Συστημάτα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ι

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Συστημάτα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ι"

Μεθόδιος Βέργας
4 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Συστημάτα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ι Γενικά Υπεύθυνος μαθήματος Τομέας Ενεργειακών Συστημάτων Εργαστήριο ΣΗΕ

2 Περιεχόμενα Μαθήματος Εισαγωγικά Ανάπτυξη των Δικτύων Μεταφοράς Διασυνδέσεις Συστημάτων Μεταφορά Ηλεκτρικής Ενέργειας με DC 2

3 Ανάπτυξη των δικτύων μεταφοράς

4 Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα Αύξηση επιπέδου τάσης: Πλεονεκτήματα Αύξηση ικανότητας μεταφοράς ισχύος Μείωση απωλειών Μειονεκτήματα Διηλεκτρικές απώλειες στον αέρα εξαιτίας ιονισμού Αυξημένο κόστος κατασκευής μονωτήρων, μετασχηματιστών, διακοπτών. 4

5 Ευσταθής Λειτουργία ΓΜ Αν P n είναι η Φυσική Ισχύς, τότε η μέγιστη μεταφερομένη ισχύς P max είναι κάποιο ποσοστό της: P max = kp n όπου: P = n U 2 rms Z Φυσική Ισχύς Z = L C Κυματική Αντίσταση, Ω 5

6 Απώλειες Μεταφοράς UG UL Ptrans = Um I = sin X 2 P trans Ploss = R I = R Um 2 P rel P loss = = Ptrans Ptrans R U 2 m Αύξηση τάσης μεταφοράς Μείωση απωλειών 6

7 Μείωση πτώσης τάσης Σε γραμμές μεγάλου μήκους υπάρχει μια ποσοστιαία πτώση τάσεως U που εξαρτάται από την P n 2 U P 1 = U P n όπου το μήκος κύματος ~6000 km 7

8 Κόστος Μεταφοράς Συνολικό Κόστος Κ g Κόστος απωλειών Κ υ Κόστος εξοπλισμού Κ α Ελάχιστο συνολικό κόστος K min Τάση U opt 8

9 Κόστος μεταφοράς Κόστος μεταφοράς ανά MVAh ανά 100 km Κόστος μεταφοράς = συντηρήσεως) Κόστος απωλειών + (Κόστος εγκατάστασης + Κόστος 9

10 Εξέλιξη Δικτύων Μεταφοράς / Γερμανία: 15 kv - Σύνδεση πόλεων Σουηδία: 380 kv - Μεταφορά ενέργειας από ΥΗΣ Ρωσία: 500 kv 1966 Τυποποίηση επιπέδων τάσεων: Υψηλή Τάση (High Voltage - HV): 115, 132, 138, 150, 161, 220, 230, 275 kv. Υπερυψηλή Τάση (Extra High Voltage - EHV): 345, 400, 500, 750 kv Ultra High Voltage - UHV: άνω των 1000 kv 1985 Ekibastuz Kokshetau, Καζκαστάν HVAC, 1150 kv 2010 Yunnan Guangdong, Κίνα, HVDC, ±800 kv 10

11 Εξέλιξη Δικτύων Μεταφοράς / kv Υπό Ινδία 11

12 Γραμμές μεταφοράς - Τα ρεκόρ (2015) Μεγαλύτερη ισχύς: 6.3 GW HVDC Itaipu (Βραζιλία/Παραγουάη) (±600 kv DC) Μεγαλύτερο επίπεδο τάσης (AC): Υπό κατασκευή: 1.20 MV Ινδία Παγκοσμίως: 1.15 MV Καζκστάν Υψηλότεροι πύργοι: Yangtze River Crossing (Κίνα) (ύψος: 345 m) Γραμμή με το μεγαλύτερο μήκος: Δημοκρατία του Κογκό (μήκος: 1700 km) Μεγαλύτερο άνοιγμα: 5376 m (Ameralik Span - Γροιλανδία) Υποθαλάσσιο καλώδιο - μεγαλύτερο μήκος: 580 km, ±450 kv - HVDC (Β. Θάλασσα) Υπόγειο καλώδιο - μεγαλύτερο μήκος: 180 km, 150 kv - HVDC (Αυστραλία) 12

