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 Συστημάτων Ηλεκτρομανγητική Αλληλεπίδραση Μεταφορά Ηλεκτρικής Ενέργειας με DC 2
Ανάπτυξη των δικτύων μεταφοράς
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
Απώλειες Μεταφοράς UG UL Ptrans Um I sin X 2 P trans Ploss R I R Um 2 P rel P loss Ptrans Ptrans Ptrans Um 2 Αύξηση τάσης μεταφοράς => Μείωση απωλειών 5
Κόστος Μεταφοράς Συνολικό Κόστος Κ g Κόστος απωλειών Κ υ Κόστος εξοπλισμού Κ α Ελάχιστο συνολικό κόστος K min Τάση U opt 6
Κόστος μεταφοράς Κόστος μεταφοράς ανά MVAH ανά 100 km Κόστος μεταφοράς = Κόστος εγκατάστασης + Κόστος απωλειών + Κόστος συντηρήσεως 7
Εξέλιξη Δικτύων Μεταφοράς /1 1891 Γερμανία, 15 kv - Σύνδεση πόλεων. 1952 Σουηδία, 400 kv - Μεταφορά ενέργειας από ΥΗΣ. Έκτοτε υιοθέτηση τάσης 400 kv και στην υπόλοιπη Ευρώπη 1959 Ρωσία, 500 kv 1966 Τυποποίηση επιπέδων τάσεων: Υψηλή Τάση (High Voltage - HV): 115, 132, 138, 150, 161, 220, 230, 275 kv. Υπερυψηλή Τάση (Ultra High Voltage - UHV): 345, 400, 500, 765 kv, 1000 2000 kv (υπό ανάπτυξη) 1985 Ekibastuz Kokshetau, Καζκαστάν HVAC, 1150 kv 2010 Xiangjiaba Shanghai, Κίνα, HVDC, ±800 kv 8
Εξέλιξη Δικτύων Μεταφοράς /2 1150 kv Υπό κατασκευή @ Ινδία 9
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 (ενεργή): 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 (Δανία) Υποθαλάσσιο καλώδιο - μεγαλύτερο μήκος: 580 km, ±450 kv - HVDC (Β. Θάλασσα) Υπόγειο καλώδιο - μεγαλύτερο μήκος: 180 km, 150 kv - HVDC (Αυστραλία) 10
Διασυνδέσεις Συστημάτων
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 στις ζητήσεις φορτίου μεταξύ περιοχών στο 24h Αλληλοϋποστήριξη σε καταστάσεις εκτάκτου ανάγκης (βραχυκυκλώματα, φυσικές καταστροφές, κτλ.) Ενιαία συχνότητα 12
Διασυνδέσεις Βαλκανικής 13
Η Ευρωπαϊκή Ηπειρωτική Διασύνδεση ENTSO-E 14
Το Όραμα του Ευρωπαϊκού super grid Project: North Sea Offshore Grid DESERTEC Medgrid... 15
Παγκόσμιο Supergrid IEEE Spectrum August 2015 16
Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση
ΗΜ στην επιφάνεια της γης Τα γήινα (Η-Μ) πεδία δεν είναι εναλλασσόμενα αλλά συνεχή πεδία Η ένταση του ΗΠ ανέρχεται όταν ο καιρός είναι αίθριος, σε 0,1-0,5 kv/m και σε περίπτωση καταιγίδας σε 3-20 kv/m Η μαγνητική επαγωγή στην επιφάνεια της γης εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος και κυμαίνεται μεταξύ 31 μt και 62 μt 18
Ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο ΓΜ /1 Ηλεκτρικό πεδίο Προκαλείται: Εξαιτίας της διαφοράς δυναμικού (τάσης). Εξαρτάται από γεωμετρία. Ηλεκτρική πεδιακή ένταση Ε: V/m ή kv/m Εύκολη θωράκιση από οικοδομικά υλικά, δέντρα κτλ Μαγνητικό πεδίο Δημιουργείται: εξαιτίας της ροής φορτίου (ρεύματος) Μαγνητική πεδιακή επαγωγή Β: μt ή mg (1μT = 10 mg) Δύσκολη θωράκιση. Διαπερνά τα μη μαγνητικά υλικά. Μόνο χώροι με ειδικά μαγνητικά υλικά. Εξασθενεί όπως και το ΗΠ από την απόσταση της πηγής 19
Ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο ΓΜ /2 Μαγνητικό πεδίο (Β) Ηλεκτρικό πεδίο (Ε) 20
Έκθεση σε ΗΜ πεδία εναέριων γραμμών /2 Εξισώσεις Maxwell Β, Ε αλληλένδετα μεγέθη ELF πχ 50 Hz: Το μαγνητικό και το ηλεκτρικό είναι ανεξάρτητα πεδία. 21
Επίδραση τεχνικών χαρακτηριστικών /1 Απόσταση αγωγών από τη γη Διάταξη φάσεων στις γραμμές διπλού κυκλώματος Απόσταση μεταξύ των ρευματοφόρων αγωγών Τυπικός Πυλώνας Ιστός 22
Επίδραση τεχνικών χαρακτηριστικών /2 Αλληλουχία φάσεων Ηλ. πεδίο Μαγν. πεδίο Συμμετρική διάταξη Βέλτιστη διάταξη 23
