Перспективы применения линий и вставок постоянного тока



В статье автор исследует перспективы применения линий и вставок постоянного тока.

Ключевые слова: постоянный ток, мощность, линия постоянного тока, напряжение.

В настоящее время выработка, передача и распределение электрической энергии происходят на переменном токе. Это связано с тем, что для этого используются сравнительно простые и дешевые устройства относительно устройств для постоянного тока, а также возможность коммутации переменного тока в момент его перехода через нулевое значение (дважды за период) и т. д.

Тем не менее в последнее время в мировой энергетике получили распространение передачи постоянного тока — ППТ и вставки постоянного тока — ВПТ (передачи постоянного тока, в которых преобразователи в постоянный ток и обратно в переменный расположены рядом без линейного участка).

Для воздушной линии переменного тока существует зависимость максимально передаваемой мощности от ее длины — чем длиннее линия, тем меньше предельная мощность, которую можно по ней передать. Это ограничение связано с тем, что индуктивность линии представляет собой сопротивление для переменного тока (возникает ЭДС самоиндукции, которая противодействует протеканию тока). Большим преимуществом передач постоянного тока является то что у них нет ограничений по длине линии. Кроме того, затраты на сооружение линейной части у ППТ ниже, чем для передач переменного тока [1, с. 16], что так же, с учетом затрат на сооружение преобразовательных подстанций, экономически эффективно начиная с 600 км. [3, с. 27].

Такие линии построены во многих странах для передачи больших мощностей из избыточных районов страны с небольшим населением в промышленные районы с большим потреблением. В Пакистане сооружено высоковольтное соединение постоянного тока (hight voltage direct current, HVDC) Матьяри — Лахор (Matiari — Lahore) напряжением и пропускной способностью 4 ГВт [6].

Кабельные линии переменного тока имеют еще более ограниченную длину из-за большой зарядной мощности, вследствие значительной емкости кабеля, а, следовательно, и дополнительных потерь на его нагрев. Поэтому, в случаях, когда использование кабелей переменного тока крайне затруднено или невозможно (например, для пересечения больших водных пространств, ввода мощностей в центры крупных городов-мегаполисов и т. д.) применяют кабельные линии постоянного тока, в которых зарядная мощность отсутствует.

В Германии строится подземная кабельная система HVDC SuedOstLink, SuedLink и A-Nord напряжением ±525 кВ, пропускной способностью 2 ГВт и протяженностью 270 км. Целью строительства соединений является передача электроэнергии, вырабатываемой ВЭС на севере Германии до точки подключения, расположенный на юге Германии промышленный район — на берегу реки Изар (Isar) неподалеку от Ландсхута (Landshut) [7].

Также идет строительство трансграничного высоковольтного соединения постоянного тока Celtic Interconnector между Ирландией и Францией в An Bord Pleanála напряжением ±320 кВ и пропускной способностью 700 МВт. Протяженность HVDC соединения, которое свяжет электрические сети северо-западного побережья Франции (Бретань) и южного побережья Ирландии, составит 575 км, из которых приблизительно 500 км пройдет под водой [8].

Объединение отдельных энергосистем на синхронную (параллельную) работу возможно только с одной номинальной частотой, и только при одинаковых стандартах ее поддержания и регулирования. При этом, объединение систем на параллельную работу приводит к увеличению токов короткого замыкания в связываемых системах. При объединении систем требуется обеспечивать устойчивость их совместной работы, которая может быть нарушена в аварийных ситуациях. Поэтому при объединении систем, применяют звено постоянного тока (ППТ или ВПТ), которое позволяет не только предотвратить каскадное развитие аварий в объединяемых энергосистемах и не увеличивать токи короткого замыкания, но и включать на параллельную (не синхронную) работу энергосистемы с разной частотой (обеспечивать передачу активной мощности).

В качестве примера можно привести соединение постоянного тока сверхвысокого напряжения (ultra-high-voltage direct current, UHVDC) в Индии. UHVDC соединение напряжением ±800 кВ, пропускной способностью 6 ГВт и протяженностью 1 800 км которое связывает энергосистемы Райгарха (Raigarh) в Центральной Индии и Пугалура (Pugalur) в Южной части страны. Это соединение обеспечивает возможность надежной передачи электроэнергии (мощности) в любом направлении (в зависимости от спроса) с исключительно низкими потерями и минимальным воздействием на окружающую среду. UHVDC соединение Райгарх — Пугалур повышает устойчивость национальной энергосистемы и надежность функционирования энергетической инфраструктуры [9].

