Преимущества постоянного тока в высоковольтных линиях

Несмотря на большее распространение переменного тока при передаче электрической энергии, в ряде случаев использование постоянного тока высокого напряжения предпочтительнее.

Постоянный ток, как предпочтительный вариант

Несмотря на распространение переменного тока при передаче электроэнергии, в ряде применений предпочтительно использовать постоянный ток высокого напряжения. В качестве примеров таких применений можно назвать:

1. Подводные кабели, высокое емкостное сопротивление которых вызывает в случае переменного тока дополнительные потери (например, Балтийский Кабель длиной 250 км между Швецией и Германией).

2. Передача электроэнергии между конечными точками, отстоящими на большие расстояния друг от друга, без использования промежуточного оборудования, например, поставка энергии в отдаленные районы.

3. Увеличение мощности существующих электрических сетей в ситуациях, когда прокладка дополнительных линий затруднена, или требует слишком больших затрат.

4. Передача электроэнергии между не синхронизированными системами распределения переменного тока.

5. Уменьшение сечения проводов и высоты вышек при заданной мощности передачи электроэнергии. Высоковольтные линии постоянного тока могут передавать больше энергии при заданном диаметре проводника.

6. Подключение удаленной электростанции к сети распределения, например, двухполюсная линия Nelson River Bipole в Канаде (IEEE 2005).

7. Стабилизация электрической сети, использующей преимущественно переменный ток, без увеличения опасности короткого замыкания.

8. Снижение потерь, связанных с коронными разрядами (возникающими из-за пиков сверхвысокого напряжения) по сравнению с высоковольтными линиями переменного тока такой же мощности.

9. Снижение стоимости линий, поскольку передача постоянного тока высокого напряжения требует меньшего количества проводников. Например, для типичной двухполюсной высоковольтной линии постоянного тока требуется два проводника, а для трехфазной линии переменного тока высокого напряжения используется три проводника.

Передача постоянного тока высокого напряжения дает особенные преимущества при использовании подводных кабелей. Длинный кабель переменного тока имеют высокое емкостное сопротивление.

Пример (видео, англ.)

Соединение HVDC Light постоянного тока с пропускной мощностью 500 МВт

Компанией ABB выполнено соединение HVDC Light (VSC) на 500 мегаватт между сетями Ирландии и Великобритании. Это соединение обеспечивает передачу электроэнергии между сетями, увеличивая надежность и безопасность поставок электроэнергии. Соединение восток-запад имеет в своем составе кабель высокого напряжения длиной 262 км, из которых 186 км кабель проходит по дну моря.

Поэтому ток, расходуемый на то, чтобы зарядить и разрядить эту емкость кабеля, вызывает дополнительные потери мощности, если по кабелю проходит переменный ток. А при использовании постоянного тока для передачи энергии эти потери минимальны. Помимо этого, потери переменного тока связаны и с диэлектрическими потерями. В приложениях общего типа, высоковольтная передача постоянного тока обеспечивает больше мощности на один проводник, чем при использовании переменного тока, так как при данном уровне мощности постоянное напряжение в линии постоянного тока ниже, чем пиковое напряжение в линии переменного тока.

Это напряжение накладывает требование на толщину изоляторов и расстояние между проводниками. По сравнению с линией переменного тока, передача электроэнергии при помощи линий постоянного тока снижает затраты, так как коридор линии электропередачи позволяет увеличить плотность энергии.

Линии постоянного тока не порождают такого же электромагнитного поля крайне низких частот (ELF), как это свойственно линиям переменного тока. Хотя в прошлом высказывались некоторые опасения относительно вреда для здоровья (в том числе и увеличения роста лейкемии), оказываемого такими полями, современное научное сообщество не рассматривает источники ELF, и связанные с ними поля, как вредные для здоровья.

Развертывание оборудования постоянного тока высокого напряжения не устраняет полностью электрические поля, так как сохраняются градиенты напряжения электрического поля постоянного тока между проводником и землей. Но такие электрические поля не ассоциируются с влиянием на здоровье.

Поскольку постоянный ток высокого напряжения позволяет обеспечить передачу электроэнергии между не синхронизированными системами переменного тока, он может помочь увеличить стабильность системы. Это происходит за счет предотвращения распространения каскадных отказов из одной части общей системы передачи электроэнергии в другую. При этом энергия может (при незначительных отказах) поступать в систему, или из нее.

Эта характеристика, благодаря ее стабильности, способствует более широкому применению технологии постоянного тока высокого напряжения. Поток энергии на линии передачи постоянного тока регулируется за счет использования систем управления или станций преобразования. Этот поток не зависит от режима работы подключенных энергетических систем.

Так, в отличие от линий переменного тока, межсистемные связи на основе постоянного тока могут иметь сколь угодно низкую емкость передачи, устраняя "проблему слабых связей", и сами линии могут проектироваться с учетом оптимальных потоков энергии.

Помимо этого, устраняются сложности синхронизации различных систем управления операциями в разных энергетических системах. Высокоскоростные системы аварийного управления на линиях передачи постоянного тока высокого напряжения, еще больше усиливают стабильность и надежность энергетической системы в целом. Более того, регулирование потока энергии может быть использовано для гашения колебаний в энергетических системах или в параллельных линиях переменного тока высокого напряжения.

Приведенные выше преимущества способствуют применению соединений на основе постоянного тока для разбиения больших энергетических систем на несколько не синхронизируемых частей.

Линии передачи постоянного тока высокого напряжения

Например, быстро растущая энергетическая система Индии создана в виде нескольких региональных систем, соединенных друг с другом линиями передачи постоянного тока высокого напряжения, и цепочкой преобразователей, с центральным управлением этими элементами высоковольтного постоянного тока (Koshcheev 2001).

Аналогично, в Китае линии постоянного тока высокого напряжения (800 кВ) станут основным элементом передачи больших мощностей на очень большие расстояния с небольшим количеством подключением поставщиков электроэнергии вдоль каждой линии (Yinbiao 2005).