HVDC چیست؟ — به زبان ساده

همان‌طور که می‌دانیم، سیستم قدرت از سه بخش اصلی تشکیل شده است: تولید، انتقال و توزیع. از سیستم انتقال برای اتصال سیستم تولید به بار استفاده می‌شود و به این دلیل معمولاً فشار قوی یا همان ولتاژ بالا است که تلفات انتقال کاهش پیدا کند. با توجه به نوع توان انتقالی (AC یا DC)، خطوط انتقال به دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند: خط انتقال HVAC و خط انتقال HVDC. در این آموزش با خط انتقال HVDC آشنا می‌شویم.

توان الکتریکی در نیروگاه به صورت AC تولید می‌شود و اغلب‌ بارهای مصرف نیز برای کار در توان AC طراحی شده‌اند. از این رو، در یک سیستم انتقال معمول، توان از طریق خط انتقال HVAC منتقل می‌شود. اما این روش انتقال چند عیب دارد که برای غلبه بر این معایب و با توجه به ظهور فناوری‌های الکترونیک قدرت، خط انتقال HVDC معرفی شده است.

HVDC چیست؟

HVDC مخفف «فشار قوی جریان مستقیم» یا به طور ساده، «فشار قوی DC» است. همچنین به عنوان بزرگراه برقی یا بزرگراه برق نیز شناخته می‌شود. HVDC روشی مؤثر برای انتقال مقدار بزرگی انرژی الکتریکی با استفاده از DC (جریان مستقیم) در مسافت‌های طولانی توسط خطوط انتقال هوایی، کابل‌های زیرزمینی یا کابل‌های زیردریایی است.

فیلم آموزش بررسی سیستم های قدرت ۱ – مرور و حل تمرین

اینجا کلیک کنید

همچنین از سیستم HVDC برای اتصال سیستم‌های قدرت جداگانه با مشخصه‌ها و فرکانس‌های مختلف که امکان انتقال AC در آن‌ها وجود ندارد، استفاده می‌شود. HVDC نسبت به HVAC مزایایی دارد و به همین دلیل نسبت به یک سیستم معمولی HVAC ارجح است. اما HVDC چیست و چگونه کار می‌کند؟ در ادامه، به این پرسش‌ها پاسخ می‌دهیم.

جالب است بدانید:

• طولانی‌ترین خط انتقال برق HVDC در جهان ۲۳۸۵ کیلومتر در برزیل است.
• اخیراً در چین، ۱۲ گیگاوات توان با ولتاژ 1100 کیلوولت DC در مسافت ۳۳۰۰ کیلومتر منتقل شده است.

اجزای خط انتقال HVDC

شکل زیر نمودار تک‌خطی خط انتقال HVDC را نشان می‌دهد. در ادامه، در مورد عملکرد هر بخش صحبت خواهیم کرد.

فیلم آموزش دینامیک سیستم های قدرت ۱

اینجا کلیک کنید

اجزای این سیستم عبارتند از:‌

• ترانسفورماتور مبدل
• مبدل‌ها
• فیلترها
• راکتور صاف‌کننده
• الکترودهای زمین و خط الکترود
• خطوط انتقال یا کابل DC
• منبع توان راکتیو
• پست برق AC

ترانسفورماتور مبدل

ترانسفورماتور مبدل (Converter Transformer) نسبت به ترانسفورماتور معمولی مورد استفاده در خط انتقال HVAC تفاوت دارد. این ترانسفورماتور به تجهیزات الکترونیک قدرت متصل شده و برای مقاومت در برابر فشار ولتاژ DC و جریان‌های هارمونیک طراحی شده است. در ترانسفورماتور مبدل، محتوای هارمونیکی در مقایسه با ترانسفورماتور معمولی بیشتر است. از این رو، باعث شار نشتی بیشتری شده و نقطه داغ در سیم‌پیچ تشکیل می‌دهد. بنابراین، این ترانسفورماتورها برای جلوگیری از تأثیر نقطه داغ به تجهیزات خنک‌کننده اضافه نیاز دارند.

ترانسفورماتور افزاینده برای افزایش سطح ولتاژ ابتدای خط استفاده می‌شود و ترانسفورماتور کاهنده برای کاهش سطح ولتاژ در انتهای خط به کار می‌رود. پیکربندی‌های مختلفی بر اساس کاربرهای متفاوت وجود دارد، یعنی از دو واحد ترانسفورماتور سه‌فاز یا سه واحد تک‌فاز می‌توان استفاده کرد.

