízení toku energie, i když je přenos HVAC nákladově efektivní
Jaké jsou vaše zkušenosti s energetickými systémy? Souhlasíte s tímto hodnocením AC a DC systémů? Sdílejte své zkušenosti v komentářích níže.
