Лекция № 11. Передачи и вставки постоянного тока

Линии электропередачи переменного тока могут связывать только синхронизированные электрические сети переменного тока, которые работают на той же самой частоте и в фазе. Много зон, которые желают поделиться энергией, имеют несинхронизированные электрические сети. Энергосистемы Великобритании, северной Европы и континентальной Европы не объединены в единую синхронизированную электрическую сеть. У Японии есть электрические сети на 60 Гц и на 50 Гц. Континентальная Северная Америка, работая на частоте 60 Гц, разделена на области, которые несинхронизированы: Восток, Запад, Техас, Квебек, и Аляска. Бразилия и Парагвай, которые совместно используют огромную гидроэлектростанцию Итайпу, работают на 60 Гц и 50 Гц соответственно.

Как же поступить, если необходимо связать районы с различной частотой электрически сетей. Для этой цели используются передачи постоянного тока ППТ (HVDC – High Voltage DC transmission).

Генератор, связанный длинной линией электропередачи переменного тока, может стать неустойчивым и выпасть из синхронизации с отдаленной энергосистемой переменного тока. Устройства HVDC позволяют связать несинхронизированные электрические сети переменного тока, а также добавить возможность управления напряжением переменного тока и потоком реактивной мощности.

Ветряные электростанции, расположенные на расстоянии от берега, могут использовать устройства HVDC, чтобы собрать энергию у большого числа несинхронизированных генераторов для передачи на берег подводным кабелем. Линия HVDC может сделать выполнимым использование удаленных электростанций.

Однако, обычно линия питания HVDC связывает две области распределения мощности энергосистемы переменного тока. Устройства, выполняющие преобразование между переменным и постоянным токами, значительно увеличивают стоимость передаваемой энергии. Выше определенного расстояния (приблизительно 50 км для подводных кабелей, и примерно 600—800 км для воздушных линий), меньшая стоимость электрических проводников HVDC перевешивает стоимость электроники.

Преобразовательная электроника также предоставляет возможность эффективно управлять энергосистемой посредством управления величиной и перетоком мощности, что дает дополнительное преимущество существования HVDC линий — потенциальное увеличение устойчивости энергосистемы.

Во многих случаях HVDC передача более эффективна, чем передача на переменном токе. Например:

· Подводные кабели, где высокая емкость приводит к дополнительным потерям.

· Передача энергии в энергосистеме от пункта к пункту без промежуточных 'отводов', например, в удаленные районы

· Увеличение пропускной способности существующей энергосистемы в ситуациях, где установка дополнительных линий является трудной или дорогой

· Передача энергии и стабилизация между несинхронизированными системами распределения переменного тока

· Присоединение удаленной электрической станции к энергосистеме.

· Уменьшение стоимости линии за счет уменьшения количества проводников. Кроме того, могут использоваться более тонкие проводники, так как HVDC не подвержен поверхностному эффекту.

· Упрощается передача энергии между странами, которые используют переменный ток различных напряжений и/или частот

· Синхронизация переменного напряжения, произведенного возобновляемыми источниками энергии

Длинные подводные кабели имеют высокую емкость. В то время как этот факт имеет минимальную роль для передачи электроэнергии на постоянном токе, переменный ток приводит к зарядке и разрядке емкости кабеля, вызывая дополнительные потери мощности. Кроме того, мощность переменного тока расходуется на диэлектрические потери.

HVDC может передавать большую мощность по проводнику, так как для данной номинальной мощности постоянное напряжение в линии постоянного тока ниже, чем амплитудное напряжение в линии переменного тока. Мощность переменного тока определяет действующее значение напряжение, но оно составляет только приблизительно 71 % амплитудного напряжения, которое определяет фактическую толщину изоляции и расстояние между проводниками. Поскольку у линии постоянного тока действующее значение напряжения равно амплитудному, становится возможным передавать на 41% больше мощности по существующей линии электропередачи с проводниками и изоляцией того же размера, что на переменном токе, что снижает затраты.

Поскольку HVDC допускает передачу энергии между несинхронизированными распределительными системами переменного тока, это позволяет увеличить устойчивость системы, препятствуя каскадному распространению аварии с одной части энергосистемы на другую. Изменения в нагрузке, приводящие с десинхронизации отдельных частей электрической сети переменного тока, не будут затрагивать линию постоянного тока, и переток мощности через линию постоянного тока будет стабилизировать электрическую сеть переменного тока. Величину и направление перетока мощности через линию постоянного тока можно непосредственно регулировать и изменять для поддержания необходимого состояния электрических сетей переменного тока с обоих концов линии постоянного тока.

Преимущество HVDC — способность передавать большее количество энергии на длинные дистанции с меньшими капитальными затратами и меньшими потерями, чем на переменном токе. В зависимости от уровня напряжения и схемы, потери будут составлять приблизительно 3 % на 1000 км. Передача на постоянном токе высокого напряжения позволяет эффективно использовать источники энергии, удаленные от энергоузлов нагрузки.

Рис.1. Сравнительная стоимость линий переменного (AC) и постоянного (DC) тока.

Рисунок 1 представляет сравнительную характеристику линий переменного и постоянного тока. Хотя капитальные затраты на строительство линий постоянного тока выше, стоимость километра этих линий существенно ниже. Поэтому существует такое значение длины линии электропередачи при котором передача энергии постоянным током оказывается более выгодной, чем переменным.

Различают несколько типов схем передач постоянного тока (рис.2).

Рис.2. Типы схем линий постоянного тока (a - монополярная, b –биполярная, c -гомополярная).