HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Πανεπιστημιακές παραδόσεις ΠΑΝΤΕΛΗΣ Ν. ΜΙΚΡΟΠΟΥΛΟΣ Επίκουρος Καθηγητής ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 005

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. Εισαγωγή... 5 1.1. Εξέλιξη των HVDC συστημάτων μεταφοράς... 5 1.. Κατηγοριοποίηση των HVDC συστημάτων μεταφοράς... 6. Διάρθρωση των HVDC συστημάτων μεταφοράς... 9 3. Σύγκριση μεταξύ HVAC και HVDC συστημάτων μεταφοράς... 11 3.1. Μεταφερόμενη ισχύς και απώλειες... 11 3.. Κόστη εγκατάστασης συστημάτων μεταφοράς... 13 3.3. Απώλειες κορώνα γραμμών μεταφοράς... 14 3.4. Υπόγεια ή υποθαλάσσια μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας... 14 3.5. Διασύνδεση ασύγχρονων HVAC δικτύων μεταφοράς... 15 3.6. Έλεγχος ροής φορτίου... 15 3.7. Επίδραση στην ισχύ βραχυκύκλωσης του δικτύου... 15 3.8. Άλλες διαφορές... 15 4. Βιβλιογραφία... 17

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Εξέλιξη των HVDC συστημάτων μεταφοράς Η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας ξεκίνησε γύρω στο 1880 χρησιμοποιώντας συνεχή τάση. Αργότερα με την ανάπτυξη των μετασχηματιστών, των μηχανών, των σύγχρονων γεννητριών καθώς και των μέσων για την μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή, όποτε απαιτείτο, η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μέσω εναλλασσόμενης υψηλής τάσης (HVAC) αντικατέστησε γρήγορα τη μεταφορά μέσω συνεχούς υψηλής τάσης (HVDC). Ωστόσο, η εξέλιξη των ηλεκτρονικών ισχύος φανέρωσε νέες δυνατότητες για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας μέσω HVDC. Το 1951, ένα πειραματικό HVDC σύστημα μεταφοράς 30 MW τέθηκε σε λειτουργία στη Σοβιετική Ένωση. Η HVDC τεχνολογία εφαρμόστηκε για εμπορικούς σκοπούς αρχικά στην υποθαλάσσια μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Η πρώτη σημαντική συνεισφορά στην ιδέα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσω HVDC υπήρξε το Gotland project στη Σουηδία. Το έργο τέθηκε σε λειτουργία το 1954 ως το πρώτο στον κόσμο HVDC σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας εμπορικής εμπορικής εκμετάλλευσης. εκμετάλλευσης. Είχε δυνατότητα μεταφοράς ισχύος 0 MW υπό τάση Είχε δυνατότητα μεταφοράς ισχύος 0 MW υπό τάση 10 8 Ανάστροφη τάση λειτουργίας 100 kv και αποτελείτο από Ρεύμα ένα απλό καλώδιο μήκους 96 km με επιστροφή μέσω θαλάσσης. Σημαντικό έργο 6 8 στην καθιέρωση της HVDC μεταφοράς Ανάστροφη τάση, kv αποτέλεσε η διασύνδεση ασύγχρονων HVAC δικτύων μεταφοράς στην Ιαπωνία 6 το 1965, 300 MW, ± 15 kv, 50/60Hz. Είναι 4 σημαντικό να διαπιστωθεί ότι στις δύο 4 παραπάνω περιπτώσεις η μεταφορά ε- νέργειας υπό HVAC δεν είναι τεχνοοικονομικά συμφέρουσα ή τεχνολογικά εφικτή. Αρχικά, η HVDC τεχνολογία χρησιμοποιούσε ανορθωτές ατμών υδραργύρου οι οποίοι αργότερα αντικαταστάθηκαν από τα θυρίστορ που εφευρέθηκαν το 1958. 0 1970 1980 1990 000 0 010 Έκτοτε, η αλματώδης τεχνολογική ανά- Σχήμα 1: Εξέλιξη στα χαρακτηριστικά των θυρίστορ 1. πτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος (σχ. 1) έδωσε την δυνατότητα HVDC μεταφοράς υπό πολύ υ- Ρεύμα, ka 1 High Voltage Direct Current Transmission - roven technology for power exchange, http://www.siemens.com/pdt

