Это почему система передачи HVDC превосходит HVAC в этих основных приложениях

Это почему система передачи HVDC превосходит HVAC в этих основных приложениях
Это почему система передачи HVDC превосходит HVAC в этих основных приложениях
Anonim

Что такое HVDC?

По большей части электричество передается по всему миру посредством переменного тока. Тем не менее, существуют определенные приложения, в которых передача постоянного тока обеспечивает отличные экономические и / или эксплуатационные преимущества.

Техническое объяснение Почему система передачи HVDC лучше, чем HVAC (на фото: HVDC (± 350 кВ) между островными линиями и линией распространения 11 кВ, Марлборо, Южный остров, Новая Зеландия, кредит: Aaron LXXXV через FLickr)

Эти приложения включают в себя передачу на большие расстояния, подводную или подземную передачу и асинхронные связи между энергосистемами. Первое практическое применение передачи постоянного тока было в Швеции в 1954 году. Но более широкое применение HVDC началось после 1960 года.

Сегодня линии HVDC используются во всем мире для передачи все большего количества энергии на большие расстояния. В Соединенных Штатах одной из самых известных линий передачи HVDC является Тихоокеанская HVDC Intertie, которая соединяет Калифорнию с Орегоном. Кроме того, в качестве хорошего примера для системы HVDC имеются линии с угловым криком - 400 кВ.

В Канаде остров Ванкувер поставляется через кабель HVDC. Другая известная система HVDC - это взаимосвязь между Англией и Францией, которая использует подводные кабели.

Как правило, в системе HVDC напряжение переменного тока выпрямляется, а линия передачи постоянного тока передает энергию. Инвертор, расположенный в конце линии передачи постоянного тока, преобразует постоянное напряжение в переменный ток, например, Pacific HVDC Intertie, который работает с напряжением ± 500 кВ и соединяет Южную Калифорнию с гидростанцией в штате Орегон.

Связанные проводники также используются в линиях передачи HVDC.

Содержание:

  • Накладная передача HVDC
  • Сравнение мощности передачи мощности HVDC и HVAC
  • Преимущества HVDC
  • Недостатки HVDC
  • Интересные проекты HVDC (ВИДЕО)

Накладная передача HVDC

На рисунке 1 показаны некоторые типичные схемы (ссылки) для передач HVDC. В монополярном расположении, показанном на рис. 1а, установлен только один изолированный проводник (полюс) изоляции и используется возврат заземления.

Это наименее дорогостоящее устройство, но имеет некоторые недостатки.

Например, это вызывает коррозию заглубленных труб, оболочек кабеля, заземляющих электродов и т. Д. Из-за явления электролиза, вызванного током заземления. Он используется в системах постоянного тока, которые имеют низкую номинальную мощность, в основном с кабельной передачей.

Чтобы устранить вышеупомянутое явление электролиза, можно использовать металлический возврат (проводник), как показано на рисунке 1b.

Рисунок 1 - Типичные схемы для передач HVDC: (a) монополярная компоновка с возвратом земли, (b) монополярная компоновка с металлическим возвратом, заземленным с одного конца, и (c) биполярным расположением

Устройство биполярной схемы имеет два изолированных проводника, используемых в качестве полюсов плюс и минус. Два полюса могут использоваться независимо, если оба нейтрала заземлены. При нормальной работе токи, возникающие в каждом полюсе, равны, и, следовательно, ток заземления отсутствует.

При аварийном режиме возврат земли может быть использован для обеспечения повышенной пропускной способности. Например, если один из двух полюсов неисправен, другой проводник с возвратом земли может переносить до полной мощности линии. В этом случае потери линии передачи удваиваются.

Как показано на рисунке 1c, номинальное напряжение биполярного устройства задается как ± V d (например, ± 500 кВ, которое считывается как плюс и минус 500 кВ).

На рисунке 2 показана система передачи постоянного тока, работающая в биполярном режиме.

Возможно, что два или более полюса имеют одинаковую полярность и всегда имеют заземление. Эта схема известна как гомополярная компоновка и используется для передачи мощности в системах постоянного тока, имеющих очень большие оценки.