Применение ППТ и ВПТ так же возможно для регулирования перетоков мощности по шунтирующим связям переменного тока. За счет быстродействующего регулирования преобразователей практически безынерционно изменять передаваемую мощность. Перераспределение потоков мощности достигается за счет их высокой и быстрой управляемости. В этом случае возможно обеспечить необходимое распределение потоков мощности между частями энергосистем для обеспечения экономичности их работы [3, с. 23], а также использовать их, например, для поддержания частоты или демпфирования колебаний тока и напряжения в энергосистеме [4, с. 45].

Такие связи имеются в больших количествах в Китае. На данный момент находятся в эксплуатации 26 ЛЭП UHVDC, расположенных во всех регионах Китая. В течение следующих 5 лет планируется ввести в эксплуатацию не менее 7 новых ЛЭП для обеспечения передачи электроэнергии, вырабатываемой СЭС, ВЭС и ГЭС, из западного региона Китая в другие регионы и провинции страны.

Такие HVDC были построены и в СССР. Это Москва — Кашира напряжением ±100 кВ (или 200 кВ как монополярная, с возвратом по земле) пропускной способностью 30 МВт и протяженностью 112 км и Волгоград — Донбасс напряжением ±400 кВ, пропускной способностью 750 МВт и протяженностью 475 км. Все эти соединения на данный момент разобраны.

Еще одна важная область применения ППТ и ВПТ появилась вследствие бурного развития возобновляемых источников энергии (СЭС, ВЭС, малые ГЭС, ПЭС) [2 с. 19], где для упрощения конструкции применяются генераторы с переменной частотой вращения, подключаемые через звено постоянного тока [5, с. 44].

Такое звено будет построено между энергосистемами Шотландии и Шетландских островов — Shetland Link. HVDC соединение Shetland Link напряжением ±320 кВ, пропускной способностью 600 МВт и общей протяженностью 260 км, из которых 250 км будет проложено по дну Северного моря. Она будет служит для передачи электроэнергии выработанной размещенными на Шетландских островах генерирующими объектами на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), потребителям в Шотландии [10].

Рис. 1. Наглядный пример использования систем HVDC для связи возобновляемых источников с энергосистемой страны

Таким образом, в связи с развитием возобновляемых источников ППТ и ВПТ имеют все предпосылки для широкого применения. Для России с ее большой территорией это особенно актуально, потому что ВПТ можно применять для связи объединенных энергосистем страны в ЕНЭС. Так же линии постоянного тока сверхвысокого напряжения имеют большое значение для нашей страны. Их можно использовать для регулирования перетоков между энергосистемами и для передачи электроэнергии из Сибири в Центральную часть страны.

Литература:

1. Поссе А. В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока / А. В. Поссе. — Ленинград: Изд-во «Энергия», 1973. — 302 c.
2. Виджей К. Суд. HVDC and FACTS Controllers. Применение статических преобразователей в энергетических системах / К. Виджей. — Москва: НП «НИИА», 2009. — 344 с.
3. Шлайфштейн В. А. Исследования системных аспектов применения передач и вставок постоянного тока / В. А. Шлайфштейн // Известия НТЦ ЕЭС. — 2015. — № 1 (72). — С. 33–43.
4. Суслова О. В. Технико-экономические характеристики преобразовательных подстанций для электропередач и вставок постоянного тока / О. В. Суслова, Р. Н. Шульга // Известия НТЦ Единой энергетической системы. — 2017. — № 1 (76). — С. 125–138.
5. Stan A. I. Control of VSC-based HVDC transmission system for offshore wind power plants / A. I. Stan, D. I. Stroe // Department of energy tehnologypontoppidanstrade 101 Aalborg university.
6. Информационно-аналитический ресурс World Energy http://www.world-energy.org.
7. Информационно-аналитический ресурс 4C Offshore http://www.4coffshore.com.
8. Информационно-аналитический ресурс Enegy News Line https://www.energynewsline.co.uk.
9. Официальный сайт Hitachi ABB Power Grids https://www.hitachiabb-powergrids.com/in/en.
10. Информационно-аналитический ресурс 4C Offshore http://www.4coffshore.com.