Морские энергетические ресурсы могут сыграть решающую роль в удовлетворении возросшего спроса на экологически чистую электроэнергию. Для обеспечения возможности использования морских энергетических ресурсов жизненно важно разработать эффективные и долговечные морские электрические системы.
Глобальный спрос на чистую и устойчивую электроэнергию постоянно растет. В результате доля возобновляемых источников энергии в энергосистеме увеличивается. Однако предложение экологически чистой электроэнергии не может удовлетворить спрос. Морские энергетические ресурсы, такие как энергия волн и морских течений, могут играть решающую роль в повышении уровня чистой энергии в энергосистеме.
Необходимым требованием для доступа к морским энергетическим ресурсам является эффективная и надежная электрическая система. На данный момент не построено крупных электростанций ни с энергией волн, ни с энергией морских течений, и вопрос о том, как должна быть построена электрическая система для этих технологий, до сих пор не решен.
Естественным моментом для начала изучения подходящих электрических систем для морских энергетических ресурсов является использование опыта морской ветроэнергетики.
Оффшорная ветряная электростанция
Как построить внутреннюю сеть сбора электроэнергии на ветровой электростанции и как передать электроэнергию на берег были широко исследованы для оффшорной ветроэнергетики.
Между морскими и наземными (наземными) ветряками нет никакой технологической разницы, кроме установленной мощности ветрогенераторов.
В море турбины могут быть более мощными, потому что они не вызывают шума или воздействия на ландшафт, как это происходит с оборудованием, установленным на суше. Кроме того, ветры более регулярны, потому что они свободно перемещаются без препятствий, таких как холмы, горы или искусственная инфраструктура.
Можно заметить, что в ранних проектах, таких как Horns Rev в Дании, как внутренняя сеть на морской ветряной электростанции, так и передача на берег были построены с использованием переменного тока. Системы переменного тока, наиболее распространенный метод передачи электроэнергии с начала 20 века, используются во всем мире.
Однако в недавно построенных крупных ветряных электростанциях, расположенных далеко от берега, было принято использовать высоковольтный постоянный ток для передачи электроэнергии на берег. Однако внутренняя сеть на электростанциях по-прежнему работает на напряжении переменного тока.
Все большее внимание привлекает использование постоянного тока не только для передачи на берег, но и для внутренней электрической сети. Для ветроэнергетики было проведено множество исследований по этому вопросу, и были предложены различные топологии.
Исследования морских электрических сетей постоянного тока в основном были сосредоточены на морских ветровых установках и не часто распространялись на морскую энергетику в целом.
Кабель постоянного тока для передачи электроэнергии в оффшорной возобновляемой энергетике
Морские энергетические ресурсы
Термин «морские энергетические ресурсы» включает энергию волн и мощность морских течений. Оценочный потенциал волновой энергии во всем мире составляет 32 ПВтч/год.
Мировой потенциал энергии морских течений не был исследован в такой же степени, однако в одном исследовании утверждается, что мировой потенциал мощности морских течений составляет около 3 ТВт. Однако прогнозируется, что только часть этого может быть использована в связи с техническими ограничениями доступа к местоположению морских течений.
Несмотря на то, что потенциал морской энергетики во всем мире велик, установленная генерирующая мощность составляет всего около 500 МВт во всем мире, из которых около 99% приходится на приливную генерацию.
Передача переменного или постоянного тока в морских проектах
Чтобы избежать высоких потерь и чрезмерно высоких номинальных токов оборудования, крупные оффшорные энергетические фермы передают генерируемую электроэнергию на берег, используя переменный ток высокого напряжения (HVAC) или постоянный ток высокого напряжения (HVDC).
На ранних крупных морских ветровых электростанциях для передачи использовалась система HVAC. Однако, поскольку размер электрустановок и расстояние до берега увеличились, количество проектов, использующих технологию HVDC, также увеличилось.
Причина использования HVAC в основном связана с возможностью использования стандартных трансформаторов для изменения уровней напряжения и простой конструкцией систем защиты по сравнению с HVDC.
HVAC используется в течение длительного времени и считается зрелой технологией с высокой степенью стандартизации, что делает доступность компонентов более высокой, чем для HVDC.
В основном для передачи HVDC используются две разные технологии: преобразователь с линейной коммутацией (LCC) HVDC и преобразователь с источником напряжения (VSC) HVDC.
LCC HVDC основан на тиристорах в качестве переключающих элементов и может передавать мощность только между двумя или более активными сетями, и поэтому для применения в морской энергетике потребуется вспомогательная система запуска.
LCC HVDC может быть менее дорогим для номинальной мощности в сотни мегаватт, хотя считается, что он не подходит для оффшорных применений из-за серьезных требований к пространству и восприимчивости к помехам в сети переменного тока.
С изобретением биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) открылся новый мир возможностей для передачи HVDC.
HVDC VSC — это новейшая технология, в которой тиристоры заменены на IGBT, и она стала доступна для использования в коммерческих приложениях только несколько лет назад. Она требует меньше места и не нуждается в отдельной системе запуска, что делает его более подходящим для оффшорной ветроэнергетики.
