- HVDC Transmission: elektryczna autostrada prowadząca do nowej ery odnawialnych źródeł energii
- Technologia przetworników napięcia zasilającego (VSC) w systemach przesyłowych HVDC
- Postępy w infrastrukturze Ultra HVDC (UHVDC) istotnej dla przesyłu energii odnawialnej
Potrzeba wydajnego i elastycznego systemu przesyłu energii elektrycznej jest konsekwentnie odczuwana we współczesnych gospodarkach uprzemysłowionych. Istnieje wiele opcji dostępnych dla decydentów i podmiotów komercyjnych, przy czym systemy przesyłowe wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) stają się wykonalnym mechanizmem zarządzania energią.
Rozwój technologii HVDC zwiastuje ogromną zmianę w sposobie przesyłania energii elektrycznej na duże odległości, ponieważ oferuje wielorakie korzyści w porównaniu z systemami przesyłowymi prądu przemiennego (AC). Systemy przesyłowe HVDC oferują korzyści pod względem niższej emisji i oszczędności kosztów, gdy są rozmieszczone nad głową na duże odległości oraz pod ziemią lub pod wodą na krótkich dystansach.
Oferując maksymalną sprawność przejściową i mniejsze straty mocy, niezależnie od odległości, jaką pokonuje energia elektryczna, systemy przesyłowe HVDC stwarzają znaczący potencjał dla przesyłu energii na duże odległości, takie jak wyspy, a nawet kontynenty. Postępy w technologiach HVDC torują drogę dla odnawialnych systemów elektroenergetycznych, co oznacza pozytywne perspektywy rynku systemów przesyłowych HVDC, który w 2018 r. Wyceniono na prawie 7,4 mld USD.
HVDC Transmission: elektryczna autostrada prowadząca do nowej ery odnawialnych źródeł energii
Systemy przesyłowe HVDC wyłaniają się jako fundament, na którym powstaje i wdrażany nowy system energetyczny oparty na źródłach odnawialnych. Systemy energii odnawialnej, takie jak projekty energii słonecznej i wiatrowej, są często bardzo niestabilne i zlokalizowane na odległych obszarach. Ciągle ewoluująca technologia HVDC zyskuje na popularności w nowej gospodarce energetycznej dzięki długodystansowym liniom przesyłowym HVDC, które mogą transportować energię z maksymalną wydajnością i minimalnymi stratami.
Linie HVDC stają się „elektrycznymi autostradami”, które przyspieszają przyszłość systemów wytwarzania energii odnawialnej na trzy sposoby - łącząc istniejące elektrownie, rozwijając nowe elektrownie słoneczne i integrując projekty morskiej energii wiatrowej. Półprzewodniki mocy, kable wysokiego napięcia i przetwornice należą do kluczowych elementów technologii HVDC, które nadają odrębne cechy nowoczesnemu systemowi przesyłu prądu stałego (DC).
Potrzeba budowy nowych elektrowni może zostać odroczona dzięki wdrożeniu systemów przesyłowych HVDC, ponieważ łączy różne systemy elektroenergetyczne, aby działać wydajniej. Nowy system elektroenergetyczny może osiągnąć większe korzyści ekonomiczne i środowiskowe z dużych zasobów hydroelektrycznych, które zastępują systemy termiczne w tradycyjnych systemach elektroenergetycznych poprzez linie przesyłowe HVDC.
Przesył HVDC stał się autostradą energetyczną umożliwiającą integrację na dużą skalę odnawialnych źródeł energii w celu zaoferowania połączonych sieci, które są niezawodne i wystarczająco elastyczne, aby sprostać wyzwaniom nowej gospodarki opartej na energii odnawialnej. Sieci przesyłowe HVDC umożliwiają równoważenie obciążenia między autostradami zasilającymi HVDC oraz współdzielenie linii i stacji przekształtnikowych w projektach słonecznych i morskich elektrowniach wiatrowych. W związku z tym wdrażanie systemów przesyłowych HVDC jest uważane za ekonomicznie opłacalny sposób zapewnienia redundancji i niezawodności w takich sieciach energetycznych.
