ประเภทของระบบ HVDC และการกำหนดค่า MTDC
ระบบการกำหนดค่าของระบบไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง (HVDC)
ระบบไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงหรือที่เรียกว่า HVDC เป็นวิธีการส่งผ่านพลังงานทางไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับระยะทางไกล ซึ่งลดการสูญเสียพลังงานได้มากกว่าวิธีการส่งผ่านแบบกระแสสลับ (AC) แบบดั้งเดิม ระบบ HVDC สามารถนำไปใช้งานในรูปแบบต่างๆ ตามความต้องการในการดำเนินงานเฉพาะเจาะจง บทความนี้นำเสนอภาพรวมอย่างย่อของประเภทหลักของระบบการกำหนดค่าของระบบ HVDC
ระบบ HVDC แบบเชื่อมต่อตรงกัน (Back-to-Back HVDC Systems)
ในระบบ HVDC แบบเชื่อมต่อตรงกัน (B2B) ทั้งเรกทิไฟเออร์และอินเวอร์เตอร์ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของคอนเวอร์เตอร์ถูกติดตั้งอยู่ภายในสถานีปลายทางเดียวกัน ส่วนประกอบสองส่วนนี้เชื่อมต่อกันโดยตรงแบบเชื่อมต่อตรงกัน หน้าที่หลักของระบบนี้คือการเชื่อมต่อระบบไฟฟ้ากระแสสลับสองระบบเข้าด้วยกัน โดยทำให้ไฟฟ้ากระแสสลับที่เข้ามาถูกแปลงเป็นกระแสตรงผ่านเรกทิไฟเออร์ จากนั้นแปลงกระแสตรงกลับเป็นกระแสสลับผ่านอินเวอร์เตอร์
ระบบ HVDC แบบเชื่อมต่อตรงกัน (ต่อ)
ระบบ HVDC แบบเชื่อมต่อตรงกันถูกติดตั้งภายในห้องเดียวและใช้เพื่อเชื่อมต่อระบบไฟฟ้ากระแสสลับสองระบบที่ไม่ซิงโครนัส เนื่องจากเรกทิไฟเออร์และอินเวอร์เตอร์เชื่อมต่อกันโดยตรงแบบเชื่อมต่อตรงกัน จึงไม่มีความจำเป็นต้องใช้สายส่งกระแสตรง ระดับแรงดันกระแสตรงระหว่างทางถูกควบคุมให้อยู่ในระดับต่ำเพื่อลดจำนวนไธริสเตอร์ที่ต้องเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรม ในขณะเดียวกัน ขนาดกระแสของระบบนี้สามารถสูงถึงหลายพันแอมแปร์
ระบบ HVDC แบบนี้มีประโยชน์อย่างมากในการเชื่อมต่อระบบไฟฟ้ากระแสสลับสองระบบที่ไม่ซิงโครนัสในกรณีต่อไปนี้:
ระบบ HVDC แบบสองปลายทาง (Two-Terminal HVDC System)
ในระบบ HVDC แบบสองปลายทาง มีสถานีปลายทางสองแห่งที่แต่ละแห่งทำหน้าที่เป็นสถานีคอนเวอร์เตอร์ สถานีหนึ่งมีเรกทิไฟเออร์ อีกสถานีมีอินเวอร์เตอร์ สถานีสองแห่งนี้เชื่อมต่อกันด้วยสายส่ง HVDC ซึ่งช่วยในการส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าทางไกลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ระบบนี้ออกแบบมาเพื่อแก้ไขข้อจำกัดของการส่งผ่านแบบกระแสสลับสำหรับระยะทางไกล โดยใช้ประโยชน์จากกระแสตรงเพื่อลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพการส่งผ่านพลังงานในพื้นที่ที่กว้างใหญ่
ระบบ HVDC แบบสองปลายทางมีการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างสองจุดโดยไม่มีสายส่งขนานหรือจุดต่อระหว่างทาง ลักษณะนี้ทำให้มีชื่อเรียกอีกอย่างว่า การส่งผ่านพลังงานแบบจุดต่อจุด ระบบนี้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการจ่ายพลังงานระหว่างสองที่ที่อยู่ห่างไกลกัน
