ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СЕТЕЙ HVDC И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЗАХСТАНСКУЮ СИСТЕМУ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ВНЕДРЕНИИ

ADVANTAGES AND DISADVANTAGES OF THE HVDC NETWORK AND THEIR IMPACT ON THE KAZAKHSTAN ELECTRICITY SYSTEM DURING IMPLEMENTATION

Zhanbolat Igibaev

master of technical Sciences, Department of plasma physics and comp. physics, nanotechnology, Al-Farabi Kazakh national University,

Kazakhstan, Almaty

Ключевые слова: HVDC(высоковольтный ток постоянного тока), переменный ток, полупроводниковая технология, электрическая сеть.

Keywords: HVDC (high-voltage DC current), alternating current, semiconductor technology, electrical network.

Потребность к эффективной и гибкой системе передачи электроэнергии постоянно ощущается в современных промышленно развитых городах. Особенно такие проблемы ощущаются в южных регионах Казахстана. Постоянно растущий прогресс высоковольтной полностью управляемой полупроводниковой технологии продолжает оказывать значительное влияние на развитие современной силовой электронной аппаратуры, используемой для поддержки оптимизированных операций и эффективного управления электрическими сетями, которые во многих случаях являются полностью или частично нерегулируемыми сетями. Разработки продвигают как высоковольтную передачу постоянного тока (HVDC), так и гибкую систему передачи переменного тока. Постоянно развивающаяся технология HVDC набирает обороты в новой энергетической экономике с помощью длинных линий электропередачи HVDC, которые могут транспортировать энергию с максимальной эффективностью и минимальными потерями мощности [1,с.300].

В самом начале эпохи электрификаций генерация, передача и распределение электроэнергии осуществлялся в форме постоянного тока (DC). Первая линия электропередачи разрабатывался постоянным током. Фундаментальные понятия Вольта, Ома, Ампера, Гальвани и Эрстеда были открыты в области постоянного тока. Томас Эдисон (1857 – 1931) спроектировал и построил первую в мире электрическую центральную станцию (DC) на Перл-Стрит, штат Нью-Йорк, в 1882 году. Несмотря на то, что постоянный ток был изобретен раньше, его заменяют переменным током (AC) из-за удобства пользования. Это связано с поставкой таких электрических устройств, как трансформатор, асинхронный двигатель и многофазные цепи на 1890 год. Трансформатор чрезвычайно легок и прост в изменении уровня напряжения для трансмиссии и асинхронного двигателя, которые работали исключительно с переменным током в промышленности. HVDC является более благоприятным, чем HVAC из-за его технических, экономических и экологических преимуществ.

Большинство ранних попыток преобразования постоянного напряжения в более высокие или более низкие уровни опирались на механические устройства, которые не были экономически эффективными в коммерческом масштабе. Раннее исследование технологии HVDC и потенциальных конвертерных технологий было начато шведским доктором Уно Ламмом из ASEA, который впервые запатентовал ртутно‐дуговые преобразователи низкого давления для применения в HVDC в 1929 году. Прежде чем были построены первые практические ртутно‐дуговые клапаны, возникли другие технические и производственные проблемы. Первые демонстрации технологии HVDC были также опробованы и внедрены в Советском Союзе (ныне Россия) в 1951 году между Москвой и соседним городом Кашира. Первая коммерческая линия HVDC, разработанная ASEA, была построена в 1954 году для транспортировки электроэнергии между материковой Швецией и островом Готланд. Линия была рассчитана на 100кВ (киловольт) и имела мощность для подачи 20МВт  (мегаватт) электроэнергии.

В 1970‐х годах линии HVDC были построены с твердотельными преобразовательными устройствами, такими как тиристорные клапаны. HVDC, использующий тиристорные клапаны, также известен как линейно-коммутационный преобразователь (LCC) HVDC. В середине 1990‐х годов преобразователи напряжения с источником питания (VSCs) были коммерциализированы для применения в системах HVDC [2,с.1057].

Электрическая мощность должна передаваться либо по переменному, либо по постоянному току. Каждая система имеет свои преимущества и недостатки. Таким образом, проводится сравнительное исследование, чтобы решить, какая система является лучшей для передачи электрической энергии на большие расстояния.

Преимущества системы передачи HVDC:

• Превосходная экономичность для применения на дальних расстояниях. Линии HVDC используются для экономичного отвода электроэнергии от крупных генераторов, расположенных вдали от центров спроса.
• DC передает больше мощности на проводник: связь переменного тока и связь постоянного тока имеют разную способность передавать мощность. Для постоянного тока требуется только два проводника по сравнению с переменным током с тремя проводниками, как показано на рис. 1.