مبدل‌ها

انرژی الکتریکی به فرم AC تولید و استفاده می‌شود. از این رو، مبدل‌ها در هر دو انتهای خط انتقال استفاده می‌شوند. از یکسوساز برای تبدیل AC به DC در ابتدای خط استفاده می‌شود. همچنین، اینورتر برای تبدیل DC به AC در انتهای خط به کار برده می‌شود. اندازه این مبدل‌ها بسیار بزرگ است و به طور کلی در یک ساختمان جداگانه معروف به «اتاق شیر» (Valve Hall) قرار دارند.

در ساخت خطوط HVDC، از تریستورها به عنوان سوئیچ الکترونیک قدرت در مبدل‌ها استفاده می‌شد. این مبدل‌ها به عنوان مبدل‌های کموتاسیون خط شناخته می‌شوند. در مبدل تریستوری‌، شیرهای تریستوری به صورت جفت گروه‌بندی می‌شوند. هر مبدل از شش یا دوازده شیر تشکیل شده است. برای ارتباطات مخابراتی نیز به ولتاژ سیستم AC نیاز است. اما امروزه، مبدل‌های منبع ولتاژ معرفی شده‌اند. این نوع مبدل‌ها به جای تریستور از IGBT (ترانزیستور دو قطبی با گِیت عایق شده) استفاده می‌کنند. این مبدل‌ها برای برقراری ارتباطات مخابراتی به ولتاژ AC نیاز ندارند.

فیلترها

مبدل‌ها از سوئیچ‌های الکترونیک قدرت استفاده می‌کنند. به دلیل سوئیچینگ مبدل‌ها در هر دو انتهای یک خط انتقال، هارمونیک‌ها تولید می‌شوند. این هارمونیک‌ها به سیستم AC منتقل می‌شوند و این می‌تواند به گرمای بیش از حد تجهیزات منجر شود. بنابراین‌، کاهش یا حذف هارمونیک‌ها ضروری است. از فیلترها برای کاهش هارمونیک استفاده می‌شود.

این فیلترها در دو طرف AC و DC به کار می‌روند. فیلتر مورد استفاده در سیستم AC به عنوان فیلتر AC و فیلتر مورد استفاده در سیستم DC به عنوان فیلتر DC شناخته می‌شود. این مجموعه، از خازن‌ها و سلف‌های سری تشکیل شده و برای از بین بردن فرکانس‌های هارمونیک مورد انتظار تنظیم شده است.

فیلترهای AC امپدانس کمتری دارند و از اجزای پسیو استفاده و توان راکتیو لازم برای کارکرد مبدل را تأمین می‌کنند. فیلترهای DC نسبت به فیلترهای AC کوچک‌تر و ارزان‌تر هستند. شدت هارمونیک‌ها در مبدل‌های منبع ولتاژ در مقایسه با مبدل‌های کموتاسیون خط کمتر است.

راکتور صاف کننده

راکتور صاف کننده به صورت سری با مبدل در سمت DC متصل شده و از آن برای ایجاد جریان‌های بدون ریپل و کاهش هارمونیک‌ در سیستم DC استفاده می‌شود. همچنین با محدود کردن جریان خطا، برای اهداف محافظتی نیز به کار برده می‌شود. راکتور صاف کننده را می‌توان در طرف خط یا طرف خنثی نیز متصل کرد.

راکتورهای صاف کننده برای تنظیم جریان DC نیز به کار می‌روند. اگر تغییر ناگهانی در جریان DC رخ دهد، راکتور با آن مخالفت می‌کند و اجازه می‌دهد جریان DC با یک مقدار ثابت برقرار شود. از این رو، با جلوگیری از تغییرات ناگهانی، استرس روی شیر مبدل را کاهش می‌دهند. راکتور صاف کننده راکتوری است که اندوکتانس بالایی دارد و با روغن خنک می‌شود.

الکترودهای زمین و الکترود خط

نقطه میانی مبدل از طریق الکترود زمین در دو طرف خط انتقال زمین می‌شود. این الکترودها در فاصله بسیار دور (۵ تا ۲۰ کیلومتر) از پست قرار گرفته‌اند. از الکترود خط نیز برای ایجاد ارتباط با الکترودهای زمین استفاده می‌شود. برای کاهش خورندگی گالوانیکی از تشک زمین شبکه فلزی نیز استفاده می‌شود.