หนึ่งในข้อได้เปรียบสำคัญของระบบ HVDC แบบสองปลายทางคือไม่จำเป็นต้องใช้เบรกเกอร์วงจร HVDC ในกรณีที่ต้องบำรุงรักษาหรือกำจัดข้อผิดพลาด เบรกเกอร์วงจร AC ที่อยู่ทางด้าน AC สามารถนำมาใช้เพื่อปลดกระแสไฟฟ้าออกจากสาย DC ได้ เบรกเกอร์วงจร AC มีการออกแบบที่ง่ายและมีราคาถูกกว่าเบรกเกอร์วงจร DC ทำให้ระบบ HVDC แบบสองปลายทางมีค่าใช้จ่ายน้อยและบำรุงรักษาได้ง่าย
ระบบ DC หลายปลายทาง (MTDC System)
ระบบ DC หลายปลายทาง (MTDC) แทนที่ระบบ HVDC ที่ซับซ้อนมากขึ้น ใช้สายส่งหลายเส้นเพื่อสร้างการเชื่อมต่อระหว่างจุดที่มากกว่าสองจุด ระบบนี้ประกอบด้วยสถานีปลายทางหลายแห่ง แต่ละแห่งมีคอนเวอร์เตอร์ของตนเอง และเชื่อมต่อกันด้วยเครือข่ายสายส่ง HVDC ภายในเครือข่ายนี้ บางคอนเวอร์เตอร์ทำหน้าที่เป็นเรกทิไฟเออร์แปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรง ในขณะที่บางคอนเวอร์เตอร์ทำหน้าที่เป็นอินเวอร์เตอร์แปลงกระแสตรงกลับเป็นกระแสสลับเพื่อกระจายไปยังโหลด หลักการพื้นฐานของระบบ MTDC คือพลังงานที่จ่ายโดยสถานีเรกทิไฟเออร์ทั้งหมดต้องเท่ากับพลังงานที่รับโดยสถานีอินเวอร์เตอร์ (โหลด) ทั้งหมด เพื่อให้การไหลของพลังงานในเครือข่ายที่เชื่อมต่อกันมีความสมดุลและมีประสิทธิภาพ
ระบบ DC หลายปลายทาง (MTDC) (ต่อ)
เครือข่าย MTDC มีความคล้ายคลึงกับระบบ AC ในด้านความยืดหยุ่น แต่มีข้อได้เปรียบพิเศษคือความสามารถในการควบคุมการไหลของพลังงานภายในเครือข่าย DC ได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม ฟังก์ชันเสริมนี้มาพร้อมกับความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้น ทำให้ระบบ MTDC มีความซับซ้อนมากกว่าระบบ HVDC แบบสองปลายทาง
ในระบบ MTDC การพึ่งพาเบรกเกอร์วงจร AC ทางด้าน AC ไม่สามารถทำได้ เช่นเดียวกับระบบสองปลายทาง การใช้เบรกเกอร์วงจร AC จะทำให้เครือข่าย DC ทั้งหมดถูกปลดกระแสไฟฟ้าแทนที่จะแยกเฉพาะเส้นที่มีปัญหาหรือต้องการบำรุงรักษา ดังนั้น ระบบ MTDC จำเป็นต้องมีอุปกรณ์สวิตช์ DC หลายตัว เช่น เบรกเกอร์วงจร DC ที่ออกแบบมาเพื่อปลดกระแสไฟฟ้าหรือแยกส่วนเฉพาะในระหว่างการบำรุงรักษาหรือกำจัดข้อผิดพลาด เพื่อรักษาความมั่นคงและความน่าเชื่อถือของเครือข่าย
การรักษาความสมดุลของระบบเป็นสิ่งสำคัญในระบบ MTDC กระแสไฟฟ้าที่จ่ายโดยสถานีเรกทิไฟเออร์ทั้งหมดต้องเท่ากับกระแสไฟฟ้าที่ใช้โดยสถานีอินเวอร์เตอร์ หากมีการเพิ่มความต้องการพลังงานอย่างฉับพลันจากสถานีอินเวอร์เตอร์ใด ๆ กำลังไฟฟ้า DC ต้องเพิ่มขึ้นตามลำดับเพื่อตอบสนองโหลดที่เพิ่มขึ้น ในระหว่างกระบวนการนี้ ต้องทำการตรวจสอบและควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายและการทำงานของอินเวอร์เตอร์อย่างใกล้ชิด เพื่อป้องกันการโหลดเกินที่อาจทำให้ระบบล้มเหลว