6 HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ψηλότερες τάσεις λειτουργίας. Από το 1995, μέσω των LTT (Light Triggered Thyristor), υπάρχει η δυνατότητα χρήσης θυρίστορ ανάστροφης τάσης 8 kv που μπορούν να φέρουν ρεύμα 4 ka DC. Τα θυρίστορ αυτά ελέγχονται μέσω οπτικών ινών, η μετάβαση συμβαίνει με σκανδαλισμό μέσω φωτονίων υπό πολύ χαμηλή απαιτούμενη ενέργεια και όχι μέσω ηλεκτρονίων (ρεύματος) που απαιτεί βοηθητικά ηλεκτρονικά κυκλώματα ελέγχου και τροφοδοσίας. Το πρώτο HVDC σύστημα μεταφοράς με τάση λειτουργίας μεγαλύτερης των 500 kv ήταν το έργο Cabora Bassa, διασύνδεση μεταξύ Μοζαμβίκης και Ν. Αφρικής, (± 53 kv, 190 MW, 1456 km) που τέθηκε σε λειτουργία το 1979. Συγκρίσιμου μεγέθους έργο είναι το East-South Interconnection, διασύνδεση ασύγχρονων HVAC δικτύων στην Ινδία, (± 500 kv, 000 MW, 1450 km), που τέθηκε σε λειτουργία το 003. Χαρακτηριστική συνέπεια της τεχνολογικής ανάπτυξης των θυρίστορ αποτελεί το γεγονός ότι στο πρώτο έργο χρησιμοποιούνται 48384 θυρίστορ 1.65 και.5 kv ενώ στο δεύτερο μόνο 3888 θυρίστορ 8 kv. Επί του παρόντος, η υψηλότερη τιμή τάσης λειτουργίας HVDC συστήματος μεταφοράς η- λεκτρικής ενέργειας είναι ± 600 kv, χρησιμοποιείται στην 800 km διασύνδεση μεταξύ Βραζιλίας και Παραγουάης με δυνατότητα μεταφοράς ισχύος 6300 MW και λειτουργεί από το 1984. Σήμερα, ένα HVDC σύστημα μεταφοράς ισχύος υπό ± 800 kv θεωρείται ότι είναι τεχνολογικά εφικτό. Το σχήμα παρουσιάζει τις επενδύσεις σε HVDC συστήματα μεταφοράς υπό τάση λειτουργίας μεγαλύτερης των ± 500 kv. Υπήρξαν Σχήμα : Επενδύσεις σε HVDC συστήματα μεταφοράς. σημαντικές επενδύσεις τη δεκαετία του 1980 ενώ από το 000 υπήρξαν σημαντικές επενδύσεις σε έργα μεγάλης ικανότητας μεταφερόμενης ισχύος. 1.. Κατηγοριοποίηση των HVDC συστημάτων μεταφοράς Η κύρια εφαρμογή της HVDC τεχνολογίας είναι η διασύνδεση HVAC συστημάτων μεταφοράς τα οποία μπορεί να είναι γειτονικά ή απομακρυσμένα μεταξύ τους. Στην περίπτωση δύο γειτονικών HVAC συστημάτων η DC διασύνδεση γίνεται μέσω των σταθμών μετατροπής οι οποίοι βρίσκονται στον ίδιο υποσταθμό. Τα HVAC συστήματα μπορεί να είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους με διαφορετικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά λειτουργίας όπως συχνότητα, τάση, ισχύ βραχυκύκλωσης. Το σύστημα αυτό μεταφοράς ονομάζεται back-to- Asplund G., Astrom U. and D. Wu.: Advandage of HVDC transmission at 800 kv. 14th International Symposium on High Voltage Engineering, 005, Beijing, China, Keynote lecture.

