пятница, 27 февраля 2015 г.

Есть ли будущее у передающих линий электропередачи постоянного тока (HVDC) в Беларуси?

Несмотря на то, что способ передачи электроэнергии на переменном напряжении является доминирующим путем передачи электроэнергии, в ряде случаев, преимущества способа с использованием высоковольтного постоянного тока делают его более предпочтительным вариантом по сравнению с переменным током.
Одним из основных преимуществ высоковольтных линий электропередач (ЛЭП) постоянного тока (HVDC) является способность передавать большие объемы электроэнергии на значительные расстояния с меньшими потерями, чем у ЛЭП переменного тока. Так в определенных ситуациях потери электроэнергии могут быть снижены на 3% на 1000км.
 
Примеры случаев, когда передача по ЛЭП постоянного тока эффективней, чем по ЛЭП переменного тока:
1. подводные кабели ЛЭП, где высокая емкость кабелей на переменном токе вызывает дополнительные потери напряжения (например, 250 км кабельная ЛЭП «Baltic Cable» между Швецией и Германией).
2. передача больших объемов электроэнергии к отдаленным, труднодоступным местам без дополнительных промежуточных подстанций;
3. увеличение пропускной способности существующей энергосистемы в ситуациях, когда дополнительные ЛЭП установить слишком сложно и затратно;
4. возможность передачи электроэнергии между несинхронно работающими энергосистемами переменного тока, в том числе использующими различные стандарты напряжения и частоты переменного тока;
5. уменьшение сечения передающих проводов ЛЭП постоянного тока, уменьшение количества металла при производстве опор (поддерживающие конструкции для трех фаз для переменного тока и только для двух полюсов для биполярной ЛЭП постоянного тока), а также необходимо принимать во внимание, что ЛЭП постоянного тока может нести большую мощность по сравнению с ЛЭП переменного тока, при одинаковом сечении токоведущих проводников. Также ЛЭП постоянного тока не подвержены поверхностному эффекту (скин-эффект).
6. подключение к энергосистеме объектов генерации значительно удаленных от распределительной сети.
7. стабилизация энергосистем с преимущественными энергоприемниками и линиями на переменном токе без увеличения величин максимальных токов короткого замыкания.
8. снижение потерь на корону (из-за перенапряжений) по сравнению с линиями на переменном напряжении, передающих аналогичную мощность.
Ток, необходимый для зарядки и разрядки емкости кабелей создает дополнительные потери мощности на кабелях на переменном токе, в то время как это не оказывает такого влияния на кабели на постоянном токе. Кроме того, электрическая мощность переменного тока подвержена диэлектрическим потерям.
В общих случаях, ЛЭП постоянного тока могут нести больше электроэнергии, чем ЛЭП переменного тока, так как при одинаковой мощности, напряжение на линии постоянного тока ниже, чем амплитудное напряжение на линии переменного тока. Мощность переменного тока будет определяться по действующему значению напряжения, которое составляет только 70,7% от максимального амплитудного значения, по которому выбирается фактическая толщина изоляции проводников и расстояние между ними. У ЛЭП постоянного тока действующее значение равно амплитудному, что позволяет передавать на 41% больше мощности, чем по ЛЭП переменного тока, выполненных из проводников одинакового сечения и с одинаковой «толщиной» изоляции, что снижает затраты.
ЛЭП постоянного тока не будут формировать электромагнитного поля с крайне низкими частотами (КНЧ, ELF,  f=(3–30) Гц), так как это бывает в случае с ЛЭП переменного тока. Ранее считалось, что данные электромагнитные поля вызывают определённые вредные воздействия, в том числе были подозрения повышения заболеваемости лейкозом, но современное научное общество не считает КНЧ причиной этих заболеваний и вообще такие поля вредными для организма человека или животных.
Использование электрооборудования на постоянном напряжении не будет полностью связано с отсутствием электрических полей, так как все равно будет иметь место определенное смещение потенциала электрического поля между проводниками постоянного тока и «землей». Такие поля также считаются безвредными для здоровья.
Так как ЛЭП постоянного тока позволяют передавать электроэнергию между энергосистемами переменного тока, работающими несинхронно относительно друг друга, то это может помочь увеличить стабильность работы таких систем. Это выполняется за счет предотвращения каскадных отключений при распространении последствий аварий с одной части энергосистемы на другую, в то же время, позволяя импортировать или экспортировать электроэнергию при небольших авариях.
