Как известно, величина мощности в электрической цепи определяется через произведение напряжения и тока. Поэтому, для увеличения передаваемой на расстояние электрической энергии, целесообразным будет увеличить напряжение, а не ток, поскольку тогда ток потребуется меньший, а значит и сечение провода ЛЭП можно будет уменьшить, тем самым удешевив ее.
Первые ЛЭП постоянного тока начали возводить еще в 1880-е. Тогда же швейцарский инженер Рене Тюри предложил использовать системы мотор-генератор для преобразования переменного тока в постоянный и обратно. Ведь переменное напряжение повышалось при помощи трансформаторов, тогда как для передачи по ЛЭП необходимо было постоянное напряжение.
В системе преложенной Тюри в 1889 году, двигатель переменного тока вращал высоковольтные генераторы постоянного тока на 5000 вольт, соединенные друг с другом последовательно. Далее эти генераторы были подключены к ЛЭП при общем напряжении в 14 кВ. На расстоянии 120 км, на выходе ЛЭП, двигатель постоянного тока вращал генератор переменного тока.
Переменное напряжение от генератора можно было при необходимости преобразовать до любой требуемой величины при помощи трансформатора. КПД системы получился крайне низким, хотя мощность, передаваемая по ЛЭП, составляла 630 кВт.
Появление ртутных выпрямителей сделало применение высоковольтных линий электропередачи постоянного тока (HVDC) более практичным. Позже появились тиристоры, MOSFET и IGBT-транзисторы, что еще более повысило рентабельность эксплуатации ЛЭП постоянного тока.
Принципиально ЛЭП постоянного тока, в отличие от ЛЭП тока переменного, не имеет реактивных потерь, что в некоторых случаях передачи энергии на дальние расстояния, особенно когда сеть не разветвленная, делает их применение особенно целесообразным.
Сегодня самая длинная HVDC линия в мире (протяженностью 2400 км) находится в Бразилии и служит для передачи электроэнергии мощностью 3,15 ГВт в города штата Сан-Паулу.
Мировым лидером по строительству новых линий электропередач сверхвысокого напряжения постоянного тока является Китай.
К крупнейшим производителям электрооборудования для систем HVDC относятся Hitachi Energy, GE Grid Solutions (совместное предприятие General Electric и Alstom) и Siemens Energy.
Одна из подстанций линии электропередачи постоянного тока протяженностью 1500 км в Китае
Оборудование подстанции для линии электропередачи постоянного тока компании ABB в Индии между Райгарх-Пугалур
Система сверхвысокого напряжения постоянного тока (UHVDC) Райгарх-Пугалур на 800 киловольт (кВ) соединяет Райгарх в Центральной Индии с Пугалуром в южном штате Тамил Наду.
Линия протяженностью 1830 километров является одной из самых длинных в мире. Его мощности в 6000 мегаватт — эквивалента более чем шести крупных электростанций. Этой мощности достаточно для удовлетворения потребностей в электроэнергии более 80 миллионов человек в Индии.
Тиристорный двенадцатиимпульсный мост
Как же устроены силовые преобразовательные устройства высоковольтных линий электропередач постоянного тока (HVDC)?
В силу того, что напряжение передачи может доходить до 800 кВ, многочисленные тиристоры в выпрямительных сборках на преобразовательных станциях HVDC соединены последовательно, образуя составные вентили. Управляющие цепи данных тиристоров оптически развязаны от силовых цепей при помощи оптоволокна.
И, конечно же, здесь используются дополнительные пассивные компоненты: градуирующие конденсаторы и резисторы - они подключены параллельно каждому тиристору, чтобы обеспечить равномерное распределение напряжения между тиристорами в составе каждого вентиля. Инверторы на приемной стороне работают подобным образом, только в противоположную сторону.
Итак, на передающей стороне сеть переменного тока развязана с помощью одного трехфазного или трех однофазных трансформаторов.
Обычно каждый трансформатор имеет две вторичные обмотки так, что первая соответствует соединению звезда, вторая — соединению треугольник, чтобы обеспечить сдвиг фаз в 30 градусов. В сумме эти 12 вентилей обеспечивают двенадцатиимпульсный режим выпрямления.
Для рассеивания потерь мощности на тиристорах используются жидкие хладагенты, которые перекачиваются через зал преобразователя к отдельным тиристорам в электрически изолированных трубопроводных системах. Потери тепла отдаются в окружающий воздух снаружи помещения через теплообменники.
Сглаживающая катушка на выходе постоянного тока служит для уменьшения остаточной пульсации постоянного тока. Она может быть выполнен в виде воздушного или железного дросселя, индуктивность которого составляет от 0,1 до 1 Гн.
