Συστήματα Υψηλής Τάσης Μόνου Φασματικού (HVDC)

Η Υψηλή Τάση Μόνου Φασματικού, συνήθως με την επίκουρη ονομασία HVDC, είναι μια εξαιρετικά αποδοτική μέθοδος για τη μεταφορά ρεύματος σε μεγάλες αποστάσεις, μειώνοντας σημαντικά τις απώλειες ρεύματος σε σύγκριση με την παραδοσιακή μεταφορά ρεύματος εναλλασσόμενης τάσης (AC). Το σύστημα HVDC μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορες διαμορφώσεις, καθένα προσαρμοσμένο σε συγκεκριμένες λειτουργικές απαιτήσεις. Αυτό το άρθρο παρέχει μια συνοπτική επισκόπηση των βασικών τύπων διαμορφώσεων συστημάτων HVDC.

Συστήματα HVDC Back - to - Back

Σε μια διάταξη back - to - back (B2B) HVDC, και ο ορθογωνικός και ο αντίστροφος, οι οποίοι είναι βασικά στοιχεία του μετατροπέα, φιλοξενούνται στο ίδιο τερματικό σταθμό. Αυτά τα δύο στοιχεία μετατροπέα είναι συνδεδεμένα άμεσα back - to - back. Η βασική λειτουργία αυτής της διάταξης είναι η σύνδεση δύο ξεχωριστών συστημάτων ρεύματος AC. Αυτό επιτυγχάνεται μετατρέποντας πρώτα το εισερχόμενο ρεύμα AC σε DC μέσω του ορθογωνικού και στη συνέχεια μετατρέποντας το ρεύμα DC ξανά σε AC μέσω του αντίστροφου.

Συστήματα HVDC Back - to - Back (Συνέχεια)

Η διάταξη back - to - back HVDC εγκαθίσταται σε μία μόνη αίθουσα και λειτουργεί για τη σύνδεση δύο ασύγχρονων συστημάτων ρεύματος AC. Δεδομένης της άμεσης σύνδεσης back - to - back του ορθογωνικού και του αντίστροφου, δεν χρειάζεται γραμμή μεταφοράς DC. Για να ελαχιστοποιηθεί ο αριθμός των θυρίστων που είναι συνδεδεμένοι σε σειρά, η μεσαία DC τάση διατηρείται εκ των προτέρων σε χαμηλό επίπεδο. Παράλληλα, η τιμή του ρεύματος αυτής της διάταξης μπορεί να φτάσει μερικά χιλιάδες αμπέρ.

Αυτός ο τύπος συστήματος HVDC είναι ειδικά χρήσιμος για τη σύνδεση δύο ασύγχρονων συστημάτων ρεύματος AC στις παρακάτω περιπτώσεις:

• Όταν τα δύο συστήματα AC ή δίκτυα ρεύματος λειτουργούν σε διαφορετικές συχνότητες.

• Όταν τα δύο συστήματα έχουν την ίδια συχνότητα αλλά εμφανίζουν διαφορά φάσης.

Δισταθμικό σύστημα HVDC

Σε μια διάταξη δισταθμικού συστήματος HVDC, υπάρχουν δύο διαφορετικοί τερματικοί σταθμοί, καθένας λειτουργώντας ως σταθμός μετατροπέα. Ο ένας σταθμός φιλοξενεί έναν ορθογωνικό, ενώ ο άλλος περιέχει έναν αντίστροφο. Αυτοί οι δύο τερματικοί συνδέονται μέσω μιας γραμμής μεταφοράς HVDC, επιτρέποντας την αποτελεσματική μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτή η διάταξη σχεδιάστηκε για να ξεπεράσει τις περιορισμούς της παραδοσιακής μεταφοράς AC για τη μεταφορά ρεύματος μεγάλων αποστάσεων, εκμεταλλευόμενη τα πλεονεκτήματα του ρεύματος DC για τη μείωση των απωλειών ρεύματος και την ενίσχυση της αποδοτικότητας μεταφοράς σε εκτεταμένες γεωγραφικές περιοχές.