Εισαγωγή 7 back (σχ. 3α) και τα κυριότερα πλεονεκτήματά του είναι η δυνατότητα διασύνδεσης δύο ασύγχρονων HVAC συστημάτων καθώς και η ταχύτατη και πλήρως ελεγχόμενη ροή φορτίου. Στην περίπτωση διασύνδεσης δύο απομακρυσμένων HVAC συστημάτων η DC διασύνδεση μπορεί να γίνει μέσω εναέριας γραμμής μεταφοράς ή μέσω καλωδίου. Στην πράξη συνήθως χρησιμοποιούνται δύο HVDC διασυνδέσεις η μονοπολική και η διπολική. Κατά την μονοπολική διασύνδεση (σχ. 3β) υπάρχει μόνο ένας αγωγός και η γη, έ- δαφος ή θάλασσα, ή ένας αγωγός χαμηλής AC AC τάσης χρησιμοποιείται ως επιστροφή. Η διασύνδεση συνήθως λειτουργεί με τάση αρνητικής πολικότητας επειδή υπάρχουν λιγότερες απώλειες κορώνα και περιορίζονται τα ραδιοφωνικά παράσιτα. Ωστόσο, τμήμα του ρεύματος επιστροφής μπορεί να ρέει και σε γειτονικές μεταλλικές κατασκευές, όπως σωλήνες ύδρευσης ή φυσικού αερίου, και να επισπεύσει με τον τρόπο αυτό τη διάβρωσή τους. Ακόμη, το μαγνητικό πεδίο μπορεί να προκαλέσει παρεμβολές σε ευαίσθητες ηλεκτρονικές συσκευές στη γειτονιά του καλωδίου ή να επηρεάσει έμβιους οργανισμούς που βρίσκονται στην περιοχή του. Για τους λόγους αυτούς σε πολλές χώρες η μονοπολική διασύνδεση με επιστροφή το έδαφος δεν επιτρέπεται. AC AC α. back-to-back διασύνδεση Μέσο διασύνδεσης β. μονοπολική διασύνδεση Μέσο διασύνδεσης AC AC Οι διπολικές διασυνδέσεις (σχ. 3γ) χρησιμοποιούν δύο αγωγούς, ο ένας αγωγός γ. διπολική διασύνδεση λειτουργεί με τάση θετικής πολικότητας και ο άλλος με τάση αρνητικής πολικότητας. Το Σχήμα 3: Κατηγοριοποίηση των HVDC συστημάτων μεταφοράς σημείο σύνδεσης ανάμεσα στους δύο σταθμούς μετατροπής μπορεί να γειωθεί στο ένα ή και στα δύο τέρματα των γραμμών. Η γη κατά κανόνα δε φέρει ρεύμα ωστόσο, εάν και τα δύο τέρματα είναι γειωμένα κάθε διασύνδεση μπορεί να λειτουργήσει ανεξάρτητα ως μονοπολική εάν αυτό κριθεί απαραίτητο π.χ. σε περίπτωση σφάλματος. Εναλλακτικά μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας αγωγός χαμηλής τάσης ως αγωγός επιστροφής στην περίπτωση συνεχούς μονοπολικής λειτουργίας. Η διπολική διασύνδεση είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη λόγω της υψηλής αξιοπιστίας της και της απουσίας ρευμάτων επιστροφής μέσω γης. Μονοπολική διασύνδεση προτιμάται στα back-to-back συστήματα όπου οι μετατροπείς βρίσκονται στον ίδιο χώρο και δεν απαιτείται χρήση εναέριας γραμμής μεταφοράς ή καλωδίου. Σπάνια χρησιμοποιείται HVDC διασύνδεση περισσοτέρων από δύο HVAC συστημάτων (πολύ-τερματική HVDC μεταφορά). Στην περί-

8 HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ πτωση αυτή το σύστημα γίνεται πολύπλοκο και οι απαιτήσεις ελέγχου και επικοινωνίας μεταξύ των σταθμών είναι ιδιαίτερα αυξημένες.