Внутренняя часть зала преобразователя постоянного тока с преобразователем обычно полностью металлически экранирована снаружи для обеспечения электромагнитной совместимости и не может быть доступна во время работы из-за высокой напряженности поля и опасности поражения электрическим током.
На фото изображен фрагмент двенадцатиимпульсного тиристорного выпрямителя линии высокого напряжения постоянного тока, расположенной между Северным и Южным островами Новой Зеландии. Размер фигуры человека на площадке внизу дает представление о масштабе сооружения.
Тиристорные вентили используются более чем в 100 схемах высокого напряжения постоянного тока, и многие другие схемы все еще строятся или планируются.
Наивысшая номинальная мощность одиночного преобразователя постоянного тока (в составе двенадцатиимпульсного моста) составила 2000 МВт (в 2010 году по схеме ± 660 кВ от ветряной электростанции Ниндун - в провинцию Шаньдун) в Китае.
Двухуровневый преобразователь на IGBT-вентилях
В новых подстанциях для высоковольтных линий постоянного тока в качестве выпрямителей чаще всего используются схемы с IGBT-транзисторами. Обратные диоды активно участвуют в выпрямлении, завершая шестиимпульсный мост (двухуровневый преобразователь).
Используемые силовые преобразователи могут работать в обоих направлениях, как выпрямитель, так и как инвертор.
Стратегия управления ключами здесь основана на широтно-импульсной модуляции (ШИМ), когда за один цикл каждый ключ включается и выключается по 20 раз. Это приводит, конечно, к коммутационным потерям, достигающим 3%.
Тиристорные схемы по этому параметру эффективнее (в них коммутационные потери составляют всего 0,7%). Тем не менее в 1997 году в Швеции на полигоне Гренгесберг - Хеллсён была введена в эксплуатацию первая экспериментальная линия постоянного тока такого рода. Ее номинальная мощность составила 3 МВт при постоянном напряжении в 10 кВ, протяженность ЛЭП 10 км.
Недостаток такого решения заключается в том, что для более высоких напряжений необходимо соединять очень много IGBT-транзисторов, так что управление ими приводит к очень высокому уровню помех.
Трехуровневый преобразователь на IGBT-вентилях с диодной фиксацией нейтрали
Трехуровневый IGBT-выпрямитель позволяет более точно формировать дискретные уровни выходного напряжения. Здесь три рабочих положения ключей: два верхних открыты, два нижних открыты, либо два средних открыты. Диоды лишь фиксируют нейтральную точку.
На деле оказалось, что такой проект трудно масштабировать до более чем 150 кВ. Тем не менее, трехуровневая схема использовалась в проекте Murraylink в Австралии для передачи электроэнергии между штатами Берри в Южной Австралии и Ред-Клиффс в Виктории.
ЛЭП с теоретической номинальной мощностью в 220 МВт (практически оказалось недостижимо из-за тепловой перегрузки инфраструктуры) была ведена в эксплуатацию в 2002 году и считается самой длинной (180 километров) в мире подземной системой электропередачи. Ее стоимость в итоге превысила 177 миллионов австралийских долларов.
Многоуровневый преобразователь с управляемыми субмодулями
Кабель Trans Bay Cable длиной 85 км представляет собой подводную ЛЭП постоянного тока, проложенную между Сан-Франциско и Питтсбургом. Линия проходит под заливом Сан-Франциско, через пролив Каркинес и способна передавать 400 МВт мощности при постоянном напряжении ± 200 кВ.
Здесь использован особый многоуровневый модульный преобразователь, каждый вентиль которого представляет собой индивидуальный регулируемый источник питания высокого напряжения.
В составе каждого вентиля - 300(!) субмодулей, выполненных по типу полумоста, а также соответствующее количество конденсаторов. В итоге каждый такой вентиль способен формировать 300 дискретных уровней напряжения, что дает превосходные гармонические характеристики для взаимодействия с входным синусоидальным напряжением.
В такой схеме применяется сложное синхронное управление, однако именно такая схема дает лучший результат из всех приведенных выше. Без необходимости прибегать к ШИМ, коммутационные потери составляют здесь всего 1%. Проблем с повышением напряжения не возникает.
В стадии строительства находится подземная (через туннель горного массива в Перенеях) кабельная ЛЭП из Франции в Испанию, состоящая из двух параллельных линий мощностью 1000 МВт на постоянное напряжение ±320 кВ. На станции будут использованы многоуровневые модульные преобразователи.
Смотрите также:
Интересные факты про электрические кабели: кабели-рекордсмены
Устройство и применение высоковольтных кабелей с масляным и газовым наполнением