13 Διασυνδέσεις Συστημάτων

14 Οι διασυνδέσεις προσφέρουν ασφάλεια και αξιοπιστία Δυνατότητα εντάξεως μεγαλύτερων και οικονομικότερων μονάδων παραγωγής στο σύστημα Διασυνδέσεις Συστημάτων Μείωση απαιτήσεων εφεδρείας Κάλυψη αναγκών ισχύος με προγραμματισμένες αγοραπωλησίες Οικονομία ισχύος λόγω διαφορών στη ζήτηση φορτίου μεταξύ περιοχών στο 24h Αλληλοϋποστήριξη σε καταστάσεις εκτάκτου ανάγκης (βραχυκυκλώματα, φυσικές καταστροφές, κτλ.) Ενιαία συχνότητα 14

15 Διασυνδέσεις Βαλκανικής 15

16 Η Ευρωπαϊκή Ηπειρωτική Διασύνδεση ENTSO-E 16

17 Το Όραμα του Ευρωπαϊκού super grid Project: North Sea Offshore Grid DESERTEC Medgrid... 17

18 Παγκόσμιο Supergrid IEEE Spectrum August

19 Μεταφορά Ηλεκτρικής Ενέργειας με DC

20 Γιατί DC; Εφαρμογές Υποβρύχιες διασυνδέσεις μήκους άνω των 25 km. Η μεταφορά με AC δεν είναι τεχνοοικονομικά συμφέρουσα για αυτές τις αποστάσεις, εξαιτίας της μεγάλης χωρητικότητας που παρουσιάζει το καλώδιο και έτσι απαιτούνται ενδιάμεσοι σταθμοί αντιστάθμισης Ασύγχρονη σύνδεση συστημάτων AC. Η σύνδεση με γραμμές AC δεν είναι εφικτή, εξαιτίας προβλημάτων ευστάθειας του συστήματος ή λόγω διαφοράς στη συχνότητα των δύο συστημάτων. Μεταφορά μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις με εναέριες ΓΜ. Η μεταφορά με DC υψηλής τάσης είναι ανταγωνιστική της μεταφοράς με AC για αποστάσεις άνω των 600 km. 20

21 HVDC: HVAC: Μεταφερόμενη ισχύς και απώλειες /1 P U I Up P= 3 Iac cos 2 = 2 p dc Ploss dc 2 P trans ac 3 = cos 4 Η διαφορά αυτή γίνεται ακόμα μεγαλύτερη αν ληφθεί υπόψη η μεγαλύτερη αντίσταση των αγωγών υπό HVAC Αν δύο δίκτυα HVAC και HVDC μεταφέρουν ίση ισχύ, υπό ίση μέγιστη τάση και απώλειες, ο λόγος των διατομών είναι: Αν δύο δίκτυα HVAC και HVDC χρησιμοποιούν αγωγούς ίδιας διατομής, με ίσο ρεύμα και τάση, ο λόγος της μεταφερόμενης ισχύος είναι: A 2 dc cos A = ac 2 P dc 2 P = cos ac 21

22 Μεταφερόμενη ισχύς και απώλειες /2 Επομένως: Ένα HVDC δίκτυο μεταφοράς μπορεί να μεταφέρει περισσότερη ισχύ ανά αγωγό Για την ίδια δυνατότητα μεταφερόμενης ισχύος παρουσιάζει μικρότερες απώλειες σε σχέση με ένα HVAC δίκτυο μεταφοράς Πρέπει όμως να ληφθούν υπόψη και οι τερματικοί σταθμοί 22

23 Χαρακτηριστικά HVDC Συστημάτων Απώλειες ισχύος γραμμών μεταφοράς συναρτήσει της απόστασης (για ίδια τάση και ισχύ μεταφοράς) Κόστη εγκατάστασης συστημάτων μεταφοράς συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς 23

24 Κρίσιμες αποστάσεις πέραν των οποίων είναι πιο συμφέρουσα λόγω κόστους η χρήσης DC ΓΜ: Κρίσιμες αποστάσεις km εναέριες (HVAC περιορισμός: λόγω απωλειών) km υπόγειες (HVAC περιορισμός: λόγω αντιστάθμισης) 25-50km υποθαλάσσιες (HVAC περιορισμός: λόγω αντιστάθμισης) 24

25 HVAC vs. HVDC /1 Μειονεκτήματα HVAC Περιορισμοί μεταφοράς ΗΕ σε μεγάλες αποστάσεις με AC Ευστάθεια Μεγάλα ρεύματα διαρροής σε ΥΤ με υπόγεια (max 50 km) ή υποθαλάσσια καλώδια Περισσότεροι αγωγοί, μονώσεις Μεγαλύτερες ηλεκτρικές & μηχανικές απαιτήσεις Οπτική όχληση Αντιστάθμιση Περισσότερες απώλειες ωμικές και κορώνα (σε συνθήκες βροχής ή πάγου) Επίδραση ΗΜ πεδίου 25