. ΔΙΑΡΘΡΩΣΗ ΤΩΝ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Ένα HVDC σύστημα μεταφοράς αποτελείται από τους σταθμούς μετατροπής στα δύο άκρας της διασύνδεσης και το μέσο διασύνδεσης. Το μέσο διασύνδεσης στην περίπτωση διασύνδεσης απομακρυσμένων HVAC συστημάτων μπορεί να είναι HVDC εναέρια γραμμή μεταφοράς ή καλώδιο ενώ στην περίπτωση back-to-back συστήματος παραλείπεται αφού οι σταθμοί μετατροπής διασυνδέονται εντός του ιδίου υποσταθμού. Οι σταθμοί μετατροπής στα δύο άκρα της διασύνδεσης είναι πανομοιότυποι και συμπεριλαμβάνουν όλες τις διατάξεις που απαιτούνται για την μετατροπή AC σε DC και αντίστροφα. Γενικότερα, η τοπολογία ενός σταθμού μετατροπής διαμορφώνεται ανάλογα με τις ανάγκες του έργου. 5 Μέσο 1 3 3 4 6 Σχήμα 4: Μονογραμμικό διάγραμμα τυπικού σταθμού μετατροπής. 1. Μετασχηματιστές,. Μετατροπείς, 3.Φίλτρα 4. Πυκνωτές αντιστάθμισης, 5. Αυτεπαγωγές, 6. Σύστημα ελέγχου Οι κύριες διατάξεις ενός τυπικού σταθμού μετατροπής (σχ. 4) είναι: Μετασχηματιστές, συνήθως είναι μονοφασικοί και μετατρέποντας την HVAC τροφοδοτούν τους μετατροπείς. Για να εξασφαλιστεί η κατάλληλη λειτουργία των μετατροπέων, απαιτούνται συνήθως δύο παραλληλισμένοι μετασχηματιστές συνδεσμολογίας Υ-Υ και Υ-Δ με γειωμένο ουδέτερο στην HVAC μεριά. Για μετατροπείς 1 παλμών απαιτούνται μετασχηματιστές συνδεσμολογιών Υy0 και Yd5. Οι HVDC μετασχηματιστές διαφέρουν από τους κοινούς μετασχηματιστές ισχύος λόγω των διαφορετικών συνθηκών λειτουργίας τους όπως συνδυασμένες AC και DC καταπονήσεις, ρεύμα λειτουργίας με υψηλό περιεχόμενο αρμονικών συνιστωσών και DC μαγνήτιση του πυρήνα. Οι μονώσεις των τυλιγμάτων τους στη μεριά των μετατροπέων πρέπει να αντέ-

10 HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ χουν σε συνδυασμένες AC και DC καταπονήσεις καθώς και σε τυχόν ατμοσφαιρικές υπερτάσεις ή υπερτάσεις λόγω χειρισμών. Ακόμη, το υψηλό περιεχόμενο αρμονικών συνιστωσών του ρεύματος λειτουργίας έχει ως συνέπεια να παρατηρούνται αυξημένες απώλειες στα τυλίγματα καθώς και σε άλλα δομικά στοιχεία, απώλειες δυνορευμάτων λόγω αρμονικών. Μετατροπείς, πρόκειται για τριφασικές γέφυρες 6 ή 1 παλμών. Μπορεί να είναι φυσικής μεταγωγής οπότε χρησιμοποιούνται συστοιχίες θυρίστορ, μεταγωγής μέσω πυκνωτών (Capacitor Commutated Converters) όπου παρεμβάλλονται πυκνωτές σε σειρά μεταξύ των μετασχηματιστών και των μετατροπέων, ή και εξαναγκασμένης μεταγωγής (Voltage Source Converters) όπου χρησιμοποιούνται GTOs (Gate Turn-Off Thyristor) ή IGTs (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. Φίλτρα, 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 παραλείπονται στα back-toback συστήματα. Τα AC φίλτρα επιπλέον προσφέρουν άεργη ισχύ η οποία αντισταθμίζει μερικώς την άεργη ισχύ που καταναλώνεται κατά τη λειτουργία των μετατροπέων. Για την πλήρη αντιστάθμιση της άεργου ισχύος χρησιμοποιούνται πυκνωτές αντιστάθμισης. Στην περίπτωση μετατροπέων μεταγωγής μέσω πυκνωτών οι ίδιοι πυκνωτές μεταγωγής χρησιμοποιούνται και ως πυκνωτές αντιστάθμισης με συνέπεια ο υποσταθμός μετατροπής να γίνεται απλούστερος και μικρότερος σε διαστάσεις. Στην