Ponadto systemy przesyłowe HVDC oferują również wykonalne rozwiązania dla istniejących wyzwań dotyczących pierwszeństwa przejazdu. Jeden system przesyłowy HVDC rozmieszczony napowietrznie może okazać się bardziej niezawodny niż dwuobwodowa linia przesyłowa prądu przemiennego. Infrastruktura HVDC może poprawić sprawność przejściową energii elektrycznej poprzez zastosowanie izolowanych kabli HVDC w zastosowaniach podziemnych i podmorskich, co może przyspieszyć procesy przyznawania pierwszeństwa. Co więcej, systemy przesyłowe HVDC mogą być również instalowane w sąsiedztwie lub na istniejących liniach prądu przemiennego, zmniejszając potrzebę użytkowania terenu z pierwszeństwem przejazdu.
Technologia przetworników napięcia zasilającego (VSC) w systemach przesyłowych HVDC
Systemy przesyłowe HVDC wykorzystują konwertery komutowane liniowo (LCC) ze źródłem prądu, które do działania wymagają mocy biernej z kondensatorów szeregowych, banków bocznikowych lub filtrów. Jednak konwencjonalny system przesyłowy HVDC nie zapewnia dynamicznego wsparcia napięcia sieci prądu przemiennego i nie kontroluje napięcia systemu w dopuszczalnym zakresie, w pożądanej tolerancji. W konsekwencji przetwornice napięcia stosowane są w konwencjonalnych systemach przesyłowych HVDC, nie tylko w celu zapewnienia dynamicznej regulacji napięcia w sieci prądu przemiennego, ale także do sterowania przepływem mocy w systemie.
Systemy przesyłowe HVDC oparte na technologii VSC mogą oferować niezależne sterowanie zarówno mocą czynną, jak i bierną bez awarii komutacji. Przełączanie zaworów IGBT w transmisji HVDC opartej na VSC następuje po modulacji szerokości impulsu (PWM), która umożliwia systemowi regulację kąta fazowego i amplitudy napięcia wyjściowego przemiennika AC przy stałym napięciu DC.
Ponadto systemy transmisji HVDC oparte na VSC składają się z dwóch niezależnych systemów sterowania i ochrony, które składają się z cyfrowych procesorów sygnałowych i mikrokontrolerów, i zapewniają redundancję w celu zapewnienia wysokiej niezawodności. Cechy te przypisuje się skłonności użytkowników końcowych do technologii VSC zamiast technologii LCC w systemach przesyłowych HVDC.
Systemy HVDC oparte na VSC zyskują coraz większą popularność na rynku systemów przesyłowych HVDC, z ponad 55% udziałem w przychodach rynku. Technologia transmisji oparta na VSC stała się dojrzała dla konwencjonalnych systemów przesyłowych HVDC, mimo że jest stosunkowo droższą opcją dla aplikacji o wyższych wartościach znamionowych.
Wiodące firmy na rynku systemów przesyłowych HVDC wspierają wdrażanie technologii VSC w celu zwiększenia niezawodności przesyłu HVDC w projektach energii odnawialnej realizowanych na całym świecie. Na przykład Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation - wiodący japoński producent systemów wytwarzania energii - ogłosił w marcu 2019 r. Instalację łącza transmisyjnego HVDC na bazie VSC, łączącego kontynent Japonii (Honsiu) z północną wyspą Hokkaido. Firma ogłosił, że jest to pierwszy w Japonii system HVDC oparty na VSC, który przez cały czas zapewnia 600 MW mocy połączeń międzysystemowych.
W kwietniu 2019 roku Grupa ABB - szwajcarsko-szwedzka międzynarodowa korporacja działająca w segmentach energetyki, ciężkiego sprzętu elektrycznego i automatyki - ogłosiła, że utworzyła spółkę joint venture z Hitachi, Ltd. - japońskim międzynarodowym konglomeratem - w celu dostawy VSC. oparty na systemie transmisji HVSC dla podstacji Higashi-Shimizu w Japonii. Firma ogłosiła, że systemy transmisji HVDC oparte na VSC będą obejmować dwa przetwornice VSC (o mocy 300 000 kW każdy), a Hitachi zbuduje system, który będzie składał się z transformatorów przekształtnikowych Hitachi i przetwornika ABB HVDC z systemem sterowania i ochrony.