Подробно об этом смотрите здесь - Как устроены силовые преобразовательные устройства для высоковольтных линий постоянного тока
Прокладка подводного кабеля HVDC
Кабели для морских ветряных электростанций
Кабели, используемые для подводной передачи электроэнергии на переменном токе HVAC, представляют собой трехжильные кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE).
Основное отличие этих кабелей от старых кабелей с промасленной бумагой (OIP) заключается в использовании изоляции из сшитого полиэтилена, которая может выдерживать более высокие температуры, 90оC в проводнике в установившемся режиме и 250оC при 3-секундном коротком замыкании. Кроме того, поскольку такие кабели не используют масло, то они экологичны, просты в установке и в обслуживании.
В настоящее время для производства кабелей для подводной передачи электроэнергии на постоянном токе HVDC используются две технологии: кабели с массовой пропиткой, которые являются наиболее распространенными, и кабели, заполненные маслом.
Кабели с массовой пропиткой состоит из проводника из скрученных отрезков медного слоя, покрытых бумагой, пропитанной маслом и смолой, внутреннего слоя бумаги и наружного слоя медной ткани.
Другие технологии, которые можно использовать, но пока еще не так распространены, включают: кабели из сшитого полиэтилена и тонкопленочную изоляцию внахлестку (LTFI).
Изоляция кабля из сшитого полиэтилена позволяет ему выдерживать температуры до 90оC в установившемся режиме и, таким образом, передавать гораздо больше энергии, чем предыдущие технологии.
Кабели LTFI используют тонкую полипропиленовую пленку вместо импрегнированных материалов. Кабели также имеют оболочки, кожухи, броню и антикоррозионный слой из экструдированного полиэтилена для защиты проводника и его внешней изоляции.
Эта технология доступна для напряжений до 500 кВ и пропускной способности 800 МВт. Кабель не имеет ограничений по длине, и его ограничением является максимальная температура проводника 50оC.
Проводник масляных каблей изолирован бумагой, пропитанной маслом низкой вязкости, и имеет продольный канал для подачи масла.
Эти кабели подходят для HVDC и HVAC и могут использоваться для постоянного напряжения до 600 кВ. Благодаря маслопроводу этот кабель имеет ограничение по длине 100 км и является экологически безопасным с точки зрения риска утечки масла.
Все подводные кабели имеют металлическую оболочку, броню и наружную часть из нескольких слоев полипропиленовой нити.
Смотрите также - Как устроены подводные кабели высокого напряжения
Морская ветроэнергетика
Ограничения при использовании электрических сетей переменного тока
В подводных кабелях переменного тока (HVAC) высока емкость, что приводит как к проблемам резонанса, так и к снижению пропускной способности передачи энергии из-за высокого зарядного тока.
Длинные кабели с высоким зарядным током можно компенсировать с помощью, например, статических реактивных компенсаторов, что является сложной и дорогостоящей задачей.
В идеале компенсатор устанавливается в нескольких точках на кабеле, но практические ограничения часто приводят к возможности установки только на приемном или передающем конце кабеля.
В кабелях постоянного тока (HVDC) зарядный ток отсутствует или очень мал, что снижает потери и падение напряжения, а также увеличивает количество передаваемой мощности по сравнению с HVAC и устраняет необходимость в дорогостоящих компенсационных устройствах.
В системе переменного тока, синхронно подключенной к сети, могут возникать распространяющиеся неисправности. Неисправность в одной части сети будет распространяться на другие части сети.
В сетях постоянного тока преобразователи энергии не будут оказывать существенного влияния на ток короткого замыкания в основной сети переменного тока, поскольку они не синхронизированы.
Еще одним преимуществом HVDC является то, что, если HVDC используется вместе с технологией преобразователя источника напряжения, можно предоставлять вспомогательные услуги основной сети переменного тока за счет быстрого управления активной и реактивной мощностью и частотной характеристикой.
Одним из недостатков передачи HVDC является то, что для HVDC требуется больше мощных электронных компонентов по сравнению с традиционной технологией передачи HVAC, что увеличивает инвестиционные затраты.
Преобразователи переменного тока в постоянный и постоянного тока в переменный также являются дорогостоящими, что приводит к тому, что системы HVDC имеют более высокую фиксированную стоимость, связанную с инфраструктурой станции, чем HVAC.
Предельные затраты на километр передачи ниже для HVDC, потому что для этого требуется меньше кабельного материала и наблюдаются меньшие потери мощности. Поскольку HVDC имеет более высокие фиксированные затраты, но более низкие предельные затраты. На определенном расстоянии передача HVDC будет менее дорогим вариантом по сравнению с HVAC.
На каком расстоянии стоимость передачи постоянного тока и передачи переменного тока одинакова, оценивалось в нескольких исследованиях. Некоторые исследования предполагают расстояние безубыточности 30–50 км, в то время как другие считают, что для ветровой электростанции мощностью 100 МВт безубыточность расстояние 90 км.
На каком расстоянии достигается паритет стоимости между передачей HVDC и HVAC, зависит от таких факторов, как потребность в реактивной компенсации, уровни напряжения и полоса отвода, и будет более или менее уникальным для каждого проекта.