26 Πλεονεκτήματα HVDC HVAC vs. HVDC /2 Δεν υπόκειται σε περιορισμούς η μεταφορά ενέργειας Μικρότερα προβλήματα ευστάθειας Διασύνδεση συστημάτων AC με διαφορετικές συχνότητες ή εξαιτίας προβλημάτων αστάθειας Πρώτη σύνδεση: 1954 στη Βαλτική Ελλάδα: 2002, Ελλάδα Ιταλία 270 km (163 υποθ). 26

27 Κατηγοριοποίηση HVDC Συστημάτων Ένα HVDC σύστημα μεταφοράς συνδέει μέσω DC διασύνδεσης HVAC συστήματα. Γειτονικά AC AC back-to-back διασύνδεση: απευθείας συνδεδεμένοι οι μετατροπείς back-to-back Μέσο διασύνδεσης Απομακρυσμένα Μονοπολική διασύνδεση Διπολική-Ομοπολική διασύνδεση Πολυτερματική διασύνδεση AC AC Μέσο διασύνδεσης μονοπολική διασύνδεση διπολική διασύνδεση AC AC 27

Ένας με θετικό & ένας με αρνητικό δυναμικό Ομοπολική διασύνδεση

28 Μονοπολική διασύνδεση Ένας αγωγός με αρνητικό δυναμικό & επιστροφή από τη γη. Διπολική διασύνδεση Δύο αγωγοί. Ένας με θετικό & ένας με αρνητικό δυναμικό Ομοπολική διασύνδεση Τύποι ΓΜ HVDC Δύο ή περισσότεροι αγωγοί ίδιας πολικότητας (αρνητική) & επιστροφή από τη γη 28

29 Διάρθρωση HVDC Συστημάτων Οι κύριες διατάξεις ενός τυπικού σταθμού μετατροπής: Μετασχηματιστές (1) 5 Μέσο διασύνδεσης Μετατροπείς (2) Φίλτρα (3) Διατάξεις αντιστάθμισης (4) DC αυτεπαγωγές (5) 4 6 Σύστημα ελέγχου (6) Διακόπτες, εκτροπείς υπερτάσεων 29

30 Μετατροπείς HVDC Συστημάτων /1 Πρόκειται για τριφασικές γέφυρες 6 ή 12 παλμών. φυσικής μεταγωγής: χρησιμοποιούνται συστοιχίες θυρίστορ (Current Source Converters) μεταγωγής μέσω πυκνωτών (Capacitor Commutated Converters): παρεμβάλλονται πυκνωτές σε σειρά μεταξύ των μετασχηματιστών και των μετατροπέων εξαναγκασμένης μεταγωγής (Voltage Source Converters): χρησιμοποιούνται GTOs (Gate Turn-Off Thyristor) ή IGΒTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) Η πρώτη περίπτωση μεταγωγής είναι η πιο συνηθισμένη στην πράξη. Η τελευταία προσφέρει όμως σχεδόν απόλυτο έλεγχο ροής φορτίου. 30

31 Μετατροπείς HVDC Συστημάτων /2 31

32 Φίλτρα HVDC Συστημάτων Η λειτουργία των μετατροπέων έχει ως συνέπεια να εισάγονται αρμονικές τόσο στην AC όσο και στην DC πλευρά, οι οποίες περιορίζονται μέσω φίλτρων. Τα DC φίλτρα είναι μικρότερα και φθηνότερα σε σχέση με τα απαιτούμενα AC, συνήθως παραλείπονται στα back-to-back συστήματα Μέσο διασύνδεσης Τα AC φίλτρα επιπλέον προσφέρουν άεργη ισχύ η οποία αντισταθμίζει μερικώς την άεργη ισχύ που καταναλώνεται κατά τη λειτουργία των μετατροπέων. 32

33 Διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας με HVDC Φίλτρο AC Φίλτρο DC 33

34 Πυκνωτές Αντιστάθμισης HVDC Συστημάτων Για την πλήρη αντιστάθμιση της άεργου ισχύος χρησιμοποιούνται πυκνωτές αντιστάθμισης (4). Στην περίπτωση μετατροπέων μεταγωγής μέσω πυκνωτών οι ίδιοι πυκνωτές αποτελούν και τους πυκνωτές αντιστάθμισης. Ο υποσταθμός μετατροπής γίνεται απλούστερος και μικρότερος σε διαστάσεις Μέσο διασύνδεσης 34

