Високовольтна лінія постійного струму

Високовольтна лінія постійного струму (ВЛПС; англ. HVDC) — система передавання електричної енергії, що використовує постійний струм на відміну від поширеніших систем змінного струму. Для передавання на великі відстані ВЛПС є дешевшою та має менші електричні втрати. Для підводних силових кабелів ВЛПС дозволяє уникнути великих струмів зарядки та розрядки ємності кабелю під час кожного циклу. Для коротких дистанцій, вища ціна обладнання для перетворення в постійний струм, порівняно зі змінним струмом, є досі виправданою, якщо брати до уваги переваги постійного струму. ВЛПС використовує напруги між 100 кВ та 800 кВ, з ланкою в 1,100 кВ в Китаї, що повинна запрацювати в 2019.

ВЛПС дозволяє передавати електроенергію між несинхронізованими системами. Оскільки потужність через ВЛПС ланку може контролюватися незалежно від різниці фаз між джерелом та навантаженням, це дозволяє стабілізувати мережу під час раптових змін в енергосистемі. ВЛПС також дозволяє передавати електроенергію між мережами з різними частотами, наприклад 50 Гц та 60 Гц. Це підвищує стабільність та ощадливість кожної енергомережі, дозволяючи обмін електроенергією між двома несумісними мережами.

Сучасна форма ВЛПС використовує технології розроблені в 1930 роки в Швеції (ASEA) та в Німеччині. Перші комерційні мережі включали в себе першу в Радянському Союзі систему, створену у 1951 між Москвою та Каширою, та систему (100 кВ, 20 МВт) між островом Готланд та континентальною Швецією (1954). Найдовша ВЛПС лінія у світі — Ріо Мадейра в Бразилії, що складається з двох ліній 600 кВ, 3150 МВт кожна, які з'єднують Порту-Велью в штаті Рондонія та регіон Сан-Паолу. Довжина лінії постійного струму складає 2,375 км.

В липні 2016, ABB отримала в Китаї контракт будівництва наземної надвисоковольтної лінії постійного струму напругою 1,100 кВ, довжиною 3,000 км та потужністю 12 ГВт, встановивши рекорди у найбільшій напрузі, найбільшій дистанції та найбільшій потужності. Оскільки потужність, втрачена внаслідок нагрівання проводів, прямопропорційна квадрату струму, подвоєння напруги зменшує лінійні втрати в 4 рази. Хоча втрати можуть бути зменшені за допомогою збільшення діаметру провідника, але це збільшить вагу провідника та ціну.

Висока напруга не може бути використана для освітлення та моторі, тому напруга повинна бути зменшена для кінцевого споживача. Трансформатори використовують для зміни напруги змінного струму.

Високовольтна передача

Висока напруга використовується для передачі електричної енергії для зменшення енергетичних втрат через опір в дротах. Для певної потужності збільшення напруги вдвічі передає таку саму потужність при вдічі меншому струмі. Трансформатори роблять напругу зручною для використання, а генератори змінного струму більш ефективні ніж генератори постійного струму. Ці переваги призвели до повного витіснення постійного струму в 20му столітті.

Зручне перетворення між постійним і змінним струмом стало можливим з розробкою таких пристоїв як ртутні випрямлячі і, починаючи з 1970рр, напівпровідникових пристроїв як тиристори, IGCT-тиристори, IGBT-транзистори.

Історія

Електромеханічні (Турі) системи

Першу передачу електроенергії на довгу дистанцію постійним струмом було продемонстровано у 1882 році на Місбах-Мюнхенській лінії, але передано було тільки 1.5 кВт. Ранній метод передачі через ВЛПС було розроблено швейцарським інженером Рене Турі і його метод було реалізовано у 1889 році в Італії компанією Acquedotto De Ferrari-Galliera. Ця система використовувала послідовно з'єднані комплекти мотор-генераторів для збільшення напруги. Кожен комплект був ізольований від землі та приводився в дію ізольованим валом головного двигуна. Лінія передачі працювала з напругою до 5000 вольт на кожну машину, деякі машини мали по два комутатори для зменшення напруги на кожному. Ця система передавала 630 кВт при напрузі 14 кВ постійного струму на відстань 120 км. Лінія Ліон-Мутьє передавала 8600 кВт електроенергії з гідроелектростанції на дистанцію 200 км, включаючи 10 км підземного кабелю. Ця система використовувала 8 послідновно з'єднаних генераторів з подвійними комутаторами з загальною напругою в 150 кВ між мінусом і плюсом та працювала з 1906 до 1936 рік. До 1913 в роботі знаходилося вже 15 систем Турі. Інші системи Турі, що працювали з постійною напругою до 100 кВ, працювали до 1930рр, але механізми вимагали частого обслуговування і мали високі втрати. Різні інші механічні випрямлячі тестувалися впродовж першої половини 20 століття з невеликим комерційним успіхом.

Однією з технік, яку спробували для перетворення постйного струму високої напруги у низьку напругу було заряджання послідовно з'єднаних батарей. Потім перемикання батарей в паралель для роботи. Хоча принаймні дві комерційні установки були випробувані приблизно на рубежі 20-го століття, ця технологія, як правило, не була корисною через обмежену ємність батарей, труднощі з перемиканням між послідовним і паралельним з'єднанням, а також притаманну енергетичну неефективність циклу розряду/заряду акумуляторів. ( Сучасні акумуляторні електростанції включають трансформери та інвертори для зміни струму зі змінного на постійний з потрібною напругою.)

Порівняння з змінним струмом

Процес перетворення

Досягнення надвисоковольтного постійного струму

Надвисоковольтний постійний струм (UHVDC - ultrahigh-voltage direct-current) найшовіша технологія у високовольтній передачі постійного струму. UHVDC визначено як передача постійного струму з напругою більше ніж 800 кВ (високовольтна передача - 100-800 кВ)

Одна з проблем з UHVDC мереж це - хоч витрати менше ніж в передачі змінним струмом, але досі великі на високих відстанях. Типові витрати для 800 кВ лінії 2.6% на 800 кілометрів. Збільшення передачі напруги на таких лініях зменшує втрати, але до недавного часу, інтерконектори, які були потрібні для з'єднання сегментів мереж, були надто дорогими. Однак з розвитком виробництва стає все більш доцільним будувати лінії UHVDC.

В 2010, ABB побудувала першу в світі 800 кВ UHVDC в Китаї. Жундонг-Ванан лінія з напругою 1100 кВ, довжиною 3400 кілометрів і потужністю 12 ГВт була завершена в 2018. На 2020 рік було збудовано щонайменше 13 ліній UHVDC в Китаї.

Хоча більшість впроваджених технологій UHVDC в Китаї, вони також розміщени в Південній Америці, а також в інших регіонах Азії. В Індії 1830 кілометрова лінія, 800 кВ, 6 ГВт лінія між містами Райгарх і Пугалур. В Бразилії Сінгу-Естреіто лінія довжиною більше 2076 кілометрів, 800 кВ і потужністю 4 ГВт було закінчено в 2017. На 2020 рік ліній UHVDC в Європі чи Північній Америці не побудовано.