Башня постоянного тока обычно содержит только два изолированных проводника, и в качестве дополнительного проводника можно использовать заземление.

Рисунок 2 - Система передачи постоянного тока, работающая в биполярном режиме

Вернуться к содержанию ↑

Сравнение мощности передачи мощности HVDC и HVAC

Предположим, что есть две сопоставимые линии передачи: одна - переменная, а другая - линия постоянного тока. Предположим, что обе линии имеют одинаковую длину и сделаны из тех же размеров проводников и что загрузка обеих линий термически ограничена, так что ток I d равен среднеквадратическому значению переменного тока I L.

Также предположим, что линия переменного тока имеет три фазы и три провода и имеет коэффициент мощности 0, 945, а линия постоянного тока - двухполярная схема с двумя проводниками.

Кроме того, предположим, что изоляторы переменного и постоянного тока выдерживают одно и то же напряжение гребня на землю, так что напряжение V d равно √2 раз выше среднеквадратичного переменного напряжения.

Поэтому можно показать, что мощность постоянного тока на проводник:

P (dc) = V d I d

P (ac) = V (LN) I L cos θ W / проводник

где:

  • V d - напряжение постоянного тока в вольтах
  • V (LN) - напряжение переменного тока в нейтральном напряжении в вольтах
  • I d - ток линии постоянного тока в амперах
  • I L - ток линии переменного тока в амперах

Следовательно, отношение мощности постоянного тока на проводник к мощности переменного тока на проводник (фаза) может быть выражено как:

P (dc) / P (ac) = V d I d / V (LN) I L cos θ

или

P (dc) / P (ac) = √2 / cos θ

но с тех пор

cos θ = 0, 945, то: P (dc) / P (ac) = 1, 5

или

P (dc) = 1, 5 P (ac) W / проводник

Кроме того, общие возможности передачи мощности для линий постоянного и переменного тока могут быть выражены как:

P (dc) = 2p (dc) W и P (ac) = 3p (ac) W

Поэтому их отношение может быть выражено как:

P (dc) / P (ac) = (2/3) × p (dc) / p (ac)

Подставляя в это уравнение уравнение P (dc) / P (ac) = 1.5, получаем:

P (dc) / P (ac) = (2/3) × 3/2 = 1

или

P (dc) = P (ac) W

Что это говорит нам?

Таким образом, обе линии имеют одинаковую пропускную способность и могут передавать такое же количество мощности. Однако линия постоянного тока имеет два проводника, а не три, и, следовательно, требуется всего две трети изоляторов.

Поэтому требуемые башни и права доступа в строке постоянного тока более узкие, чем линия переменного тока. Несмотря на то, что потери мощности на проводник одинаковы для обеих линий, общая потеря мощности линии постоянного тока составляет всего две трети от общей линии переменного тока.

Таким образом, исследования показывают, что линия постоянного тока обычно стоит примерно на 33% меньше, чем линия переменного тока той же мощности. Кроме того, если двухполюсная (гомополярная) линия постоянного тока сравнивается с двухконтурной трехфазной линией переменного тока, затраты на постоянную линию будут примерно на 45% меньше, чем линия переменного тока.

В общем случае, преимущество стоимости линии постоянного тока увеличивается при более высоких напряжениях. Потери мощности, обусловленные коронами, меньше для постоянного тока, чем для линий переменного тока.