περίπτωση μετατροπέων εξαναγκασμένης μεταγωγής το μέγεθος των φίλτρων περιορίζεται σημαντικά ενώ δεν απαιτείται αντιστάθμιση άεργου ισχύος. Αυτεπαγωγές εξομάλυνσης, 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. Η τάση και το ρεύμα λειτουργίας τους καθορίζεται από το σύστημα ενώ τυπικές τιμές τους αποτελούν 100-300mH για HVDC διασυνδέσεις μεγάλων αποστάσεων και 30-80mH για back-to-back διασυνδέσεις. Οι μονώσεις τους μπορεί να είναι αέρας (ξηρού τύπου) ή έλαια. Συγκρίνοντας τις αυτεπαγωγές εξομάλυνσης ξηρού τύπου με αυτές με μονωτικά έλαια οι τελευταίες είναι ακριβότερες, μικρότερες σε μέγεθος και συνιστώνται σε περιοχές υψηλής σεισμικής δραστηριότητας. Σύστημα ελέγχου, μέσω εξελιγμένων ηλεκτρονικών διατάξεων ελέγχει τους μετατροπείς και ρυθμίζει την έξοδο των μετασχηματιστών ώστε να επιτυγχάνεται ο κατάλληλος συνδυασμός τάσης και ρεύματος στο DC σύστημα. Τα συστήματα ελέγχου στα δύο άκρα της HVDC διασύνδεσης επικοινωνούν μεταξύ τους ασύρματα. Εκτροπείς υπερτάσεων, χρησιμοποιούνται και στους δύο τερματικούς σταθμούς για την προστασία του εξοπλισμού από υπερτάσεις. Ειδικότερα, προστατεύονται οι ζυγοί HVAC, τα AC φίλτρα, οι μετατροπείς στην είσοδο και έξοδο τους, οι ζυγοί HVDC και τα DC φίλτρα καθώς και ο αγωγός επιστροφής ή ο ουδέτερος του συστήματος.

3. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ HVAC ΚΑΙ HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Η σύγκριση μεταξύ των HVAC και HVDC συστημάτων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι απλή. Η επιλογή του ενός ή του άλλου συστήματος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας καθορίζεται από πολλούς παράγοντες οι οποίοι είναι συνάρτηση των απαιτήσεων, ηλεκτρικών και μηχανικών, του κάθε έργου. Οι κυριότερες διαφορές ανάμεσα στα δύο συστήματα μεταφοράς μπορούν να προκύψουν από την παρακάτω ανάλυση: 3.1. Μεταφερόμενη ισχύς και απώλειες Οι δυνατότητες μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας των HVAC και HVDC γραμμών μεταφοράς είναι διαφορετικές. Έστω ένα τριφασικό HVAC δίκτυο μεταφοράς απλού κυκλώματος και ένα διπολικό HVDC δίκτυο μεταφοράς που μεταφέρουν ίση ισχύ () υπό ίση μέγιστη τάση (U p ) χρησιμοποιώντας αγωγούς ίσης διατομής (αντίστασης R) τότε η μεταφερόμενη ισχύς θα δίδεται από τις σχέσεις: HVDC δίκτυο: = U p I. HVAC δίκτυο: U 3 p I = ac cosφ Εξισώνοντας προκύπτει: I ac = I = 0. 943 I 3cosφ. cosϕ Οι απώλειες ισχύος ( ) για τα δύο δίκτυα υπολογίζονται από τις σχέσεις: HVDC δίκτυο: = I R HVAC δίκτυο: Επομένως ( 3 cos ϕ ) = 3 I ac R ac. R = 3 = 4. ac I R = 8 3cosϕ 3cos I ϕ Η διαφορά στις απώλειες ισχύος είναι ακόμη μεγαλύτερη εάν ληφθεί υπόψη στην ανάλυση η μεγαλύτερη αντίσταση των αγωγών υπό HVAC. Στην περίπτωση που τα δύο δίκτυα μεταφέρουν ίση ισχύ (), υπό ίση μέγιστη τάση στην ίδια απόσταση (L) με ίσες απώλειες, εάν R, A και R ac, A ac είναι οι αντιστάσεις και οι διατομές των αγωγών των HVDC και HVAC γραμμών αντίστοιχα, τότε:

