Схемы и области применения ППТ

Используют в основном три схемы ППТ: I) монополярная при наличии или отсутствии второго проводника; 2) биполярная, в которой используется пара проводников противоположной полярности, каждый под высоким напряжением относительно земли; 3) трехполярная, предназначенная для перевода существующих ЛЭП переменного тока на ППТ.

В монополярной схеме один из выводов выпрямителя заземляют. Другой вывод, с электрическим потенциалом выше или ниже заземленного, связан с линией электропередачи. Заземленный вывод либо связан с соответствующим выводом преобразовательной станции посредством второго проводника, либо нс связан.

При отсутствии второго металлического проводника токи протекают в земле между заземленными электродами двух электростанций, вызывая ряд негативных эффектов:

• • электрохимическую коррозию длинных проложенных в грунте металлических объектов, таких как трубопроводы;
• • при использовании воды в качестве второго проводника ток, протекающий в морской воде, вызывает её электрохимическое разложение с выделением ряда вредных веществ (например, хлора);
• • несбалансированный ток может привести к возникновению магнитного поля, влияющего на навигационные приборы судов, проходящих над подводным кабелем.

Установка металлического обратного проводника между двумя концами монополярной ППТ устраняет эти воздействия. Так как один из выводов преобразователей заземлен, пет необходимости в установке изоляции обратного провода на полное напряжение передачи, что делает обратный провод менее дорогостоящим, чем проводник высокого напряжения. Современные монополярные воздушные ППТ передают мощность до 1500−2000 МВт. При использовании подземного или подводного кабеля эта величина обычно составляет примерно 600 МВт.

Поскольку в биполярной передаче изоляция обоих проводников должна выбираться на полное напряжение, стоимость ППТ выше монополярной схемы с обратным проводом. Однако преимущества биполярной передачи делают ее более привлекательной. При нормальной нагрузке в земле протекают незначительные токи, что обусловливает меньшие потери в земле и снижает экологический ущерб. Когда короткое замыкание происходит на одной из линий биполярной системы, схема может продолжать работать на неповрежденной линии в монополярном режиме, передавая приблизительно половину номинальной мощности с использованием земли в роли обратного проводника. Есть опыт передачи по биполярной подводной кабельной линии мощности до 3200 МВт при напряжении ± 600 кВ.

Запатентованная в 2004 г. трёхполярная схема предназначена для перевода существующих ЛЭП переменного тока в режим ППТ. Два из трех проводников схемы работают в биполярном режиме, третий используется как параллельный монополь, оборудованный реверсными вентилями (параллельными вентилями, включенными в обратной полярности).

Параллельный монополь периодически уменьшает ток от одного полюса или другого, переключая полярность на несколько минут. Без изменения полярности в системе с параллельным монополем, который был бы загружен на ± 100% по нагреву, биполярные проводники были бы нагружены или на 137 или на 37%. В случае с изменяющейся полярностью суммарный среднеквадратичный тепловой эффект такой же, как и когда каждый из проводников работает при номинальном токе. Эго позволяет пропускать большие токи по биполярным проводникам и наиболее полно использовать третий проводник для передачи энергии. Даже когда энергопотребление низкое, большие токи могут циркулировать по проводам линии для удаления с них льда.

Преобразование существующей ЛЭП переменного тока в трехполярную ППТ позволяет передавать до 80% больше мощности при том же самом фазном напряжении с использованием той же самой линии передачи, опор и проводников. Некоторые линии переменного тока не могут быть нагружены до их теплового предела из-за проблем устойчивости системы, надежности и реактивной мощности, которые для ППТ не существуют.

Трехнолярная система работает без обратного провода. Так как авария одного полюса преобразователя или проводника приводит только к малой потере производительности, а обратный ток, протекающий в земле, не возникает, надежность этой схемы высока и, соответственно, не требуется время на переключение.

Самая общая конфигурация ППТ — это две преобразовательные станции инвертор/выпрямитель, связанные воздушной линией. Такая конфигурация обычно используется при передаче энергии на большие расстояния и в случае использования подводных кабелей, а также для соединения нссинхронизированных энергосистем. Мультитсрминальная линия постоянного тока, соединяющая более двух пунктов, используется редко. Её конфигурация может быть последовательной, параллельной или гибридной (последовательно-параллельной). Параллельная конфигурация чаще используется для передачи энергии от больших электростанций, а последовательная — от менее мощных.

Для соединения магистральных линий различной частоты или двух электрических сетей с одинаковой номинальной частотой, но разных нефиксированных фазовых сдвигов, а также для подключения электростанций на НВИЭ к электрическим системам переменного тока (например, морские встропарки) используются вставки постоянного тока. Обычно вставка является станцией, в которой инверторы и выпрямители находятся в одном месте, как правило в одном здании. Линия постоянного тока выполняется предельно короткой или отсутствует как таковая. Это позволяет использовать в промежуточной схеме ВПТ постоянное напряжение настолько низким, насколько это возможно, чтобы обойтись меньшим зданием и избежать последовательных соединений вентилей. По этой причине в ВПТ используют сравнительно низковольтные, но сильноточные вентили.