خطوط انتقال و کابل‌های انتقال DC

با توجه به نوع سیستم HVDC، تعدادی هادی انتخاب می‌شوند و برای انتقال توان HVDC از ابتدا به انتهای خط به کار می‌روند. در سیستم DC به دلیل عدم وجود فرکانس، هیچ گونه اثر پوستی مشاهده نمی‌شود. در مقایسه با سیستم HVAC اندازه هادی برای توان مشابه کوچک‌تر است.

منبع توان راکتیو

برای عملکرد مبدل به توان راکتیو نیاز است. این توان را می‌توان از طریق بانک خازنی، کندانسور سنکرون یا ایستگاه تولید مناسب در نزدیکی مبدل تأمین کرد. در مورد مبدل کموتاسیون خط، توان راكتیو مورد نیاز بین ۴۰ تا ۶۰ درصد از توان نامی آن است. این تقاضا را می‌توان با ترانسفورماتور مبدل که دارای تپ‌چنجر یا لغزنده زیر بار (On Load) با محدوده مناسبی باشد، کاهش داد. فیلتر هارمونیک مقداری از توان راکتیو را تأمین می‌کند. در مورد مبدل منبع ولتاژ، می‌توان توان راکتیو یا اکتیو را تولید یا جذب کرد. از این رو، به منبع توان راکتیو اضافه نیازی نیست.

پست AC

پست مبدل شامل تجهیزات حفاظتی مختلفی مانند قطع کننده مدار (مدارشکن)، سوئیچ زمین، سوئیچ ایزولاسیون و برقگیر است. از مدارشکن برای محافظت از مبدل‌ها در برابر گرمای بیش از حد استفاده می‌شود. صاعقه‌گیر برای محافظت از پست مبدل در برابر صاعقه روی سیستم AC به کار می‌رود. پست AC همچنین از یک ترانسفورماتور ابزار دقیق برای اندازه‌گیری و همچنین اهداف کنترل و حفاظت تشکیل شده است.

انواع خط انتقال HVDC

با توجه به چیدمان کابل‌های HVDC، خطوط انتقال به چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند.

• سیستم تک‌قطبی (Monopolar)
• سیستم دوقطبی (Bipolar)
• سیستم هم‌قطبی (Homopolar)
• سیستم HVDC پشت به پشت (Back-to-Back)

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱

اینجا کلیک کنید

سیستم HVDC تک قطبی

در این نوع سیستم HVDC، فقط از یک هادی برای برقراری ارتباط بین ابتدا و انتهای خط استفاده می‌شود و از زیر زمین یا آب دریا برای مسیر برگشت استفاده می‌شود. از این رو، هزینه این سیستم در مقایسه با سایر سیستم‌ها کمتر است. اما برای کاربردهای پرمصرف مفید نیست. در سیستم تک‌قطبی، از قطبیت مثبت یا منفی برای انتقال توان استفاده می‌شود. معمولاً قطب منفی در خطوط هوایی مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا تداخل رادیویی در آن کمتر است. نمودار بلوکی این سیستم در شکل زیر نشان داده شده است.

سیستم HVDC دو قطبی

این سیستم در مقایسه با سایر سیستم‌های HVDC بیشترین استفاده را دارد. در یک سیستم HVDC دو قطبی، وجود دو هادی لازم است. یکی از هادی‌ها هدایت‌کننده مثبت و دیگری هدایت‌کننده منفی با همان اندازه، نسبت به زمین، است. از این رو، اختلاف ولتاژ بین هر هادی دو برابر است. از این نوع آرایش سیستم برای انتقال توان در مسافت‌|های طولانی استفاده می‌شود.

در هر انتهای خط از دو مبدل استفاده می‌شود. نقطه خنثی زمین است. بنابراین، هر خط می‌تواند مستقل عمل کند، از این رو، ترکیبی از دو سیستم تک قطبی است. اگر در یک هادی خطا رخ دهد، هادی دوم به طور مداوم توان را انتقال داده و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می‌دهد. در این شرایط، از زمین به عنوان یک مسیر بازگشت استفاده می‌شود و مانند یک سیستم تک قطبی کار می‌کند. هنگامی که خطا رفع شود، سیستم دوباره به عنوان یک سیستم دو قطبی کار می‌کند.

در این نوع سیستم، به طور معمول جریان از طریق زمین برقرار نمی‌شود، اما گاهی اوقات جریان تعادل از زمین عبور خواهد کرد. نمودار مداری این سیستم در شکل زیر نشان داده شده است.

سیستم HVDC هم قطبی

در این نوع سیستم از دو یا چند هادی در یک دکل استفاده می‌شود. قطبیت برای همه هادی‌ها یکسان است و احتمالاً منفی است. برای بازگشت، از مسیر زمین استفاده می‌شود. در این نوع سیستم، تلفات کرونا و تداخل رادیویی بسیار کمتر است.