1 HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ HVDC δίκτυο: HVAC δίκτυο: U I = και = ( U ) R = ( U ) ( ρl ) I ac = p p = ( U ) cosϕ U p cosϕ p και p A [ ( U cosϕ) ] R = ( U ) ( ρl A cos ϕ) = p ac p ac. Εξισώνοντας τις απώλειες ισχύος προκύπτει: A = cos ϕ Aac. Τέλος, εάν τα δύο δίκτυα μεταφοράς χρησιμοποιούν αγωγούς ίδιας διατομής που μεταφέρουν ίσο ρεύμα και έχουν την ίδια στάθμη μόνωσης, η συνεχής τάση (U ) είναι ίση με τη μέγιστη τιμή της εναλλασσόμενης τάσης (U ac ), η ισχύς μεταφοράς ανά αγωγό, εάν υποθέσουμε ότι τα δίκτυα μεταφοράς είναι δύο αγωγών, υπολογίζεται αντίστοιχα: HVDC δίκτυο: = U I HVAC δίκτυο: ac = U ac I ac cosφ και εφόσον I = I ac και U = U ac προκύπτει ότι για αγωγούς μεταφοράς ίδιας διατομής = cosφ ac. Από τα παραπάνω συμπεραίνεται ότι ένα HVDC δίκτυο μεταφοράς μπορεί να μεταφέρει περισσότερη ισχύ ανά αγωγό ενώ για την ίδια δυνατότητα μεταφερόμενης ισχύος έχει λιγότερες απώλειες ισχύος σε σχέση με ένα HVAC δίκτυο μεταφοράς. Ωστόσο, πρέπει να αναφερθεί ότι στις συνολικές απώλειες των δικτύων μεταφοράς πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και οι απώλειες των τερματικών σταθμών του, οι τελευταίες είναι μεγαλύτερες στην περίπτωση της HVDC μεταφοράς λόγω της μετατροπής της τάσης. Σε κάθε περίπτωση, οι απώλειες ισχύος είναι συνάρτηση τόσο της μεταφερόμενης ισχύος όσο και της απόστασης μεταφοράς. Στο σχήμα 5 γίνεται σύγκριση των απωλειών ισχύος γραμμών μεταφοράς 100 MW για τα συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς 3. Σχήμα 5: Απώλειες ισχύος γραμμών μεταφοράς 100MW δύο συστήματα συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς 3. 3 http://www.abb.com

Σύγκριση μεταξύ HVAC και HVDC συστημάτων μεταφοράς 13 3.. Κόστη εγκατάστασης συστημάτων μεταφοράς Οι HVDC γραμμές μεταφοράς στοιχίζουν λιγότερο από τις HVAC γραμμές αντίστοιχης δυνατότητας μεταφερόμενης ισχύος. Μία διπολική HVDC γραμμή μεταφοράς απαιτεί δύο αγωγούς αντί των τριών, σε πολλές περιπτώσεις και έξι, που απαιτεί μία τριφασική HVAC γραμμή μεταφοράς. Μία διπολική HVDC γραμμής μεταφοράς έχει ισοδύναμη αξιόπιστη δυνατότητα μεταφερόμενης ισχύος με μία HVAC τριφασική γραμμή διπλού κυκλώματος με έξι αγωγούς 4. Πέραν των λιγότερων αγωγών, άρα και των μονώσεων, τόσο οι ηλεκτρικές όσο και οι μηχανικές απαιτήσεις οδηγούν σε μικρότερους από άποψη διαστάσεων άρα και κόστους πυλώνες. Επομένως και η γη δουλείας, δικαίωμα όδευσης γραμμής και κτήμα πυλώνων, που απαιτείται για την όδευση των HVDC γραμμών μεταφοράς είναι μικρότερη. Χαρακτηριστικά, το δικαίωμα όδευσης μίας HVAC γραμμής μεταφοράς 000 MW είναι περίπου 70% μεγαλύτερο σε σχέση με το δικαίωμα όδευσης μίας HVDC γραμμής μεταφοράς αντίστοιχης δυνατότητας μεταφερόμενης ισχύος. Ωστόσο, οι τερματικοί σταθμοί του συστήματος μεταφοράς είναι ογκωδέστεροι και στοιχίζουν πολύ περισσότερο στην περίπτωση της HVDC μεταφοράς λόγω της ανάγκης μετατροπής της τάσης. Το σχήμα 6 παρουσιάζει τα Σχήμα 6: Κόστη εγκατάστασης συστημάτων μεταφοράς κόστη εγκατάστασης HVAC και HVDC συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς 3. συστημάτων μεταφοράς συναρτήσει της απόστασης μεταφοράς. Τα εναέρια HVDC δίκτυα μεταφοράς συμφέρει να χρησιμοποιούνται μόνο για την μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις, μεγαλύτερες από την κρίσιμη απόσταση των 600 800 km. Η κρίσιμη απόσταση, η απόσταση μεταφοράς για την οποία τα κόστη εγκατάστασης είναι ίσα, είναι συνάρτηση της μεταφερόμενης ισχύος (σχ. 7) και κυμαίνεται αρκετά εφόσον εξαρτάται από πολλούς παράγοντες ανάλογα με τις απαιτήσεις του Σχήμα 7: Κρίσιμη απόσταση σε σχέση με την μεταφερόμενη ισχύ 4. έργου. 