На ЛЭП постоянного тока предлагается более широкое использование технологий, не требующих системного подхода к внедрению с обеих сторон (энергосистем). Величины мощности электроэнергии, протекающих по ЛЭП  постоянного тока, регулируются с помощью системы управления преобразовательных подстанций с обоих концов ЛЭП. Величина передаваемой мощности не зависит от режима работы связанных энергосистем.
Но, в отличии от ЛЭП переменного тока, межсистемные ЛЭП постоянного тока могут быть сколь угодно малой мощности передачи, и, таким образом, устраняются проблемы «узких сечений», и передающая системообразующая сеть может быть оптимизирована на основе оптимальных перетоков электроэнергии.
Кроме того, устраняются трудности при синхронизации систем управления и контроля различных энергетических систем. Сверхбыстродействующие системы аварийного управления на ЛЭП постоянного тока могут еще больше повысить стабильность и надежность работы энергосистемы в целом. Регулирование потока мощности может использоваться для демпфирования колебаний в энергосистемах или на параллельных ЛЭП переменного тока.
Преимущества, описанные выше, побуждают использование вставок постоянного тока для разделения больших энергосистем на несколько асинхронно работающих частей.
Например, быстрорастущая Индийская энергосистема строится в виде нескольких региональных энергосистем, соединенных между собой с помощью ЛЭП постоянного тока и обратными преобразователями (back-to-back) с централизованным управлением этих элементов электрооборудования.
Кроме того, в Китае, например, решено использовать линии электропередачи на постоянном напряжении ± 800 кВ в качестве основы для передачи большой мощности на очень большие расстояния порядка нескольких сотен километров от крупных гидроэлектростанций и тепловых электростанций.
Однако есть и определенные недостатки ЛЭП постоянного тока. Одним из основных недостатков является необходимость преобразования тока из переменного в постоянный и обратно. Устройства, используемые для этих целей, требуют дорогостоящих запасных частей и фактически являются уникальными для каждой линии.
Преобразователи тока дороги и имеют ограниченную перегрузочную способность. При малых расстояниях потери в преобразователях могут быть больше, чем в аналогичной по мощности ЛЭП переменного тока.
Необходимо отметить, что реализация мультитерминальной (несколько линий) системы ЛЭП постоянного тока крайне сложна. Управление перетоками в такой системе требует наличия постоянной связи со всеми потребителями электроэнергии, что также накладывает определенные ограничение на распространение ЛЭП постоянного тока.
Выключатели цепей постоянного тока высокого напряжения имеют более сложный принцип работы, чем аналогичные на напряжение переменного тока, так как перед размыканием контактов коммутационных аппаратов нужно уменьшить ток в цепи до нуля, иначе образуется электрическая дуга, приводящая к чрезмерному износу контактов.
Но в целом, необходимо отметить, что ЛЭП постоянного тока  используются для связи двух энергосистем, работающих несинхронно друг относительно друга. Устройства, выполняющие преобразование между переменным и постоянным токами, значительно увеличивают стоимость передаваемой электроэнергии. Выше определенного расстояния (приблизительно 50 км для подводных кабелей, и примерно 600-800 км для воздушных ЛЭП), меньшая стоимость токоведущих проводников ЛЭП постоянного тока будет перевешивать стоимость специальной преобразовательной электроники.
Исходя из вышеизложенного и учитывая, что протяженность Беларуси с севера на юг – 560 км, а с востока на запад – 650 км, а также, что в Беларуси нет необходимости связывания энергоузлов, которых разделяет водная преграда более 50 км, можно сделать вывод, что ЛЭП постоянного тока в настоящее время не актуальны для Беларуси.
Но в то же время необходимо принимать во внимание сообщения Литовских энергетиков (litgrid.eu) о том, что планируется синхронная работа энергосистем стран Балтии с энергосистемой Континентальной Европы. В настоящий момент ведутся работы в данном направлении, в том числе проведены необходимые исследования и строятся дополнительные ЛЭП постоянного тока между Литвой и Швецией (ввод в работу в 2015г.), а также между Литвой и Польшей (ввод в работу в 2015г.). Таким образом, при реализации указанных планов, невозможно будет обеспечить синхронную работу энергосистем стран Балтии с энергосистемами стран СНГ, поэтому ЛЭП постоянного тока не должны быть terra incognita («неизведанной землей») для белорусских энергетиков.