К 2000 г. в мире находилось в эксплуатации 52 электропередачи и вставки постоянного тока общей мощностью около 25 ГВт. К 2010 г. общая мощность объектов постоянного тока приблизилась к 40 ГВт. В Европе к настоящему времени построено 24 передачи и вставки постоянного тока общей мощностью 12,5 ГВт. Ряд стран Западной Европы отделен от континента и друг от друга морскими проливами, отсюда — необходимость преодоления морских пространств. В этой связи и в связи с тем, что в Европе существует высокая плотность электрических сетей переменного тока, здесь пет электропередач постоянного тока, проложенных по суше, а используются подводные кабельные и гибридные ППТ, рис. 11.5 (под гибридными понимаются ППТ, где основная часть линии выполнена кабелем, а небольшие концевые участки — воздушными линиями).

В настоящее время все крупные энергосистемы Западной Европы объединены ППТ, что позволяет говорить о трансевропейской сети.

Наиболее крупными из них являются следующие объединения/связи:

• • между Англией и Францией через пролив Ла-Манш, позволившая объединить энергосистемы этих стран; мощность двух цепей этой ППТ составляет 2000 МВт;
• • между Данией и Норвегией через пролив Скагеррак, где проложены три цепи кабельной ППТ общей мощностью 1040 МВт;
• • кабельная двухцепная электропередача между Данией и Швецией (670 МВт);
• • между Финляндией и Швецией через Ботнический залив (500 МВт);
• • ВПТ между Россией и Финляндией (1400 МВт, г. Выборг);
• • трехподстапционная воздушно-кабельная ППТ 500 МВт ИталияКорсика-Сардиния;
• • глубокий кабельный ввод мощностью 640 МВт в г. Лондоне с помощью ППТ Кингспорт (устье р. Темзы) и двух подстанций в черте города.

Связи на постоянном токе между государственными энергосистемами Европы будут усиливаться. Уже введена в строй гибридная ППТ Италия-Греция, ведется сооружение кабельных линий между Норвегией и Нидерландами, Швецией и Германией, Северной Ирландией и Шотландией. Выполнен также проект ППТ Англия-Исландия.

В Северной Америке действует целый ряд мощных электропередач и вставок постоянного тока:

• • двухцепная ППТ Нельсон Ривер — Виннипег (Канада) общей мощностью 3600 МВт и длиной 930 км.;
• • кабельная ППТ на о. Ванкувер мощностью 680 МВт;
• • две ВПТ в восточной части страны, служащие для несинхронной связи с энергосистемами северной части США (ВПТ Ил Ривер (320 МВт) и ВПТ Шатегей (1000 МВт));
• • многоподстанционная Г1Г1Т общей длиной 1486 км от ГЭС на р. Ла-Гранд, впадающей в Гудзонов залив, до района г. Виннипега (Канада) и далее в район г. Бостона (США). Передаваемая мощность 2200 МВт. Эта электропередача имеет пять подстанций — три в Канаде и две в США — и является несинхронной управляемой связью между энергосистемами Канады (Квебек) и США (Новая Англия);
• • Тихоокеанская ППТ (3100 МВт, 1362 км);
• • Интермаунтин (1600 МВт, 788 км);
• • Сквер Бьют (500 МВт, 730 км).

Положительный опыт Северной Америки в создании межсистемных несинхронных связей (сооружено десять ВПТ) используется и в других странах: в Индии, Китае, Японии, Австралии, Новой Зеландии, ряде стран Латинской Америки и Африки.

Россия по своим гсографо-климатичсским условиям, особенностям распределения по территории природных ресурсов и населения будет вынуждена в близкой перспективе более масштабно применять ППТ при создании мощных межсистемных связей и крупных энергообъединений, чем это происходило до настоящего времени. В нашей стране длительное время, начиная с первых послевоенных лет, ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию оборудования для ППТ и ВПТ. Ведущую роль в этих работах играли и играют НИИ постоянного тока (ныне ОАО «НТЦ Единой энергетической системы», г. Санкт-Петербург), ВЭИ (г. Москва), а также ряд производственных предприятий. Эти работы позволили создать действующую ППТ Волгоград-Донбасс, разработать оборудование для ППТ Экибастуз-Тамбов (6000 МВт, 2400 км), которое по ряду параметров превосходит зарубежные аналоги. К сооружению этой электропередачи приступили в 80-х гг. XX в., была построена значительная часть линии, закончена строительная часть подстанций в Тамбове и Экибастузе, однако эти работы не были завершены из-за событий 90-х гг. По замыслу разработчиков эта ППТ должна быть лишь первым звеном мощной межсистемной связи, охватывающей основные энергопроизводящие регионы страны: Сибирь-Урал-Центр. Предполагалось в дальнейшем эту передачу продлить от Экибастуза до Итатского месторождения энергетических углей и впоследствии в Восточную Сибирь, а также создать ответвление на Урал.