Реактивные мощности, генерируемые и поглощаемые линией передачи ОВК, могут быть выражены как:

Q c = X c V 2 vars / единичная длина

или

Q c = ωCV 2 vars / единичная длина

а также

Q L = X L I 2 vars / единичная длина

или

Q L = ωLI 2 vars / единичная длина

где:

  • X c - емкостное сопротивление линии в омах на единицу длины
  • X L - индуктивное сопротивление линии в омах на единицу длины
  • C - шунтирующая емкость линии в фарадах на единицу длины
  • L - последовательная индуктивность линии в фарадах на единицу длины
  • V - линейное рабочее напряжение в вольтах
  • I - ток линии в амперах

Если реактивные мощности, генерируемые и поглощаемые линией, равны друг другу, Q c = Q L

или

ω c V 2 = ω L I 2

из которых волновое сопротивление линии можно найти как:

Z c = V / I = √ (L / C)

Поэтому мощность, передаваемая линией при волновом сопротивлении, может быть выражена как:

SIL = V 2 LL / Z c W

Обратите внимание, что это скачкообразное перенапряжение (или естественная нагрузка) зависит от напряжения и линейной индуктивности и емкости.

Однако это не функция длины строки. В общем, экономичная нагрузка данной воздушной линии передачи больше, чем ее SIL. В этом случае чистая реактивная мощность, поглощаемая линией, должна быть обеспечена от одного или обоих концов линии и от конденсаторов промежуточной серии.

Следовательно, затраты на последовательный конденсатор и компенсацию шунтирующего реактора следует учитывать при сравнении линий переменного и постоянного тока. Сама линия постоянного тока не требует никакой реактивной мощности. Однако преобразователи на обоих концах линии требуют реактивной мощности от систем переменного тока.

Подземные кабели, используемые для передачи переменного тока, также могут использоваться для постоянного тока, и они обычно могут нести больше мощности постоянного тока, чем ac, из-за отсутствия емкостного тока зарядки и лучшего использования изоляции и меньшего диэлектрического износа. Однако кабель передачи HVDC разработан несколько иначе, чем кабель передачи переменного тока.

Поскольку силовой кабель, используемый для передачи мощности постоянного тока, не имеет емкостных токов утечки, передача мощности ограничивается только потерями I 2 R.

Кроме того, подводные или подземные кабели переменного тока всегда работают при нагрузке, которая намного меньше нагрузки импеданса перенапряжения, чтобы предотвратить перегрев.

В результате этой практики реактивная мощность, создаваемая при зарядке шунтирующей емкости, больше, чем поглощаемая последовательной индуктивностью.

Таким образом, компенсирующие шунтирующие реакторы должны быть предусмотрены через равные промежутки времени (приблизительно 20 миль). Напротив, кабели постоянного тока не имеют таких ограничений. Таким образом, передача энергии с использованием кабеля постоянного тока намного дешевле, чем кабель переменного тока.

Вернуться к содержанию ↑

Преимущества HVDC

Основные преимущества передачи постоянного тока можно суммировать следующим образом:

  1. Если высокая стоимость преобразовательных станций исключена, воздушные линии и кабели постоянного тока менее дороги, чем воздушные линии и кабели переменного тока. Разрывное расстояние составляет около 500 миль для воздушных линий, где-то между 15 и 30 милями для подводных кабелей и 30 и 60 миль для подземных кабелей.

    Поэтому, если расстояние передачи меньше, чем расстояние безубыточности, передача переменного тока менее дорога, чем постоянная. В противном случае передача постоянного тока дешевле. Точное расстояние безубыточности зависит от местных условий, требований к производительности линии и подключения характеристик системы переменного тока.

  2. Ссылка постоянного тока является асинхронной. То есть, у него нет проблемы стабильности сама по себе.

    Следовательно, две системы переменного тока, подключенные на каждом конце линии постоянного тока, не должны работать синхронно друг с другом или даже обязательно с той же частотой.

  3. Условия потери короны и RI лучше в постоянном токе, чем линии переменного тока.

  4. Коэффициент мощности линии постоянного тока всегда равен единице, и поэтому никакая реактивная компенсация не является

    необходимо.

  5. Поскольку синхронная операция не требуется, длина линии не ограничивается стабильностью.
  6. Взаимосвязь двух отдельных систем переменного тока через линию постоянного тока не увеличивает мощность короткого замыкания и, следовательно, номинальные характеристики выключателя любой системы.
  7. Потери линейной линии меньше, чем для сопоставимой линии переменного тока.

