Высоковольтные линии постоянного и переменного тока. Генерация напряжения в электротехнике. Часть 1

Считается, что ушли в прошлое времена, когда решался вопрос, каким быть электросетям в мире – сетям постоянного или переменного тока (так называемая «война токов или напряжений», имевшая место на рубеже 19-20 веков). В настоящее время большинство сетей – это сети переменного напряжения с частотой 50 / 60 Гц. Тем не менее, последние события в энергетике показывают, что старая дискуссия может вернуться.

В настоящее время идут процессы, которые могут потеснить монополию переменного тока

1) Развитие высоковольтных систем постоянного тока (ЛПТ / HVDC систем) в системах электропередачи продолжается благодаря следующим преимуществам [1]:

• Отсутствуют потери на излучение, так электромагнитные волны излучает только проводник с переменным током.
• В сети нет реактивной (паразитной) мощности и, следовательно, затрат на борьбу с ней, т.е. нет коэффициента мощности и необходимости его улучшения.
• Экономия на материалах опор ЛЭП, проводов.

Основное преимущество HVDC – это возможность передать большее количество энергии на большое расстояние с меньшими капитальными затратами и меньшими потерями, чем в HVAC линиях [1]. В зависимости от уровня напряжения и конструкционных особенностей потери составляют около 3% на 1км [1]. HVDC позволяют более эффективно использовать энергетические источники удаленные от нагрузочных центров.

Основные примеры, где использование HVDC более эффективно, чем HVAC:

• Подводные кабели (например, 250 км Балтийский кабель между Швецией и Германией [1], 600 км кабель NorNed между Норвегией и Голландией, 290 км связка Basslink между Австралийским материком и Тасманией [1]). В подводных кабелях линии переменного тока неэффективны по причине потерь на токи Фуко в солёной воде.
• Дальнемагистральные мощные линии электропередачи типа «конечная точка – конечная точка» без промежуточных ответвлений, например, в удаленных (незаселенных) областях.
• Увеличение мощности существующей силовой сети в ситуациях, где дополнительные провода устанавливать трудно или дорого.
• Передача мощности и стабилизация между несинхронизированными распределительными системами переменного напряжения (Power transmission and stabilization between unsynchronised AC distribution systems).
• Подключение удалённой генерирующей электростанции к главной сети, например: Nelson River DC Transmission System.
• Стабилизация преобладающей AC сети за счет того, что HVDC не вносит вклад в общий ток КЗ системы (Stabilizing a predominantly AC power-grid, without increasing prospective short circuit current).
• Снижение цены линии электропередачи. HVDC нуждается в меньшем количестве проводников так как нет необходимости поддержки многофазных систем. Так же, из-за отсутствия скин-эффекта могут использоваться более тонкие проводники.
• Облегчение передачи (обмена) энергией между странами (районами, сетями), которые используют разные частоты промышленной сети.
• Синхронизация сетей переменного напряжения, выработанного ВИЭ [1].

Преимущества и недостатки HVDC по другому источнику [2]:

A. Преимущества HVDC

• Большая передаваемая мощность для проводника одного сечения (нет излучения, нет скин-эффекта и др.).
• Более простая конструкция линии (нет реактивных компенсаторов и др.).
• Может быть использован возврат через землю (ОЛВЗ). Имеется в виду, что меньше потери на токи Фуко и др., т.к. в HVAC линиях также используется ОЛВЗ / SWER.
• В случае ОЛВЗ каждый проводник может работать как независимая цепь.
• Нет зарядного тока, т.е. переменного тока идущего на подзаряд емкостей линии (No charging current. Additional current must flow in the cable to charge the cable capacitance). Это особенно важно в подземных / подводных кабелях. Поэтому в подводных ЛЭП HVDC используется уже несколько десятилетий.
• Нет скин эффекта.
• Кабели могут работать при более высоком градиенте напряжения (так как нет токов Фуко).
• Коэффициент мощности линии всегда равен единице: реактивной мощности нет, линия не требует реактивной компенсации.
• Меньше коронный разряд и радиопомехи, особенно в плохую погоду, для проводника с теми же самыми диаметром и RMS напряжением как в HVAC.
• Синхронная работа не требуется.
• Следовательно, дистанция линии не ограничена требованиями стабильности.
• Может соединять системы переменного напряжения с разными частотами.
• Низкий ток КЗ в линии с постоянным током (Low short-circuit current on DC line).
• Не вносит вклад в ток КЗ AC линии (Does not contribute to short-circuit current of a A.C system).
• Регулирование перетоков мощности легко осуществляется / контролируется (Tie-line power is easily controlled).