Рисунок 1. Сравнение систем AC и DC по количеству проводника

• Более низкое пространство и меньший размер башни: уровень изоляции постоянного тока для аналогичной передачи энергии меньше, чем соответствующий уровень переменного тока.
• Меньше коронных и радио помех: коронные эффекты снижаются, когда частота увеличивается для определенного диаметра проводника и приложенного напряжения. Поэтому радиопомехи с постоянным током ниже. Стоимость линии электропередачи также снижается из-за меньшего использования проводников.
• Более низкие потери: в среднем потери на линиях HVDC составляют примерно 3,5% на 1000 км, в отличие от 6,7% для сопоставимых линий переменного тока с аналогичными уровнями напряжения. На рис. 2 сравниваются потери на воздушной линии с использованием конфигураций HVDC и HVAC. Как показано на рисунке, за пределами расстояния безубыточности 300 км (или 186 миль) потери на линиях переменного тока неизменно выше, чем на сопоставимых линиях HVDC.

Рисунок 2. Сравнение AC и DC высокого напряжения по потерям мощности

• Возможность подключения асинхронных систем переменного тока: технология HVDC используется для соединения асинхронных сетей переменного тока
• Пригодность для подводных применений: технология HVDC является преобладающим выбором для подводных кабелей.

Недостатки системы передачи HVDC. Схема передачи HVDC также имеет недостатки, которые касаются стоимости, конверсионного оборудования, коммутации, управления и доступности. К недостаткам схемы передачи постоянного тока высокого напряжения приведены ниже:

• Более высокие затраты на короткие расстояния. Как уже объяснялось ранее, линии HVDC экономически эффективны только за пределами определенного расстояния безубыточности для соответствующего напряжения и мощности. Стоимость проектов HVDC также выше из-за конвертерных станций и сопутствующего оборудования. Проекты HVDC имеют экономический смысл только для проектов, превышающих определенное критическое расстояние. Как примерное эмпирическое правило, ABB сообщает об этом критическом расстоянии как 60 км (или 37 миль) для подводных линий HVDC и 200 км (или 124 мили) для воздушных линий [3,с.2].

Рисунок 3. Сравнительные кривые затрат для постоянного тока​

• Ограниченный контроль между терминалами: в отличие от систем передачи переменного тока, внедрение многотерминальной системы HVDC является сложным и дорогостоящим делом. Управление потоком мощности между клеммами остается сложной технической задачей.
• Более низкая доступность: схемы HVDC предлагают более низкую доступность, чем сопоставимые системы переменного тока, главным образом из-за конверсионных станций и связанного с ними оборудования. Кроме того, конвертерные станции имеют ограниченную перегрузочную способность.
• Дорогие преобразователи: на каждом конце линии передачи постоянного тока требуется дорогостоящая преобразовательная станция, но линия передачи переменного тока нуждается только в трансформаторной станции.
• Требование к реактивной мощности: больше реактивной мощности требуется для преобразователей во время выпрямления и инверсии. Каждый преобразователь может использовать до половины активной мощности постоянного тока[4,с.1].
• Генерация гармоник: преобразователи производят много гармоник как для переменного, так и для постоянного тока. Таким образом, фильтры используются для минимизации количества гармоник, передаваемых через систему переменного тока. Но для системы постоянного тока сглаживающие реакторы устанавливаются с той же целью. Впоследствии эти компоненты приводят к удорожанию системы.
• Сложность преобразования напряжения: для передачи более высокого напряжения трансформаторы постоянного тока должны выполнять преобразование напряжения в системе переменного тока и избегать использования только системы постоянного тока.
• Сложность получения высокой мощности: из-за некоторых проблем коммутации с постоянным напряжением, скорость, мощность, генерируемая постоянным током, относительно ниже.
• Отсутствие перегрузочной способности: преобразователи имеют более низкую перегрузочную способность в отличие от трансформаторов.

Вывод заключается в продолжении внедрения системы передачи HVDC с более точным расчетом. Надо учитывать всевозможные энергоресурсы находящиеся рядом с южными городами и возможные экспортные выходы на Центральную Азию. Согласно технико-экономическому обоснованию растояние, которое планируется соединять должен соответсвовать к минимальным потерям и максимальному использованию мощности. Перед внедрением технологий стоит подготовить высококвалифицированные кадры.

Список литературы:

1. Behravesh, V. & Abbaspour, N., 2012. New Comparison of HVDC and HVAC Transmission system. International Journal of Engineering Innovation & Research, 1(3), 300 – 304.
2. Bahrman, M. & Johnson, B., 2007. The ABCs of HVDC transmission technology. IEEE Power and Energy Magazine, 5(2), 1057– 1069.
3. Rudervall, R., Charpentier, J. P. & Sharma, R., 2000. High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper. Energy Week 2000, 1 – 17.
4. Wang, S. et al., 2008. Economic Assessment of HVDC Project in Deregulated Energy Markets.