หนึ่งในข้อได้เปรียบสำคัญของระบบ MTDC คือความน่าเชื่อถือในกรณีที่เกิดการปิดเครื่องบังคับ ในกรณีที่เกิดการขาดแคลนพลังงานอย่างไม่คาดคิดที่สถานีกำเนิดไฟฟ้าแห่งหนึ่ง ระบบสามารถเปลี่ยนเส้นทางพลังงานผ่านสถานีคอนเวอร์เตอร์อื่น ๆ ได้อย่างรวดเร็ว ลดผลกระทบที่เกิดขึ้นต่อการจ่ายพลังงานโดยรวม
การประยุกต์ใช้ระบบ MTDC
ระบบ MTDC สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก:
ระบบ MTDC แบบอนุกรม (Series MTDC System)
ในระบบ MTDC แบบอนุกรม สถานีคอนเวอร์เตอร์หลายแห่งเชื่อมต่อกันแบบอนุกรมเหมือนกับส่วนประกอบในวงจรอนุกรม ลักษณะสำคัญของระบบนี้คือกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านแต่ละสถานีคอนเวอร์เตอร์จะเท่ากัน เนื่องจากถูกกำหนดโดยสถานีหนึ่ง แต่แรงดันไฟฟ้าที่ลดลงจะกระจายไปยังสถานีคอนเวอร์เตอร์ต่าง ๆ แต่ละสถานีจะมีแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงเป็นส่วนหนึ่งของแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดในเครือข่ายที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม
ระบบ MTDC แบบอนุกรม (ต่อ)
ระบบ MTDC แบบอนุกรมสามารถมองว่าเป็นรูปแบบขยายของระบบ HVDC แบบสองปลายทาง ที่มีสถานีคอนเวอร์เตอร์หลายแห่งเชื่อมต่อกันแบบอนุกรม ดังแสดงในแผนภาพที่แนบมา ทั่วไปแล้ว สถานีคอนเวอร์เตอร์ในระบบ MTDC แบบอนุกรมมีความจุต่ำกว่าสถานีที่ใช้ในระบบ MTDC แบบขนาน
ระบบนี้มักใช้ลิงค์ DC แบบโมโนโพลา ที่สาย DC ถูกต่อกราวน์ที่จุดเดียวเท่านั้น เพื่อป้องกันการเกิดไฟฟ้าช็อตชั่วคราว สามารถติดตั้งคาปาซิเตอร์กราวน์ที่จุดอื่น ๆ ตามสายเพื่อเป็นมาตรการป้องกันเพิ่มเติม
การประสานงานฉนวนในระบบ MTDC แบบอนุกรมมีความท้าทายเนื่องจากแรงดัน DC ที่แตกต่างกันในแต่ละสถานี กลไกควบคุมการไหลของพลังงานในระบบ MTDC แบบอนุกรมมีความซับซ้อนมากกว่าระบบ MTDC แบบขนาน ในระบบ MTDC แบบขนาน การไหลของพลังงานสามารถควบคุมได้โดยการส่งกระแสไฟฟ้าเข้าสู่สายไฟฟ้าเฉพาะ แต่ในระบบ MTDC แบบอนุกรม การควบคุมการไหลของพลังงานอาศัยการปรับแรงดันที่แต่ละสถานีปลายทาง
การกลับทิศทางการไหลของพลังงานในระบบ MTDC แบบอนุกรมสามารถทำได้ง่ายโดยใช้คอนเวอร์เตอร์แหล่งกำเนิดแรงดัน (VSC) และคอนเวอร์เตอร์แหล่งกำเนิดกระแส (CSC) อย่างไรก็ตาม เมื่อเกิดข้อผิดพลาดหรือต้องบำรุงรักษาสายไฟฟ้าเฉพาะเส้น ระบบ DC ทั้งหมดจะถูกปลดกระแสไฟฟ้า คล้ายกับระบบ HVDC แบบสองปลายทาง เบรกเกอร์วงจร AC ทางด้าน AC ถูกนำมาใช้เพื่อปลดกระแสไฟฟ้าออกจากเครือข่าย DC การขยายระบบ MTDC แบบอนุกรมก็มีความยาก ในการติดตั้งสถานีปลายทางใหม่จำเป็นต้องปลดกระแสไฟฟ้าทั้งหมด เนื่องจากเครือข่าย DC ที่มีรูปทรงวงแหวนต้องถูกตัดที่จุดติดตั้ง ทำให้การจ่ายไฟฟ้าไปยังสถานีอื่น ๆ ที่อยู่ตามทางถูกหยุดชะงัก