Το δισταθμικό σύστημα HVDC διαθέτει άμεση σύνδεση μεταξύ δύο σημείων χωρίς παράλληλες γραμμές μεταφοράς ή μεσολαβικές συνδέσεις κατά μήκος της γραμμής μεταφοράς. Αυτή η χαρακτηριστική δίνει το εναλλακτικό όνομα point - to - point power transmission. Είναι ιδανικό για εφαρμογές παροχής ρεύματος μεταξύ δύο τοποθεσιών που είναι γεωγραφικά απομακρυσμένες μεταξύ τους.

Ένα από τα σημαντικά πλεονεκτήματα του δισταθμικού συστήματος HVDC είναι η απουσία απαιτήσεων για διακόπτη HVDC. Σε περίπτωση συντήρησης ή κατά την εξάλειψη σφαλμάτων, οι διακόπτες AC στην πλευρά AC μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αποενεργοποιήσουν τη γραμμή DC. Σε σύγκριση με τους διακόπτες DC, οι διακόπτες AC έχουν απλούστερη σχεδίαση και κοστολογούνται με λιγότερο, κάνοντας το δισταθμικό σύστημα HVDC πιο οικονομικό και εύκολο στη συντήρηση.

Πολυσταθμικό σύστημα DC (MTDC)

Το πολυσταθμικό σύστημα DC (MTDC) αντιπροσωπεύει μια πιο περίπλοκη διάταξη συστήματος HVDC. Χρησιμοποιεί πολλαπλές γραμμές μεταφοράς για τη σύνδεση περισσότερων από δύο σημείων. Αυτή η διάταξη αποτελείται από αρκετούς τερματικούς σταθμούς, καθένας εξοπλισμένος με το δικό του μετατροπέα, όλοι συνδεδεμένοι από ένα δίκτυο γραμμών μεταφοράς HVDC. Σε αυτό το δίκτυο, κάποιοι μετατροπείς λειτουργούν ως ορθογωνικοί, μετατρέποντας το ρεύμα AC σε DC, ενώ άλλοι λειτουργούν ως αντίστροφοι, μετατρέποντας το ρεύμα DC ξανά σε AC για κατανομή σε φορτία. Ένα βασικό αρχή του συστήματος MTDC είναι ότι η συνολική ισχύς που παρέχεται από τους σταθμούς ορθογωνικών πρέπει να ισούται με την συνδυασμένη ισχύ που λαμβάνουν οι σταθμοί αντίστροφων (φορτίων), εξασφαλίζοντας ένα ισορροπημένο και αποδοτικό ροή ρεύματος στο συνδεδεμένο δίκτυο.

Πολυσταθμικό σύστημα DC (MTDC) (Συνέχεια)

Το δίκτυο MTDC είναι αντιστοιχο σε ένα δίκτυο AC ως προς την ευελιξία, αλλά παρέχει ένα μοναδικό πλεονέκτημα: την ακριβή ελεγχό της ροής ρεύματος μέσα στο δίκτυο κατανομής DC. Ωστόσο, αυτή η ενισχυμένη λειτουργικότητα έρχεται με το κόστος αυξημένης περιπλοκότητας, κάνοντας το σύστημα MTDC σημαντικά πιο περίπλοκο από μια διάταξη δισταθμικού συστήματος HVDC.

Σε μια διάταξη MTDC, η εξάρτηση από διακόπτες AC στην πλευρά AC δεν είναι εφικτή. Σε αντίθεση με το δισταθμικό σύστημα, η χρήση ενός διακόπτη AC θα αποενεργοποιούσε το ολόκληρο δίκτυο DC αντί να απομονώνει μόνο την γραμμή με σφάλμα ή απαιτούμενη συντήρηση. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, το σύστημα MTDC απαιτεί πολλαπλά στοιχεία διακόπτη DC, όπως διακόπτες. Αυτοί οι ειδικοί διακόπτες DC σχεδιάζονται για να αποενεργοποιούν ασφαλώς κυκλώματα ή να απομονώνουν συγκεκριμένες τμήματα κατά τη διάρκεια εργασιών συντήρησης ή κατά την εξάλειψη σφαλμάτων, εξασφαλίζοντας τη σταθερότητα και την αξιοπιστία του δικτύου.