اگر در یک هادی خطا رخ دهد، هادی دوم انتقال توان را ادامه می‌دهد. در این شرایط، بیش از ۵۰ درصد از ظرفیت توان نامی را می‌توان با اضافه بار بر روی یک هادی انتقال داد. اما این موضوع باعث افزایش تلفات می‌شود. نقطه ضعف اصلی این سیستم جریان برگشت زیاد آن است. نمودار بلوکی این سیستم در شکل زیر نشان داده شده است.

سیستم HVDC پشت به پشت

این سیستم به عنوان سیستم کوپلینگ HVDC نیز شناخته می‌شود، زیرا این سیستم برای اتصال دو سیستم AC در یک مکان استفاده می‌شود. دو مبدل پشت به پشت در یک مکان مشابه وصل می‌شوند و خط انتقالی وجود ندارد. این سیستم برای ایجاد ارتباط متقابل ناهمزمان (آسنکرون) بین دو شبکه AC کنترل شده به صورت مستقل استفاده می‌شود. نمودار بلوکی این سیستم در شکل زیر نشان داده شده است.

مسافت اقتصادی انتقال HVDC

هزینه خط انتقال HVDC در مقایسه با خط انتقال HVAC در صورتی که طول خط بیشتر از مسافت شکست باشد، کمتر است. در این سیستم از مبدل‌ها در هر دو انتهای خط استفاده می‌شود و هزینه مبدل بسیار بالاست. در مورد سیستم انتقال HVAC، پس از یک طول مشخص، به پست‌های زیرزمینی نیاز می‌شود و شبکه جبران کننده واسطه ای برای کیفیت مناسب انرژی لازم است. در مورد خط HVDC، این مؤلفه لازم نیست. اندازه دکل در سیستم HVDC در مقایسه با سیستم HVAC کمتر است. بنابراین، هزینه کلی این سیستم کمتر است.

اما اگر طول خط كوچک باشد، هزینه مبدل افزایش می‌یابد و در این شرایط، سیستم HVDC اقتصادی نیست. بنابراین، برای خطی با مسافت طولانی خط HVDC اقتصادی و برای مسافت کم سیستم HVAC اقتصادی است.

نمودار زیر رابطه بین هزینه و طول خط برای سیستم‌های HVDC و HVAC را نشان می‌دهد. نقطه‌ای که هر دو نمودار از هم تلاقی دارند، به عنوان نقطه شکست شناخته می‌شود.

مزایای استفاده از خط انتقال HVDC

مهم‌ترین مزایای استفاده از خط انتقال HVDC به شرح زیر است:

تعداد هادی‌ها: در خط انتقال HVAC، با توجه به نوع سیستم، چندین هادی (۳، ۴ یا ۶) وجود دارد. اما در مورد خط انتقال HVDC، توان تنها با یک هادی قابل انتقال است و برای انتقال توان زیاد در سیستم HVDC دو قطبی فقط به دو هادی احتیاج دارد. بنابراین هزینه هادی‌ها کاهش می‌یابد.

اندازه دکل: در سیستم HVDC تعدادی هادی کمتر است و فاصله مورد نیاز بین دو فاز و فاز تا زمین در مقایسه با سیستم انتقال HVAC بسیار کمتر است. بنابراین، ابعاد کلی دکل در سیستم HVDC کمتر است و باعث کاهش هزینه آن خواهد شد.

پدیده کرونا: اثر کرونا در هر دو سیستم انتقال HVAC و HVDC وجود دارد. اما در مورد خط HVDC، اثر کرونا در مقایسه با سیستم HVAC بسیار کمتر است.

جریان شارژ: در خط انتقال HVAC به دلیل اختلاف پتانسیل بین دو فاز و فاز به زمین، ظرفیت خازنی تولید می‌شود. به دلیل این ظرفیت خازنی، جریان شارژ از طریق خط می‌گذرد. اما در مورد خط HVDC، ظرفیت خازنی تولید نمی‌شود. بنابراین، هیچ مشکلی در رابطه با شارژ جریان وجود ندارد.

تلفات خط انتقال: به دلیل عدم وجود توان راکتیو در خط HVDC، تلفات در مقایسه با سیستم HVAC کمتر است. بار الکتریکی به طور مساوی در کل سطح مقطع رسانا توزیع می‌شود. از این رو، هیچ اثر پوستی در سیستم HVDC وجود ندارد و مقاومت کمتری نسبت به خط ایجاد می‌شود. این موضوع سبب کاهش تلفات خط شده و راندمان کل سیستم را افزایش می‌دهد.