Postępy w infrastrukturze Ultra HVDC (UHVDC) istotnej dla przesyłu energii odnawialnej
Rozwój systemu przesyłowego UHVDC jest jednym z najnowszych osiągnięć w technologii przesyłu HVDC, który umożliwia przesył napięcia stałego o wartości co najmniej 800 kV; konwencjonalny system przesyłowy HVDC generalnie wykorzystuje napięcia od 100 kV do 600 kV. W miarę jak nowa globalna gospodarka energetyczna stopniowo przesuwa się w kierunku sieci energetycznych na skalę kontynentalną, systemy przesyłowe UHVDC prawdopodobnie zyskają ogromne znaczenie na całym świecie.
Regiony rozwinięte należą do najkorzystniejszych rynków dla systemów przesyłowych UHVDC, ponieważ kraje rozwinięte wytwarzają duże ilości energii odnawialnej. Ameryka Północna i Europa należą do największych rynków systemów przesyłowych HVDC, ponieważ organy zarządzające w tych regionach dużo inwestują w rozwój infrastruktury HVDC, aby osiągnąć swoje cele klimatyczne.
Wielka Brytania jest jednym z wiodących krajów europejskich, które wdrożyły systemy przesyłowe HVDC. Wielka Brytania ma wspólne połączenia HVDC z kilkoma sąsiednimi krajami, w tym Norwegią, Irlandią, Francją i Holandią. Ponadto Stany Zjednoczone zwiększają inwestycje w wytwarzanie czystej energii, a przyjęcie przesyłu HVDC w kraju rośnie w szybkim tempie. Stale rozwijająca się międzystanowa sieć autostrad elektroenergetycznych w USA sprawia, że Ameryka Północna jest największym rynkiem dla systemu przesyłowego HVDC, z prawie jedną czwartą udziału w przychodach z rynku światowego.
Jednak rosnąca liczba gospodarek wschodzących wykazuje obiecujący wzrost w zakresie wytwarzania energii odnawialnej wraz z rozwojem elektrowni wodnych i projektów dotyczących energii wiatrowej. Kraje rozwijające się są domem dla dużych projektów w zakresie energii słonecznej i wiatrowej, a systemy przesyłowe UHVDC są przystosowywane, aby sprostać stale rosnącemu zapotrzebowaniu na moc w tych krajach.
Chiny stały się jednym z wiodących krajów na świecie, które jako pierwsze przyjęły system przesyłowy UHVDC. W 2010 roku Grupa ABB zbudowała pierwszą na świecie linię przesyłową UHVDC między Szanghajem a Xiangjiaba w Chinach o mocy 6,4 GW i łącznej długości około 1907 km. Do 2017 roku kraj zainwestował ponad 400 miliardów juanów (57 miliardów USD) w rozwój co najmniej 21 nowych linii przesyłowych UHVDC w kraju.
General Electric Company (GE) - amerykański międzynarodowy konglomerat - zlecił wykonanie pierwszej fazy 1500 MW dwufazowego systemu przesyłu energii HVDC w Chhattisgarh w Indiach w 2017 roku. The Power Grid Corporation of India Limited - indyjska państwowa spółka energetyczna firma - zainwestowała w projekt ponad 6300 crore INR. Ministerstwo Energii ogłosiło, że w grudniu 2018 r. Moc projektu została dalej zwiększona do 6000 MW przy inwestycji o wartości ponad 5200 crore INR. GE ogłosiło, że był to pierwszy projekt UHVDC firmy w Indiach, a także na świecie, który wynosi 1287 km energetycznej autostrady o mocy transmisji do 3000 MW.
Wraz z rosnącym wykorzystaniem systemów przesyłowych UHVDC w gospodarkach wschodzących, takich jak Chiny i Indie, region Azji i Pacyfiku (z wyłączeniem Japonii) staje się rynkiem o wysokim wzroście dla systemów przesyłowych HVDC. Na przyszłe trendy w sektorze przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej (T&D) duży wpływ ma mieszanka odnawialnych źródeł energii.
Rosnące inwestycje w sektorze T & D w najbliższych latach wzmocnią produkcję energii odnawialnej. W konsekwencji spowoduje to globalne przyjęcie systemów przesyłowych HVDC jako elastycznego i ekonomicznego rozwiązania do zarządzania nowymi wyzwaniami w zakresie wytwarzania energii i integracji źródeł odnawialnych w nadchodzących latach.