4 Arrillaga, J.: High Voltage Direct Current Transmission. 1998 (nd ed.), IEE ower and Energy Series 9, IEE, London

14 HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Στην περίπτωση υποθαλάσσιας διασύνδεσης η κρίσιμη απόσταση είναι πολύ μικρότερη (~50 km) σε σχέση με τα δίκτυα εναέριων γραμμών μεταφοράς και είναι κυρίως συνάρτηση του κόστους αντιστάθμισης που απαιτείται κατά την HVAC μεταφορά. 3.3. Απώλειες κορώνα γραμμών μεταφοράς Και στα δύο συστήματα μεταφοράς η ονομαστική φόρτιση καθορίζει τις διατομές των αγωγών της γραμμής μεταφοράς ενώ οι απώλειες κορώνα καθορίζουν τη σχεδίαση της δέσμης των α- γωγών μεταφοράς. Σε συνθήκες καλοκαιρίας οι απώλειες κορώνα είναι συγκρίσιμες στα δύο συστήματα, της τάξης των μερικών kw/km, και αυξάνουν με το μήκος της γραμμής μεταφοράς και με το υψόμετρο της θέσης εγκατάστασης, περίπου 4 φορές μεγαλύτερες σε υψόμετρο 1800 m από τη στάθμη της θάλασσας. 1000 Ωστόσο, σε συνθήκες βροχής ή Καλοκαιρία Βροχή Πάγος πάγου ενώ οι DC απώλειες κορώνα αυξάνουν ελάχιστα οι AC απώ- HVAC 100 λειες κορώνα μπορεί να αυξηθούν 10-100 φορές φθάνοντας σε τιμές εκατοντάδων kw/km. Επομένως η 10 κυριότερη διαφορά μεταξύ των Απώλειες κορώνα, kw/km απωλειών κορώνα στα δύο συστήματα μεταφοράς είναι η μεγάλη 1 εξάρτηση των AC απωλειών κορώνα στις καιρικές συνθήκες. Το 0 500 1000 1500 000 Υψόμετρο, m Σχήμα 8: Σύγκριση μεταξύ AC και DC απωλειών κορώνα. σχήμα 8 παρουσιάζει την επίδραση του υψομέτρου στις απώλειες κορώνα σε σχέση με τις καιρικές συνθήκες για συστήματα HVAC 800 kv και HVDC 600 kv 5. HVDC 3.4. Υπόγεια ή υποθαλάσσια μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας Σε ένα καλώδιο μεταφοράς μεγάλου μήκους λόγω της μεγάλης χωρητικότητας του καλωδίου το χωρητικό ρεύμα φόρτισής του αποτελεί περιορισμό στην μέγιστη απόσταση μεταφοράς υπό HVAC. Η χρήση αντιδράσεων αντιστάθμισης μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερες αποστάσεις μεταφοράς ωστόσο, δεν θεωρείται τεχνοοικονομικά συμφέρουσα επιλογή η μεταφορά με καλώδια υπό HVAC σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 50 km. Αντίθετα, θεωρητικά, δεν υπάρχει περιορισμός στην απόσταση μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μέσω καλωδίων υπό HVDC. Η μεγαλύτερη σε μήκος ενεργή υπόγεια HVDC διασύνδεση σήμερα είναι αυτή του Murraylink (177 km, 0 MW, ± 150 kv) μεταξύ δύο διαφορετικών περιο- 5 Weimers L.: Bulk power transmission at extra high voltages, a comparison between transmission lines for HVDC at voltages above 600 kv DC and 800 kv AC, 005, http://www.abb.com