بارگذاری خط: در سیستم HVAC، زاویه بین ولتاژ و جریان محدودیت حرارتی را تعیین می‌کند. با توجه به اثرات گذرا، خط را می‌توان تا یک سوم درجه حرارت نامی هادی بارگیری کرد. اما در مورد خط DC، اثرات گذرا وجود ندارد و محدودیت حرارتی خط توسط تریستور تعیین می‌شود. بنابراین می‌توان خط را تا حد حرارتی کامل بارگیری کرد.

پایداری و کنترل: در سیستم HVDC می‌توان ولتاژ و جریان را توسط مبدل‌ها و همچنین، جهت و بزرگی پخش توان را با کمک مبدل‌ها کنترل کرد. از این رو، این مورد سبب افزایش پایداری سیستم می‌شود.

تنظیم ولتاژ: تجهیزات جبران‌سازی برای تنظیم ولتاژ مناسب در خط انتقال HVAC استفاده می‌شوند. در این شرایط، ولتاژ سیستم با توجه به بار متغیر است. اما در مورد خط DC از دستگاه‌های جبران‌ساز استفاده نمی‌شود و ولتاژ را می‌توان به طور مستقیم در پست‌های مبدل‌ها کنترل کرد. از کنترل‌کننده‌ها در پست مبدل استفاده می‌شود. بنابراین، در جریان و ولتاژ ثابت کار خواهد کرد و این سیستم نسبت به سیستم HVAC تنظیم ولتاژ بسیار خوبی دارد.

قابلیت اطمینان: اغلب سیستم‌های انتقال DC از نوع دو قطبی بوده و از دو هادی تشکیل شده‌اند. از این رو، در صورت بروز خطا در یک هادی، هادی‌های دیگر به ظرفیت بارگیری ۵۰ درصد ادامه می‌دهند. این امر در سیستم HVAC امکان‌پذیر نیست.

ضریب توان: در حالت DC، ضریب توان در نظر گرفته نمی‌شود. به همین ترتیب، برای خط انتقال HVDC، ضریب توان نخواهیم داشت.

تعداد پست‌های فرعی: به طور متوسط، در هر ۳۰۰ کیلومتر از خط HVAC، به پست برق برای جبران توان راکتیو نیاز است. پست‌های میانی در خط HVDC مورد نیاز نیست و این باعث کاهش هزینه خط می‌شود.

کابل‌های زیرزمینی: طول خط کابل زیرزمینی به دلیل جریان شارژ، اصلی‌ترین محدودیت برای خط HVAC است. اما شارژ در سیستم HVDC وجود ندارد. بنابراین، هیچ محدودیتی برای خط HVDC وجود نخواهد داشت.

اتصال آسنکرون: در یک سیستم قدرت، فرکانس مهمترین پارامتر است. در خط HVAC، اگر بخواهیم دو خط را به هم متصل کنیم، فرکانس دو سیستم باید دقیقاً مطابقت داشته باشند. اگر فرکانس تطبیق نداشته باشد، خطوط به عنوان خطوط ناهماهنگ (آسنکرون) شناخته می‌شوند. اما در مورد سیستم DC، فرکانس وجود ندارد و با این مشکلات مواجه نخواهیم بود.

معایب خط انتقال HVDC

مهم‌ترین معایب خط انتقال HVDC به شرح زیر است:

• مبدل‌ها و فیلترها در هر دو سمت خط انتقال استفاده می‌شوند و هزینه این تجهیزات بسیار بالاست.
• هزینه قطع‌کننده مدار DC در مقایسه با قطع‌کننده مدار AC بسیار بالا است. این فناوری هنوز در دست توسعه است.
• تغییر سطح ولتاژ در سیستم‌های AC توسط ترانسفورماتورها انجام می‌شود، اما تغییر سطح ولتاژ در سیستم‌های DC، به ویژه برای ولتاژ بالا، بسیار دشوار است.
• در شرایط غیرعادی، کنترل مبدل بسیار دشوار است و به دانش و فناوری پیشرفته الکترونیک قدرت نیاز دارد. همچنین، خنک‌کنندگی سوئیچ‌های الکترونیک قدرت در مبدل با مشکل روبه‌رو است.
• مبدل‌ها نمی‌توانند در شرایط اضافه‌بار کار کنند. بنابراین، سیستم نمی‌تواند در شرایط اضافه‌بار کار کند.