Вернуться к содержанию ↑

Недостатки HVDC

Основные недостатки передачи постоянного тока можно суммировать следующим образом:

  1. Преобразователи генерируют гармонические напряжения и токи на сторонах переменного и постоянного тока, поэтому фильтры необходимы.
  2. Преобразователи потребляют реактивную мощность.
  3. Преобразователи постоянного тока стоят дорого.

  4. У выключателей постоянного тока есть недостатки в отношении автоматических выключателей переменного тока, поскольку

    dc не уменьшается до нуля дважды в цикле, в отличие от ac.

Потенциальными приложениями для передачи HVDC по всему миру и в Соединенных Штатах являются следующие:

  1. Междугородная передача
  2. Мощность, подаваемая в городские районы воздушными линиями или подземными кабелями
  3. Асинхронные связи
  4. Подземные кабельные соединения
  5. Соединительные накладки Восток-Запад и Север-Юг
  6. Сети постоянного тока с зажатой ложью
  7. Стабилизация систем переменного тока
  8. Уменьшение токов короткого замыкания в приемных системах переменного тока

В будущем применение передачи HVDC будет увеличиваться из-за следующих двух основных причин:

Причина № 1 - Наличие и постоянно растущие цены на важный импорт нефти делают уголь и гидроэнергетику более привлекательными.

Однако большая часть таких угольных и гидроэлектростанций расположена удаленно от грузовых центров. Их использование часто должно облегчаться использованием линий дальней связи.

Причина № 2 - Постоянно растущее давление на окружающую среду для размещения новых электростанций удаленно из густонаселенных городских районов.

Следовательно, получение участков для новых электростанций становится чрезвычайно сложным. Из-за этой трудности коммунальные компании будут вынуждены найти их на расстоянии нескольких сотен миль от своих центров загрузки.

Таким образом, потребность в экономичной передаче больших объемов электрической энергии на большие расстояния будет все больше диктовать использование линий передачи HVDC.

Вернуться к содержанию ↑

Интересные проекты HVDC (ВИДЕО)

Соединение между Бразилией и Аргентиной HVDC

Эта станция HVDC back-to-back, расположенная между Бразилией и Аргентиной, включала значительные инновации в технологии производства и строительства как для линий передачи, так и для преобразовательной станции. Запланированное время для доставки было всего 22 месяца.

Первый этап вступил в промышленную эксплуатацию в 1999 году и второй этап в 2002 году.

Gotland - первый в мире проект HVDC Light

Стремление к возобновляемым видам энергии привело к тому, что ветряные электростанции вышли на южный Готланд, шведский остров в Балтийском море. Передающая линия между южной частью Готланда и городом Висбю оценивается в 50 МВт и была введена в эксплуатацию в июне 1999 года.

Это первая в мире связь HVDC, использующая технологию VSC.

Северо-Восточная Агра - линия связи UHVDC

Узел 800 кВ Северо-Восточная Агра UHVDC (сверхвысоковольтный постоянный ток) будет иметь пропускную способность с пропускной способностью 8000 МВт, передавая чистую гидроэлектростанцию, эквивалентную генерации 8 крупных электростанций, из северо-восточного региона Индии в город Агра, на расстоянии 1 728 км.

Проект «Северо-Восточная Агра» - это пятая линия передачи данных HVDC от ABB в Индии.

Преобразователь трансформатор HVDC 800 кВ

Alstom создал историю, выпустив первый в Индии преобразователь преобразователя HVDC мощностью 800 кВ от своего мирового класса в Вадодаре в Гуджарате. Преобразователь является частью расширенной системы UHVDC с мощностью 3000 МВт.

Он удовлетворяет требованиям по передаче мощности от района Чхаттисгарх - центра Независимой Власти

Производители тепловой энергии - в центр нагрузки, расположенный в северном регионе страны, через линию электропередачи 1385 км, создавая «энергетическую магистраль» чистой и эффективной мощности.

Вернуться к содержанию ↑

Ссылка // Электрическая система управления электропитанием Туран Гёнен (Покупка твердой обложки из Амазонки)