نقش HVDC در تکامل شبکه برق

نبرد قرن نوزدهم بین جریان متناوب نیکولای تسلا (AC) و فناوری‌های جریان مستقیم (DC) توماس ادیسون یک برنده بلامنازع داشت، اکثریت قریب به اتفاق شبکه های انتقال و توزیع جهان اکنون بر روی AC کار می کنند.

اما DC - و جریان مستقیم ولتاژ بالا (HVDC) - در حال جلب توجه مجدد است.

برنامه های جدید برای HVDC ظهور می کنند

از مزایای HVDC می توان به توانایی آن در انتقال نیرو در فواصل طولانی بدون محدودیت فنی و شبکه های متصل ناهمزمان یا با فرکانس های مختلف اشاره کرد و از آنجایی که شبکه های برق برای ترکیب انرژی از منابع تجدیدپذیر سازگار شده اند، انعطاف پذیری اتصالات HVDC برای کنترل برق و بهبود پایداری سیستم AC توجه را به خود جلب می کند.

با این حال، ادغام HVDC در یک سیستم AC هنوز باید به دقت مورد توجه قرار گیرد و به ارائه دهندگان برق نیاز دارد تا نقش کنترل ولتاژ AC را بازنگری کنند.

از نظر تاریخی، یکی از چالش‌های HVDC، دشواری، هزینه و تلفات مرتبط با افزایش یا کاهش ولتاژ بوده است، در مقایسه با سهولتی که می‌توان با ترانسفورماتورهای شبکه‌های AC به آن دست یافت.

برخی از این محدودیت ها از نظر فنی برطرف شده است، اما کنترل ولتاژ هنوز در DC یک مشکل است.

تا همین اواخر، کاربردهای HVDC عمدتاً از مزایای این فناوری در انتقال مقادیر زیادی نیرو در فواصل طولانی، معمولاً اتصالات بین‌المللی، بهره می‌بردند، نمونه‌هایی از این اتصال 2000 مگاواتی انگلستان-فرانسه است که سیستم‌های انتقال بریتانیا و فرانسه را به هم متصل می‌کند و کانکتور 1000 مگاواتی BritNed بین بریتانیا و هلند.

با این حال، علاقه فزاینده ای به استفاده از DC به صورت تاکتیکی، در مقیاس شهری و توزیع، حتی تا سطوح ولتاژ متوسط (MV) یا ولتاژ پایین (LV) وجود دارد، کاربردهای جدید شامل اتصال جزایر به شبکه محلی، و همچنین ادغام تعداد فزاینده مزارع خورشیدی و باتری‌های در مقیاس صنعتی است که به طور طبیعی در DC کار می‌کنند.

یک ابزار تحول آفرین؟

یکی از نقاط قوت HVDC توانایی آن در اتصال شبکه هایی است که ناهمزمان هستند یا در فرکانس های مختلف کار می کنند و به عنوان یک مزیت اضافی، HVDC به جداسازی بین شبکه های مختلف AC دست می یابد، به طوری که هر گونه مشکل در یکی از آنها ممکن است از دیگری جدا شود.

این مهم است، زیرا شبکه بریتانیا از مدل دهه 1950 تولید متمرکز و یک شبکه توزیع غیرفعال به آینده ای بسیار پویاتر از تولید انرژی های تجدیدپذیر پراکنده و مدیریت فعال روابط با مشتریان در شبکه های هوشمند تبدیل می شود.

HVDC این پتانسیل را دارد که به یک ابزار مهم و فزاینده برای تبدیل شبکه به چیزی بسیار ماژولارتر، هیبریدیزه‌تر و انعطاف‌پذیرتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد تبدیل شود.

اصل اتصال یک لینک HVDC به یک شبکه AC به اندازه کافی ساده است: طول خط هوایی یا کابل، یا هر دو، با یک ایستگاه مبدل در هر انتها فن‌آوری‌های دستیابی به این هدف در دهه‌های اخیر به‌طور چشمگیری پیشرفت کرده‌اند تا تلفات ذاتی این فرآیند را کاهش دهند، اما در مقایسه با پست‌های AC و ترانسفورماتورهای معمولی، هنوز از نظر هزینه سرمایه و نگهداری گران هستند.

چرا HVDC هنوز به کنترل ولتاژ نیاز دارد؟

توانایی لینک‌های HVDC برای انتقال مقادیر زیاد و متغیر توان، پیامدهای عمیقی برای شبکه‌های AC که به آن‌ها متصل می‌شوند، به ویژه از نظر ولتاژ دارد. هنگامی که برق در امتداد اتصال HVDC جریان دارد، شبکه فرستنده افت ولتاژ را تجربه می کند، در حالی که انتهای دریافت کننده افزایش ولتاژ را تجربه می کند.

کنترل تغییرات ولتاژ در هر یک از شبکه های AC متصل شده توسط HVDC به وضوح یک مسئله کلیدی است.

