HVDC چیست؟ – به زبان ساده
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.
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
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 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
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.
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.
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
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
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)
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
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
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.
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.
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.
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.
مطالب مجله فرادرس را در جستجوی گوگل سریع‌تر ببینید
سلام وقت بخیر مطالبتان خیلی عالی بود اگه میشه مطالب رو در یک فایل pdf ارسال کنید ممنون میشم.
مطلب بسیار عالی بود ممنون از شما ولی مشکلی که داشتم عکس ها بود که نتوانستم به دلایلی ببینم بنابراین خیلی عالی تر می‌شد اگر فایل pdf نیز داشت
عرض سلام و تشکر از زحمات مفیدتون
برای خط DC چین نوشته اید ولتاژ 11 کیلوولت… اما خط انتقال HVDC چین 1100 کیلوولت است. لطفا اصلاح بفرمایید.
تشکر
سلام، وقت شما بخیر؛
این بخش از مطلب مطابق کامنت شما و پس از بررسی منابع مرتبط اصلاح شده است.
از همراهی و توجه شما بسیار سپاسگزاریم.
سلام
بابت این مطلب مفیدتون تشکر میکنم
میخواستم اگه امکانش هست راجبه خطوط انتقال hvdc چندتا مرجع یا کتاب مفید معرفی کنید
ممنون
سلام مجید گرامی.
می‌توانید از منابع زیر استفاده کنید:
K.R. Padiyar, HVDC Power Transmission Systems Technology and System
Interactions, Tata Mc Graw Hill, 1990
J. Arrillaga, High Voltage Direct Current Transmission, 2nd edition, IEE, 1998
E.W. Kimbark, Direct Current Transmission, Vol.1, John Wiley, 1971
N.G. Hingorani, L. Gyugyi, Understanding FACTS: Concepts and Technology of
Flexible AC Transmission Systems, IEEE, 2000
Y.H. Song, A.T. Johns, Flexible AC Transmission Systems (FACTS), IEE, 1999
P. Kundur, Power System Stability and Control, McGraw Hill, 1994
شاد باشید.
سلام خسته نباشید در محیط آزمایشگاه برای داشتن ولتاژ فشار قوی dc از چه دستگاهی استفاده میکنند
یکی از راه‌های تولید ولتاژ بالا در آزمایشگاه فشار قوی استفاده از مدارهای ضرب‌کننده ولتاژ است. برای آشنایی با این مدارها پیشنهاد می‌کنیم به آموزش «مدار ضرب کننده ولتاژ — از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)» مراجعه کنید.
سالم و سربلند باشید.