ระบบ MTDC แบบขนาน (Parallel MTDC System)
ในระบบ MTDC แบบขนาน สถานีคอนเวอร์เตอร์หลายแห่งที่ทำหน้าที่เป็นอินเวอร์เตอร์หรือสถานีโหลดเชื่อมต่อไปยังสถานีคอนเวอร์เตอร์เดียวที่ทำหน้าที่เป็นเรกทิไฟเออร์ สถานีเรกทิไฟเออร์นี้จ่ายพลังงานให้กับเครือข่าย DC ทั้งหมด คล้ายกับวงจรขนาน แรงดันไฟฟ้าจะคงที่ที่สถานีอินเวอร์เตอร์หรือสถานีโหลดทั้งหมด ค่าแรงดันไฟฟ้านี้ถูกกำหนดโดยสถานีคอนเวอร์เตอร์หนึ่งแห่ง ในขณะที่การจ่ายกระแสไฟฟ้าจะแตกต่างกันตามความต้องการพลังงานที่แต่ละสถานี ในการรักษาการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้สมดุล กระแสไฟฟ้าจะถูกปรับตามความต้องการพลังงานของสถานีโหลดแต่ละแห่ง ทั่วไปแล้ว สถานีปลายทางในระบบ MTDC แบบขนานมีความจุสูงกว่าสถานีในระบบ MTDC แบบอนุกรม
ระบบ MTDC แบบขนาน (ต่อ)
การกลับทิศทางการไหลของพลังงานในระบบ MTDC แบบขนานสามารถทำได้โดยใช้วิธีการกลับทิศทางแรงดันหรือวิธีการกลับทิศทางกระแสไฟฟ้า ในการใช้วิธีการกลับทิศทางแรงดัน ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับสถานีปลายทางที่ใช้คอนเวอร์เตอร์แหล่งกำเนิดกระแส (CSC) จะมีผลกระทบต่อสถานีคอนเวอร์เตอร์ทั้งหมด ดังนั้น จำเป็นต้องมีระบบควบคุมและสื่อสารที่ซับซ้อนระหว่างคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้เพื่อจัดการกับผลกระทบดังกล่าว ในทางตรงกันข้าม หากการกลับทิศทางการไหลของพลังงานทำได้โดยใช้วิธีการกลับทิศทางกระแสไฟฟ้า ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับสถานีปลายทางที่ใช้คอนเวอร์เตอร์แหล่งกำเนิดแรงดัน (VSC) กระบวนการนี้จะทำได้ง่ายกว่ามาก นี่คือเหตุผลหลักว่าทำไม VSC ถึงได้รับความนิยมมากกว่า CSC ในระบบ MTDC แบบขนาน
ในระบบ MTDC แบบ VSC ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่คงที่ ความจุของสถานีปลายทางถูกกำหนดโดยกระแสไฟฟ้าของวาล์วคอนเวอร์เตอร์ รูปแบบนี้มีข้อได้เปรียบอย่างมากในการควบคุมการไหลของพลังงานภายในเครือข่าย DC สามารถควบคุมการไหลของพลังงานได้อย่างแม่นยำโดยการส่งกระแสไฟฟ้าเข้าสู่สายไฟฟ้าเฉพาะ ซึ่งเป็นวิธีที่สะดวกกว่าการควบคุมการไหลของพลังงานในระบบอนุกรมที่อาศัยการควบคุมแรงดันที่แต่ละสถานี
หนึ่งในคุณสมบัติที่โดดเด่นของระบบ MTDC แบบขนานคือความทนทานต่อข้อผิดพลาด หากเกิดข้อผิดพลาดที่สถานีปลายทางใด ๆ เครือข่าย DC ที่เหลือจะไม่ได้รับผลกระทบ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีเบรกเกอร์วงจร DC แยกต่างหากเพื่อแยกสาย DC ที่เกี่ยวข้องกับสถานีที่มีข้อผิดพลาด นอกจากนี้ ในการขยายเครือข่าย DC ไม่จำเป็นต้องหยุดการจ่ายไฟฟ้า เนื่องจากสถานีปลายทางใหม่สามารถติดตั้งขนานกับสายไฟฟ้าที่มีอยู่ ทำให้การรวมตัวเข้ากับเครือข่ายมีความราบรื่นโดยไม่กระทบต่อการจ่ายไฟฟ้าที่กำลังดำเนินอยู่