Актуальность подобной мсжсистсмной связи нс утрачена и в настоящее время — она позволит повысить надежность и живучесть ЕЭС. Потребность в ППТ будет возрастать, но мере реализации и других стратегических энергетических проектов:

• • освоение богатейших гидроэнергетических ресурсов сибирских рек. Например, выдача энергии ГЭС Ангаро-Енисейского каскада суммарной мощностью свыше 36 ГВт при дальности передачи до 3000 км по трассам высокой сложности;
• • передача электроэнергии от тепловых электростанций КанскоАчинского угольного бассейна в район Урала;
• • осуществление связи ОЭС Сибири с Якутией и Дальним Востоком с помощью ППТ мощностью 1−3 ГВт и длиной 1000−1500 км;
• • использование ППТ при передаче электроэнергии от приливных электростанций (ПЭС), которые могут быть сооружены в России в заливах, расположенных на побережье Белого и Охотского морей. В связи с малой населенностью этих мест и, следовательно, отсутствием достаточно мощных местных потребителей вырабатываемую ПЭС энергию надо передавать в центры потребления на расстояния 1000 км и более;
• • использование постоянного тока при связях островных энергосистем, например о. Сахалин, о. Валаам в Ладожском озере, Соловецких островов в Белом море и др., с расположенными на материке системами.

Применение постоянного тока имеет большие перспективы при создании межгосударственных электроэнергетических связей России с приграничными государствами:

• 1. На западном направлении возможно сооружение многоподстанционной передачи постоянного тока ± 500 кВ мощностью до 4 ГВт Россия-Беларусь-Польша-Германия (в настоящее время подготовлено ТЭО). Рассмотрен и другой вариант этой передачи с подсоединением к ней энергосистем Балтии и Калининградской обл.
• 2. На северо-западном направлении возможно усиление связей с Финляндией и Норвегией за счет расширения существующей ВПТ в г. Выборге, сооружения новой ППТ Россия-Финляндия с прокладкой кабеля по дну Финского залива, а также создание связей (ППТ или ВПТ) между Карельской энергосистемой и Норвегией.
• 3. В южном и юго-восточном направлениях применение постоянного тока представляется предпочтительным из-за больших расстояний (более 1000 км), затрудняющих создание синхронных связей с энергосистемами стран, расположенных к югу от границ России. Наиболее перспективными в этом направлении являются связи с Китаем. В стадии предварительного рассмотрения находятся несколько вариантов электропередач Сибирь-Китай. Передаваемая мощность по этим связям может составить несколько гигаватт, расстояние около 2000 км (подробнее см. в 15.5).
• 4. В восточном направлении возможно создание связей РоссияЯпония и Россия-Корся. Поскольку Япония является островным государством, то создание таких связей возможно только с помощью кабельных линий, что предполагает применение постоянного тока. Здесь возможно сооружение следующих электропередач:
  • • в Японию от специально сооруженной на о. Сахалин тепловой электростанции;
  • • в Японию через о. Сахалин от ГЭС на притоках р. Лены в Якутии; в этом случае необходимо также сооружение ППТ через Татарский пролив;
  • • связь с Кореей может быть выполнена воздушными линиями из района Приморья.

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что ППТ достаточно широко используются для решения ряда задач мировой электроэнергетики. Важное место им отводится в концепции Smart Grid. По мере совершенствования и удешевления (хотя бы относительного) мощной преобразовательной техники сферы применения этой технологии будут расширяться. Уже сейчас развитие биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и запираемых тиристоров (GTO) в сочетании с названными выше преимуществами ППТ делают последние конкурентоспособными для подводных кабелей при длине от 50 км и для воздушных ЛЭП при длине от 600−800 км (такие устройства разрабатываются фирмами АВВ и Siemens и называются «HVDC Light» и «HVDC Plus» соответственно). Глобализация мировой экономики, расширение мирового рынка электроэнергии также будут способствовать развитию ППТ.

Вопросы и задания

• 1. Что дало создание ЕЭС СССР и сохранение её в виде ЕЭС России?
• 2. Назовите условия надежного и бесперебойного электроснабжения.
• 3. Как изменялись потери энергии в электрических сетях за последние четверть века?
• 4. Что нужно сделать для уменьшения потерь энергии в электрических сетях?
• 5. Назовите основные проблемы в системообразующих сетях России.
• 6. Назовите основные проблемы в распределительных сетях России.
• 7. Назовите типы микросетей, их назначение и возможности.
• 8. Что такое «сильные сети»?
• 9. Назовите максимальное число устройств FACTS и их назначение.
• 10. В чём суть концепции Smart Grid?
• 11. Что является гехнической/технологической основой Smart Grid?
• 12. Назовите принцип работы и области применения передач постоянного тока (ППТ).
• 13. Каковы преимущества и недостатки ППТ в сравнении с передачами переменного тока?