Η διατήρηση της ισορροπίας του συστήματος είναι κρίσιμη σε ένα σύστημα MTDC. Η συνολική ροή ρεύματος που παρέχεται από τους σταθμούς ορθογωνικών πρέπει να ακριβώς αντιστοιχεί στην ροή ρεύματος που καταναλώνουν οι σταθμοί αντίστροφων. Όταν υπάρχει ξαφνική αύξηση της ζήτησης ρεύματος από οποιοδήποτε σταθμό αντίστροφων, η εξόδος DC ρεύματος πρέπει να αυξηθεί ανάλογα για να ανταποκριθεί στην αυξημένη φορτία. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, είναι απαραίτητο να παρακολουθείται και να ελέγχεται κατάλληλα και η παρεχόμενη τάση και η λειτουργία των αντιστρόφων, για να προληφθεί η υπερφόρτωση, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε πτώση του συστήματος.

Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των συστημάτων MTDC είναι η αξιοπιστία τους κατά τη διάρκεια αναγκαστικών πτώσεων. Σε περίπτωση αναμφίβολης πτώσης ρεύματος σε έναν από τους σταθμούς παραγωγής, το σύστημα μπορεί να επαναδιευθύνει το ρεύμα μέσω εναλλακτικών σταθμών μετατροπέα, ελαχιστοποιώντας τη διαταραχή στη συνολική παροχή ρεύματος.

Εφαρμογές του MTDC

• Ενσωμάτωση Ανανεώσιμης Ενέργειας: Επιτρέπει τη σύνδεση πολλαπλών φάρμακων ανανεώσιμης ενέργειας με βάση DC σε διάφορα δίκτυα ρεύματος, επιτρέποντας την αποτελεσματική κατανομή καθαρής ενέργειας.

• Ανεμογεννήτρια Ενέργεια Παράκτια: Επιτρέπει τη σύνδεση πολλαπλών παράκτιων πάρκων ανεμογεννήτριας ενέργειας στο ξηρά δίκτυο ρεύματος, παρακάμπτοντας τις προκλήσεις που συνδέονται με τη μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ρεύματος σε μεγάλες αποστάσεις από απομακρυσμένες παράκτιες τοποθεσίες.

• Μεταφορά Μεγάλης Ισχύος: Επιτρέπει τη μεταφορά μεγάλης κλίμακας ρεύματος από πολλαπλούς απομακρυσμένους σταθμούς παραγωγής AC σε πολλά κέντρα φορτίων, βελτιώνοντας την κατανομή ρεύματος σε εκτεταμένες περιοχές.

• Σύνδεση Δικτύων: Επιτρέπει τη σύνδεση μεταξύ δύο ασύγχρονων συστημάτων ρεύματος AC, ενισχύοντας τη σταθερότητα του δικτύου και τις δυνατότητες ανταλλαγής ρεύματος.

• Ανακατανομή Παροχής Ρεύματος: Επιτρέπει την ανακατανομή της παροχής ρεύματος σε περίπτωση πτώσης ρεύματος σε ιδιαίτερους σταθμούς παραγωγής, εξασφαλίζοντας συνεχή παροχή ρεύματος στους καταναλωτές.

• Υποστήριξη Δικτύου AC: Μπορεί να παρέχει επιπλέον ρεύμα σε επιβαρυμένα δίκτυα AC, χρησιμοποιώντας έναν μοναδικό ορθογωνικό και πολλαπλούς αντίστροφους για την εισαγωγή ρεύματος στο δίκτυο AC, αλλαζόντας την συμπύκνωση και βελτιώνοντας την συνολική απόδοση του δικτύου.

• Ευελιξία Κατανομής Ρεύματος: Προσφέρει την ευελιξία να παρέχεται ρεύμα σε πολλά σημεία μέσα στο δίκτυο, προσαρμοζόμενο σε διάφορες απαιτήσεις και ανάγκες κατανομής ρεύματος.

Τα συστήματα MTDC μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο βασικούς τύπους:

Σειριακό σύστημα MTDC

Σε μια σειριακή διάταξη MTDC, πολλαπλοί σταθμοί μετατροπέα είναι συνδεδεμένοι σε σειρά, όπως συστατικά σε ένα σειριακό ηλεκτρικό κύκλωμα. Μια χαρακτηριστική ιδιότητα αυτής της διάταξης είναι ότι η ροή ρεύμ