B. Недостатки HVDC

• Конверторы дороги.
• Конверторы сопряжения с HVAC сталкиваются с проблемой реактивной мощности.
• Конверторы генерируют гармоники, требуются фильтры.
• Мультитерминальную (сеть с множеством потребителей) систему построить нелегко (Multiterminal or network operation is not easy) [2].

Дальние дистанции технически недостижимы для линий HVAC без промежуточных станций компенсации реактивной мощности. Частота и промежуточные реактивные компоненты вызывают проблемы стабильности AC линии. С другой стороны HVDC линия электропередачи не имеет проблемы стабильности из-за отсутствия частоты, и следовательно, нет ограничения на длину линии. Цена на единицу длины для HVDC линии ниже, чем для HVAC при той же мощности и надёжности. Однако, цена терминального оборудования (оборудования конечных станций) HVDC линии значительно выше чем HVAC. Наибольшее ценовое преимущество HVDC линии достигается на расстояниях свыше 500-800 км. HVDC линии меньше воздействует на человека и на природу в целом, это делает HVDC более «дружелюбной» по отношению к окружающей среде [2].

Преимущества HVDC [9]:

Высоковольтные DC и сверхвысоковольтные DC системы – это совершенные технологии, превосходно подходящие для целей интеграции различных источников энергии таких, как солнце и ветер в локальные электрические сети. Это особенно важно для крупномасштабных оффшорных проектов ветроэлектростанций, или крупномасштабных СЭС. HVDC имеют многочисленные преимущества над традиционной HVAC ЛЭП. Одно из главных преимуществ HVDC – малые потери при передаче энергии, в отличие от больших потерь в HVAC линиях.

Основное практическое правило выглядит следующим образом: на каждые 1000 км DC линии потери составляют менее 3% (на примере линии 5000 МВт, 800 кВ). Обычно потери DC линии на 30-40% меньше, чем потери для линий AC, при тех же уровнях напряжения. Поэтому для ЛЭП большой длины DC (ЛПТ) являются единственным приемлемым решением, как с технической, так экономической точки зрения. Подтверждение можно можно почерпнуть из  опытных данных, представленных ниже и полученных на HVAC и HVDC Transmission system for the Nelson River Bipole  [1, 2]. Из графиков сравнения затрат на строительство стандартной ЛЭП и ЛПТ, видно что начиная с расстояния 450 миль ЛПТ более выгодны, и с дальнейшим ростом расстояния выгода растёт.

На рисунке ниже показана наземная ЛЭП: площадь занимаемая HVDC оптимальна и составляет около одной трети площади HVAC. HVDC это два проводника, а HVAC это три проводника плюс нейтраль, в результате установочная цена на милю для HVDC ниже.

HVDC лучше HVAC для оффшорных (вне береговых) подводных проектов. Для подводных систем электропередачи, потери в AC линии из-за её ёмкости очень велики, что делает HVDC экономически выгоднее на более коротких дистанциях, чем на земле.

Благодаря преимуществам (см. выше) одна и таже ЛЭП может передать в 3 раза больше энергии при переходе с технологии HVAC к HVDC [19]:

Преимущества HVDC [12]:

Особенность системы ABB HVDC Light – возможность стабилизировать напряжение линий переменного тока, а так же возможность использования для связи с изолированными удаленными источниками генерации в местах, где строительство новых воздушных линий сверхвысокого напряжения слишком затратно. Это важно для ветряных электростанций, так как они значительно удалены и разница в скорости ветра может привести к значительным колебаниям напряжения.

Так же система HVDC выгодна для подземных подводных кабелей. Вот примеры реализованных проектов:

• Протяженный подземный кабель (70 км Gotland HVDC Light) от ветряной электростанции (Швеция).
• Протяженный подземный кабель (59 км Terranora interconnector и 180 км Murraylink) между двумя сетями (Австралия) [12] и др.

Замечание: HVDC имеют много особенностей, которые продолжают изучаться и часто не могут быть отнесены только к преимуществам или только недостаткам, например, коронный разряд не только приводит к потерям и радиошумам, но и вырабатывает озон.

Таким образом, преимущества HVDC для подводных и подземных применений обусловлены отсутствием токов Фуко, а преимущества на дальних дистанциях – малой занимаемой площадью из-за меньшего расстояния между проводами и отсутствия скин-эффекта (нет необходимости разбивать проводники на несколько меньших, работает весь объем провода, независимо от сечения) и проблем коэффициента мощности.

Недостатки HVDC связаны со использованием сложных преобразователей (конверторов), необходимостью их контроля и обслуживания [1].

С начала развития линий постоянного тока с 1880-х годов и до середины 20 века во многих странах было предпринято несколько попыток построения ЛПТ систем (Италия, Швейцария, Германия и др.). Только затем началось существенное развитие DC систем. После Великой Отечественной Войны в СССР были введены в строй ЛПТ ЛЭП 30 МВт ЛПТ Кашира–Москва (1951 г), 750 МВт Волгоград–Донбасс (1964 г) и др. С тех пор число ЛПТ ЛЭП в мире увеличилось и продолжает расти.