อีกข้อได้เปรียบของระบบ MTDC แบบขนานคือการประสานงานฉนวนที่ค่อนข้างง่ายเมื่อเทียบกับระบบอนุกรม เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าคงที่ตลอดเครือข่าย ทำให้ความต้องการฉนวนมีการจัดการที่ง่ายกว่า
ระบบ MTDC แบบขนานสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท:
ระบบ MTDC แบบเรเดียล (Radial MTDC System)
ระบบ MTDC แบบเรเดียลเป็นรูปแบบเฉพาะของระบบ MTDC แบบขนาน ในระบบนี้ หากมีการขาดสายส่งหรือการนำออกของลิงค์หนึ่งลิงค์ จะทำให้การจ่ายไฟฟ้าถูกหยุดชะงักที่สถานีคอนเวอร์เตอร์หนึ่งหรือหลายแห่ง ลักษณะนี้ทำให้ระบบ MTDC แบบเรเดียลมีความอ่อนไหวต่อกรณีที่เกิดข้อผิดพลาดที่จุดเดียว เนื่องจากความผิดปกติในสายส่งสามารถมีผลกระทบโดยตรงต่อการจ่ายไฟฟ้าในส่วนต่าง ๆ ของเครือข่าย
แผนภาพที่ให้มาแสดงการเชื่อมต่อที่มีสถานีอินเวอร์เตอร์สี่แห่งเชื่อมต่อไปยังสถานีเรกทิไฟเออร์เดียว ในระบบนี้ หากมีการขาดสายส่งใด ๆ หนึ่งสาย จะทำให้การจ่ายไฟฟ้าถูกหยุดชะงักที่สถานีปลายทางอย่างน้อยหนึ่งแห่ง ความอ่อนไหวนี้ทำให้ระบบ MTDC แบบเรเดียลน้อยความน่าเชื่อถือเมื่อเทียบกับระบบ MTDC แบบ Mesh หรือ Ring
ระบบ MTDC แบบ Mesh (Ring) (Mesh (Ring) MTDC System)
ในระบบ MTDC แบบ Mesh หรือ Ring สถานีอินเวอร์เตอร์ (โหลด) เชื่อมต่อไปยังสถานีเรกทิไฟเออร์เดียวในรูปแบบ Mesh หรือ Ring หนึ่งในข้อได้เปรียบหลักของระบบนี้คือ แม้จะมีการขาดสายส่งหรือการนำออกของลิงค์หนึ่งลิงค์ ก็ไม่ทำให้การจ่ายไฟฟ้าถูกหยุดชะงักที่สถานีอินเวอร์เตอร์ใด ๆ แผนภาพที่ให้มาแสดงระบบ MTDC แบบ Mesh หรือ Ring ความทนทานต่อการขาดสายส่งทำให้ระบบ MTDC แบบ Mesh หรือ Ring เป็นตัวเลือกที่น่าเชื่อถือมากขึ้นสำหรับการส่งผ่านและกระจายพลังงานในบางกรณี เนื่องจากสามารถทนทานต่อการขาดสายส่งและรักษาการจ่ายไฟฟ้าต่อสถานีโหลดต่อเนื่องได้
ตามที่แสดงในแผนภาพ ในระบบ MTDC แบบ Mesh หรือ Ring การนำออกของลิงค์ใด ๆ หนึ่งลิงค์จะไม่ทำให้การจ่ายไฟฟ้าถูกหยุดชะงักที่สถานีคอนเวอร์เตอร์ใด ๆ แทนที่จะเป็นการส่งผ่านพลังงานโดยอัตโนมัติผ่านทางเลือกอื่น ๆ ภายในเครือข่าย การส่งผ่านพลังงานโดยอัตโนมัตินี้เป็นไปได้เนื่องจากการเชื่อมต่อแบบ Mesh หรือ Ring อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องออกแบบทางเลือกอื่น ๆ อย่างรอบคอบเพื่อรองรับการส่งผ่านพลังงานที่เพิ่มขึ้นและลดการสูญเสียพลังงาน
การไม่มีการหยุดชะงักของการจ่ายไฟฟ้าในระบบ MTDC แบบ Mesh คือข้อได้เปรียบสำคัญ ทำให้มีการจ่ายไฟฟ้าต่อเนื่องและมั่นคง แม้ในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาดที่ไม่คาดคิด ดังนั้น ระบบ MTDC แบบขนานที่เชื่อมต่อแบบ Mesh มีความน่าเชื่อถือมากกว่าระบบ MTDC แบบขนานที่เชื่อมต่อแบบเรเดียล ความอ่อนไหวต่อการขาดสายส่งของระบบเรเดียลทำให้ระบบ MTDC แบบ Mesh หรือ Ring เป็นตัวเล