شبکه های AC به طور فزاینده ای از راه حل های کنترل ولتاژ خودکار (AVC) استفاده می کنند. برای موثر بودن، یک سیستم AVC باید به طور مداوم ولتاژها را کنترل و به طور خودکار کنترل کند، آنها را در پارامترهای تعیین شده نگه دارد و از سطوح ولتاژ فرار جلوگیری کند.

این کار را با مدیریت رابطه بین توان واقعی، توان راکتیو و ولتاژها انجام می‌دهد، که ارتباط نزدیکی با هم دارند و مستقیماً تحت تأثیر جریان‌های توان HVDC قرار می‌گیرند.

راه‌حل‌های AVC باید طوری طراحی شوند که با ولتاژها روی هر نوع سیستمی کار کنند، از جمله طرح‌های پیچیده شامل منابع انرژی توزیع شده (DER)، اتصال به ترمینال HVDC را می توان به عنوان یک ترانسفورماتور مجازی در نظر گرفت.

توانایی جبران ضرایب توان نوسان، و بارهای بسیار متغیر و انعطاف پذیر تولید شده توسط جریان در سراسر پیوند HVDC، تضمین می کند که ولتاژها تحت کنترل و هماهنگ در شبکه های AC در هر دو طرف باقی می مانند.

ادغام AC

واضح است که یکی از ملاحظات کلیدی هنگام طراحی و اجرای پیوند HVDC این است که الکترونیک مبدل در هر انتهای اتصال باید به گونه ای تنظیم شود که با تجهیزات AVC موجود و آینده سازگار باشد. تجهیزات اتصال HVDC باید بر مدیریت جریان های برق تمرکز کنند و نه به طور خاص بر تلاش برای کنترل ولتاژ.

این کاری است که به بهترین وجه توسط فناوری های تخصصی AVC طراحی شده برای شبکه های AC انجام می شود. با این شرایط، پیوند HVDC باید به طور موثر کار کند، بدون هیچ گونه اثر مخربی بر ولتاژ در سراسر شبکه های AC که به آن متصل می شود.

در مورد این که مبدل های AC/DC هنگام اتصال منابع قابل توجه برق DC به شبکه، مانند مزارع خورشیدی و تأسیسات ذخیره برق در مقیاس صنعتی، باید در کجا قرار گیرند، باید تا حد امکان نزدیک به منابع قرار گیرند. ستون فقرات سیستم انتقال و توزیع ما، AC برای آینده قابل پیش‌بینی است و خواهد ماند.

بنابراین یک بار دیگر منطقی است که لینک های HVDC بر مدیریت جریان های برق تمرکز کنند، در حالی که تجهیزات شبکه AC مسئول مدیریت ولتاژ باقی می ماند.

اکثر لینک های HVDC از ولتاژ بین 100 تا 800 کیلو ولت استفاده می کنند و با این حال یک پیوند 1100 کیلوولت در چین در سال 2019 در مسافت 3300 کیلومتر (2100 مایل) با ظرفیت توان 12 گیگاوات تکمیل شد.

با این بعد، اتصالات بین قاره ای امکان پذیر می شود که می تواند به مقابله با نوسانات نیروی باد و فتوولتائیک کمک کند.

خطوط HVDC معمولاً برای انتقال برق در فواصل طولانی استفاده می شوند، زیرا به هادی کمتری نیاز دارند و نسبت به خطوط AC معادل تلفات برق کمتری دارند.

HVDC همچنین امکان انتقال نیرو را بین سیستم های انتقال AC که همگام نیستند، می دهد. از آنجایی که جریان برق از طریق یک پیوند HVDC را می توان مستقل از زاویه فاز بین منبع و بار کنترل کرد، می تواند شبکه را در برابر اختلالات ناشی از تغییرات سریع توان تثبیت کند.

HVDC همچنین امکان انتقال نیرو را بین سیستم های شبکه ای که در فرکانس های مختلف کار می کنند، مانند 50 و 60 هرتز را فراهم می کند، این امر ثبات و اقتصاد هر شبکه را بهبود می بخشد، زیرا امکان تبادل نیرو بین شبکه های قبلاً ناسازگار را فراهم می کند.

شکل مدرن انتقال HVDC از فناوری استفاده می کند که به طور گسترده در دهه 1930 در سوئد (ASEA) و آلمان توسعه یافته است. تاسیسات تجاری اولیه شامل یکی در اتحاد جماهیر شوروی در سال 1951 بین مسکو و کاشیرا و یک سیستم 100 کیلوولت و 20 مگاوات بین گوتلند و سرزمین اصلی سوئد در سال 1954 بود.

قبل از پروژه چینی در سال 2019، طولانی ترین پیوند HVDC در جهان، پیوند ریو مادیرا در برزیل بود که از دو دوقطبی ± 600 کیلوولت، هر کدام 3150 مگاوات تشکیل شده است که پورتو ولهو در ایالت روندونیا را به منطقه سائوپائولو با طول بیش از 2500 کیلومتر متصل می کند.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.