Достигнуты большие мощности и расстояния ЛПТ ЛЭП, например – UHVDC Xiangjiaba-Shanghai 2,071 км 7200 МВт ±800 кВ (от ГЭС Xiangjiaba до Шанхая) [1,11]. Количество реализованных и проектируемых ЛПТ ЛЭП за период 2000 г - 2013 г превысило количество всех построенных в 20 веке ЛПТ ЛЭП. В общем, рост ЛПТ систем касается только сферы большой энергетики, так как традиционно в бытовом применении (и для большинства промышленных нагрузок) во всём мире используется переменное напряжение 50 или 60 Гц.

Ниже приведена карта HVDC линий Европы (многие из которых обслуживают объекты возобновляемой энергетики такие, как ветро- и гидро- электростанции), а также проектируемые HVDC Китая [4,5].

2) Возобновляемая энергетика как «локомотивная отрасль» тянет за собой развитие систем / линий постоянного тока (ЛПТ / HVDC) за счёт их преимущества

В связи с прохождением пика потребления углеводородов в результате роста цен на газ и нефть резко возрастает роль возобновляемых источников энергии, а также всех смежных с ними отраслях, том числе строительстве ЛПТ. Линии переменного тока AC эффективны в системах с машинной генерацией напряжения синусоидальной формы, например: ДЭС, ТЭС, АЭС и т.п.. А для таких возобновляемых источников энергии, таких как ВЭС и СЭС более эффективны в работе ЛПТ.

Это связано с тем что:

• Данные ВИЭ не могут самостоятельно генерировать переменное напряжение с фиксированной частотой и напряжением (как генераторы на обычных ЭС). Это связано с нестабильностью альтернативных источников энергии  (Солнце, ветер) и актуальной проблемой выгодного аккумулирования энергии. Поэтому для ВИЭ требуются импульсные преобразователи, которым легче работать с ЛПТ. Наоборот, паровые, дизельные, газовые и др. приводы генераторов обычных ЭС изначально легко дают фиксированное переменное напряжение («стабильное напряжение, стабильная частота»).

Выходит, что эффективность ЛЭП переменного тока как бы «привязана» к нефти, газу др. НВИЭ. Исключением являются ГЭС  (ВИЭ), но ГЭС не могут работать круглосуточно и поэтому также нуждаются в объединении сетей (в ГЭС с накопительным водохранилищем работа на номинальную мощность производится периодически т.к. вода аккумулируется в периоды пониженных нагрузок). ГЭС работающие на водотоке не годны для выработки больших мощностей – см. ниже.

Рассмотрим распространенную ситуацию с централизованной электростанцией в регионе, когда электростанция – это одиночный центр, питающий весь окружающий регион. В этом случае никакие объединения электросетей не требуются или требуются только для аварийного режима. Речь может идти об объединении единиц ЭС – ЭС на ВИЭ (ВЭС СЭС и др.), сильно рассредоточенными по большой территории, поэтому вопрос объединения десятков, сотен, и более единиц ЭС в единую сеть крайне важен. А в случае объединения ЛПТ выигрывает по сравнению с ЛЭП переменного тока по простоте и эффективности.

Причины необходимости объединения ЭС на ВИЭ и выгодности HVDC для этих целей:

• Парковые ВЭС (Ветроэлектростанции / Wind farms) и СЭС электростанции изначально является сильно рассредоточенными по большой территории на площади несколько десятков и сотен кв. км. Примером могут служить оффшорные, горные, равнинные парковые ВЭС – в среднем от 30 до 300 единичных ВЭС мощностью 1-6 МВт каждая на территории 10-300 кв. км [7].
• Парковые ЭС на ВИЭ требуют объединения в единую энергосистему, так как источник энергии нестабилен, а дешёвый аккумулятор электроэнергии до сих пор не разработан.
• Парковые ЭС часто удалены и рассредоточены, так как привязаны к ресурсам солнца и ветра, поэтому требуется много длинных ЛЭП, что более подходит для HVDC технологии.
• Для объединения многих терминалов (источников и потребителей) HVDC значительно выгоднее (см преимущества выше). Главная причина – не требуется синхронизация, терминалы подключаются параллельно.
• При использовании HVDC линий упрощается постройка системы «сетевая электростанция». При этом парковая ЭС может выдавать энергию в сеть, принимать энергию из сети в аккумуляторы, передавать / ретранслировать потоки энергии.
• При использовании HVDC линий упрощается постройка системы «объединённая сетевая электростанция» для большого числа малых частных ЭС / потребителей.
• При использовании HVDC упрощается построение энергосистемы «силовой интернет», включающей множество мелких и крупных станций типа «источник», «потребитель», «аккумулятор», а также их комбинаций.
• Даже в настоящее время, когда большинство основных магистральных сетей – HVAC, из-за своей выгодности HVDC используются для сопряжения сетей HVAC, сопряжения сетей HVAC с ЭС на ВИЭ.