35 Χρησιμοποιούνται σε σειρά στην έξοδο των μετατροπέων ως επιπρόσθετα φίλτρα αρμονικών κυρίως για: την εξομάλυνση του DC ρεύματος περιορισμό των παρεμβολών στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας (EMI). Αυτεπαγωγές Εξομάλυνσης HVDC Συστημάτων 5 Μέσο διασύνδεσης Η τάση και το ρεύμα λειτουργίας τους καθορίζεται από το σύστημα mh μεγάλες L mh (back-to-back)

36 Σύστημα Ελέγχου HVDC Συστημάτων Το σύστημα ελέγχου μέσω εξελιγμένων ηλεκτρονικών διατάξεων ελέγχει τους μετατροπείς και ρυθμίζει την έξοδο των Μ/Σ ώστε να επιτυγχάνεται ο κατάλληλος συνδυασμός τάσης και ρεύματος στο DC σύστημα. 5 Μέσο διασύνδεσης Τα συστήματα ελέγχου στα δύο άκρα της HVDC διασύνδεσης επικοινωνούν μεταξύ τους ασύρματα

37 Περιορισμένη χρήση DC Δυσκολία κατασκευής συσκευών διακοπτικής λειτουργίας και προστασίας όπως στο AC Δυσκολία κατασκευής συσκευής μεταβολής επιπέδου τάσης όπως ο ΜΣ Πρώτοι αξιόπιστοι διακόπτες ισχύος: 2012 HVDC Διακόπτης Ισχύος 1.2 MV, Siemens 37

38 HVDC Διασύνδεση Ελλάδας - Ιταλίας Μονοπολική (400 kv) 43 km υπόγειο καλώδιο 163 km υποθαλάσσιο καλώδιο 110 km ενάερια γραμμή Εναέρια HVDC Γραμμή (Διασύνδεση Ελλάδας Ιταλίας) 38

39 Τεχνολογική εξέλιξη HVDC

40 Οι μεγαλύτερες HVDC ΓΜ Jinping Sunan (Κίνα): ± 800 kv, 7200 MW, 2100 km Xiangjiaba Shanghai (Κίνα): ± 800 kv, 6400 MW, 2071 km Xiluodo Guangdong (Κίνα): ± 500 kv, 6400 MW, 1286 km Yunnan Guangdong (Κίνα): ± 800 kv, 5000 MW, 1418 km Ningxia Shandong (Κίνα): ± 660 kv, 4000 MW, 1348 km Itaipu 2 (Βραζιλία): ± 600 kv, 3150 MW, 805 km Itaipu 1 (Βραζιλία): ± 600 kv, 3150 MW, 785 km Pacific DC Intertie (ΗΠΑ): ± 500 kv, 3100 MW, 1362 km Three Gorges Changzhou (Κίνα): ± 500 kv, 3000 MW, 860 km Guizhou Guangdong I (Κίνα): ± 500 kv, 3000 MW, 980 km 40

41 HVDC Διασυνδέσεις στην Ευρώπη 41

42 HVDC Διασυνδέσεις ανά τον κόσμο 42

43 Πηγές - Αναφορές Θ. Παπαδόπουλος, Παρουσιάσεις στο μάθημα Τεχνολογία Υψηλών Τάσεων, ΤΗΜ ΤΕ, ΤΕΙ Δ. Μακεδονίας Π.Ν. Μικρόπουλος, Σημειώσεις μαθήματος Υψηλών Τάσεων Ι-ΙV, ΤΗΜΜΥ, ΑΠΘ Π. Σ. Γεωργιλάκης, Σύγχρονα συστήματα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, ΕΑΗΣΒ Β. Παπαδιά, Γραμμές Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας, Εκδόσεις Συμμετρία 43

Σχετικά έγγραφα

Συστημάτα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ι

Συστημάτα Ηλεκτρικής Ενέργειας Ι Γενικά Υπεύθυνος μαθήματος thpapad@ee.duth.gr Τομέας Ενεργειακών Συστημάτων Εργαστήριο ΣΗΕ Περιεχόμενα Μαθήματος Εισαγωγικά Μαθήματος Ανάπτυξη των Δικτύων Μεταφοράς Διασυνδέσεις