Έκθεση σε ΗΜ πεδία υπόγειων συστημάτων Μαγνητικό πεδίο συστήματος τριών μονοπολικών καλωδίων σε οριζόντια διάταξη με συμμετρική φόρτιση 1000 Α Περισσότερες πληροφορίες και στοιχεία: http://www.emfs.info 24
Μεταφορά Ηλεκτρικής Ενέργειας με DC
Μεταφορά ΗΕ με DC Περιορισμοί μεταφοράς ΗΕ σε μεγάλες αποστάσεις με AC Ευστάθεια Μεγάλα ρεύματα διαρροής σε ΥΤ με υπόγεια καλώδια (max 50 km) Πλεονεκτήματα μεταφοράς ΗΕ με DC Ευστάθεια Δεν υπόκειται σε περιορισμούς η μεταφορά ενέργειας Διασύνδεση συστημάτων AC με διαφορετικές συχνότητες Πρώτη σύνδεση: 1954 στη Βαλτική Ελλάδα: 2002, Ελλάδα Ιταλία 270 km (163 υποθ). 26
Χαρακτηριστικά HVDC Συστημάτων Κρίσιμες αποστάσεις πέραν των οποίων είναι πιο συμφέρουσα η χρήσης DC ΓΜ 600-900 km εναέριες 50-100 km υπόγειες 25-50 km υπόθαλάσιες Μειονεκτήματα HVAC Περισσότεροι αγωγοί, μονώσεις Περισσότερες απώλειες (ωμικές, κορώνα) Μεγαλύτερες ηλεκτρικές & μηχανικές απαιτήσεις Οπτική όχληση Αντιστάθμιση Επίδραση ΗΜ πεδίου 27
Three Gorges-Shanghai 30000 MW + 3000 MW HVDC: 2x ±500 kv HVAC: 5x 500 kv HVAC vs. HVDC 28
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 29
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 30
Τύποι ΓΜ HVDC Μονοπολικές Ένας αγωγός με αρνητικό δυναμικό & επιστροφή από τη γη. Διπολικές Δύο αγωγοί. Ενας με θετικό & ένας με αρνητικό δυναμικό Ομοπολικές Δύο ή περισσότεροι αγωγοί ίδιας πολικότητας (αρνητική) & επιστροφή από τη γη 31
Διάρθρωση HVDC Συστημάτων Οι κύριες διατάξεις ενός τυπικού σταθμού μετατροπής: Μετασχηματιστές (1) 5 Μέσο διασύνδεσης Μετατροπείς (2) Φίλτρα (3) Διατάξεις αντιστάθμισης (4) 3 1 2 3 DC αυτεπαγωγές (5) 4 6 Σύστημα ελέγχου (6) Διακόπτες, εκτροπείς υπερτάσεων 32
Μετατροπείς HVDC Συστημάτων /1 Πρόκειται για τριφασικές γέφυρες 6 ή 12 παλμών. φυσικής μεταγωγής: χρησιμοποιούνται συστοιχίες θυρίστορ 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 IGPTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) Αν και η πρώτη περίπτωση μεταγωγής είναι η πιο συνηθισμένη στην πράξη, η τελευταία προσφέρει σχεδόν απόλυτο έλεγχο ροής φορτίου. Η επικοινωνία μεταξύ των μετατροπέων και των συσκευών ελέγχου γίνεται μέσω οπτικών ινών. 33
Μετατροπείς HVDC Συστημάτων /2 34
Φίλτρα HVDC Συστημάτων Η λειτουργία των μετατροπέων έχει ως συνέπεια να εισάγονται αρμονικές τόσο στην AC όσο και στην DC τάση οι οποίες περιορίζονται μέσω φίλτρων. Τα DC φίλτρα είναι μικρότερα και φθηνότερα σε σχέση με τα απαιτούμενα AC, συνήθως 1 2 5 3 Μέσο διασύνδεσης παραλείπονται στα back-to-back 3 συστήματα. 4 6 Τα AC φίλτρα επιπλέον προσφέρουν άεργη ισχύ η οποία αντισταθμίζει μερικώς την άεργη ισχύ που καταναλώνεται κατά τη λειτουργία των μετατροπέων. 35
Διασύνδεση Ελλάδας-Ιταλίας με HVDC Φίλτρο AC Φίλτρο DC 36
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. 4 3 1 2 6 5 3 Μέσο διασύνδεσης 37
Αυτεπαγωγές Εξομάλυνσης HVDC Συστημάτων Χρησιμοποιούνται σε σειρά στην έξοδο των μετατροπέων ως επιπρόσθετα φίλτρα αρμονικών κυρίως για την εξομάλυνση του DC ρεύματος και για τον περιορισμό των παρεμβολών στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας. 5 Μέσο διασύνδεσης Η τάση και το ρεύμα λειτουργίας τους καθορίζεται από το σύστημα. 100-300mH μεγάλες L 30-80mH (back-to-back). 4 3 1 2 6 3 38
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. 4 3 1 2 6 3 39
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) 40
HVDC Διασυνδέσεις στην Ευρώπη 41
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 Β. Παπαδιά, Γραμμές Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας, Εκδόσεις Συμμετρία 42