Пример 1 [13]

Система BorWin1 – одна из крупнейших HVDC систем Германии. Используется для энергетического соединения оффшорного ветропарка BARD Offshore 1 (400 МВт) и других оффшорных ветроферм, расположенных в Германии рядом с Боркумом с Европейской энергетической сетью. Характеристики: мощность 400 МВт, биполярная линия, напряжение 150 кВ. ЛЭП HVDC BorWin1, идущая от оффшорной платформы BorWin Alpha к подстанции Diele, содержит участки 75 км подземного и 125 км подводного кабеля. Запущена в строй в 2009 г.

Вид BARD Offshore 1 с платформы HVDC конвертора

Вид BARD Offshore 1 (cправа платформа HVDC конвертора)

Пример 2

Система Atlantic Wind Connection (AWC), HVDC магистральная линия длиной 350 миль от Sayreville NJ до Virginia Beach передаёт от 6000 до 7000 MВт мощности от парковой ветроэлектростанции в общую сеть (в процессе строительства).

А если кто то спросит: «что случится если ветер перестанет дуть?», то мы всегда можем ответить, что ветер всегда дует где-нибудь, мы только должны перебросить энергию туда где она необходима. И сделать это можно с помощью линий HVDC [9].

3) Рост количества оборудования с импульсными блоками питания способствует развитию систем / линий / преобразователей постоянного тока.

4) Рост количества железнодорожных и других контактных сетей способствует развитию систем / линий постоянного тока.

5) Рост количества бортовых сетей (авто, корабельных, авиа и других) способствует развитию систем/линий пост. тока.

6) Рост внутренних, в т.ч. специального назначения, сетей (внутри зданий, предприятий и др.) способствует развитию систем / линий постоянного тока.

Несмотря на то, что линии и оборудование постоянного тока продолжают использоваться и развиваться (см выше), большинство высоковольтных и низковольтных сетей, а также потребителей в мире являются сетями и потребителями переменного тока 50/60 Гц.

Независимо от того как преимущественно будет идти развитие силовой энергетики

• по пути ЛЭП перем. тока
• по пути ЛПТ
• по обоим путям
• другие альтернативы, например водородная энергетика, сети повышенной частоты и др. пока не могут конкурировать с приведёнными)

в современной электротехнике остаётся и будет оставаться одной из основных задач – задача генерации переменного напряжения, так как эти устройства применяются и в ЛЭП переменного тока и ЛПТ системах.

Общепринятым стандартом здесь является синусоидальное переменное напряжение 50 / 60 Гц, хотя возможны и другие формы сигнала напряжения и стандарты частот.

Спектр решаемых при этом задач очень широк – от обычной генерации напряжения 380 В / 50 Гц с помощью дизельной электростанции в удалённом посёлке, до преобразования высокого постоянного напряжение в высокое переменное синусоидальное напряжение в высоковольтных ЛПТ (линиях электропередач постоянного тока) систем магистральных ЛЭП.

К области техники для генерации переменного напряжения также относятся инверторы, преобразователи частоты, устройства плавного пуска электродвигателей, частотно-регулируемые (управляемые) преобразователи (приводы) моторов (ЧУП, Variable Frequency Drive, VFD), устройства защиты от противотока, ДГУ, ИБП, инверторные, бензиновые и др. генераторные установки, некоторые типы стабилизаторов, активные корректоры КНИ, активные корректоры коэффициента мощности, специальные преобразователи (ЖД, подводные лодки и др.), электрогенераторы, умформеры и др. Данный список можно дополнить специализированными инверторами электрогенераторов на ВИЭ (СЭС, ВЭС и др.) и др.

В энергетике широко распространено применение инверторов для объединения HVDC и HVAC систем. Так же особенностью оборудования, генерирующего переменное напряжение является то, что это оборудование может быть обязательно и необходимо, но при этом сама генерация переменного напряжения не является главной целью.

Например, имеются две высоковольтные линии (системы) постоянного тока 500 кВ и 300 кВ, и требуется их объединить. Объединение достигается с помощью преобразователя с внутренним преобразованием DC-AC-DC, так как без генерации промежуточного переменного (или импульсного) напряжения преобразование DC-DC невозможно.

[30]. Инженеры России
http://rus-eng.org/eng/Dolivo-Dobrovol%27skij%20Mixail%20Osipovich.htm
http://energomuseum.ru/history/nachalo/