Σύγκριση μεταξύ HVAC και HVDC συστημάτων μεταφοράς 15 χών αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας στην Αυστραλία 6. Η μεγαλύτερη σε μήκος υποθαλάσσια HVDC διασύνδεση σήμερα είναι αυτή της Βαλτικής θάλασσας (50 km, 600 MW, 450 kv) μεταξύ Σουηδίας και Γερμανίας ενώ ήδη σχεδιάζονται υποθαλάσσιες HVDC διασυνδέσεις μήκους μεγαλύτερου από 500 km. 3.5. Διασύνδεση ασύγχρονων HVAC δικτύων μεταφοράς Η διασύνδεση δικτύων που λειτουργούν με διαφορετική ονομαστική συχνότητα ή ασύγχρονα λόγω διαφορετικών ανοχών στα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους δεν είναι δυνατή μέσω HVAC κυρίως για λόγους ευστάθειας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η Ιαπωνία όπου περίπου το μισό δίκτυό της είναι 60 Hz ενώ το υπόλοιπο 50 Hz. Στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, το δίκτυο των ανατολικών πολιτειών είναι ασύγχρονο σε σχέση με αυτό των δυτικών αν και λειτουργούν και τα δύο με την ίδια ονομαστική συχνότητα. Το ίδιο ισχύει και μεταξύ των δικτύων της Σκανδιναβίας και της δυτικής Ευρώπης. Στις περιπτώσεις αυτές, η ανταλλαγή ενέργειας γίνεται εφικτή μέσω HVDC διασύνδεσης. Τα ασύγχρονα δίκτυα είτε φθάνουν στον ίδιο σταθμό μετατροπής και διασυνδέονται είτε παρεμβάλλεται μεταξύ τους HVDC γραμμή μεταφοράς. 3.6. Έλεγχος ροής ενέργειας Η HVDC μεταφορά εξασφαλίζει εύκολο και ταχύτατο έλεγχο στη ροή ενέργειας, ακόμη και αντιστροφή στην κατεύθυνση της ροής, μέσω των συστημάτων ελέγχου των μετατροπέων. Σε πολλές περιπτώσεις έχει χρησιμοποιηθεί HVDC διασύνδεση παράλληλα με την υφιστάμενη HVAC με σκοπό να βελτιώσει τη συμπεριφορά του συστήματος, βελτίωση της ευστάθειας, μέσω επιπλέον αυτομάτων διατάξεων ελέγχου. 3.7. Επίδραση στην ισχύ βραχυκύκλωσης του δικτύου Η σύνδεση νέων δικτύων σε υφιστάμενα αυξάνει την ισχύ βραχυκύκλωσης του συστήματος με συνέπεια πολλές φορές να απαιτείται αντικατάσταση του εξοπλισμού, διακοπτών ισχύος - ζυγών- μέσων προστασίας, με άλλο μεγαλύτερου ρεύματος βραχυκύκλωσης. Οι μετατροπείς που χρησιμοποιούνται κατά την HVDC μεταφορά δεν συνεισφέρουν στο AC ρεύμα βραχυκύκλωσης πέραν αυτού της ονομαστικής τους λειτουργίας αφού σε περίπτωση σφάλματος το ρεύμα τους περιορίζεται αυτόματα. 3.8. Άλλες διαφορές Η πλειονότητα των δικτύων μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι HVAC και επομένως υπάρχει μεγάλη διαθέσιμη εμπειρία και μεγάλος αριθμός κατασκευαστών εξοπλισμού. Κατά κανόνα οι 6 Mattsson I. et al.: Murraylink, The longest underground HVDC cable in the world. 004, B4-103, CIGRE paper

16 HVDC ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ χρόνοι παράδοσης υποσταθμών HVAC είναι πολύ συντομότεροι σε σχέση με τους σταθμούς μετατροπής που απαιτούνται στο HVDC. Τέλος γενικότερα θεωρείται ότι για την ίδια δυνατότητα μεταφερόμενης ισχύος τα HVDC δίκτυα μεταφοράς έχουν λιγότερες περιβαλλοντολογικές επιπτώσεις κυρίως αισθητικές λόγω των μικρότερων διαστάσεων τους και των μικρότερων απαιτήσεων σε γη δουλείας κατά την ό- δευση των γραμμών μεταφοράς.

4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Arrillaga J.: High Voltage Direct Current Transmission. 1998 (nd ed.), IEE ower and Energy Series 9, IEE, London Asplund G., Astrom U. and D. Wu.: Advandage of HVDC transmission at 800 kv. 14th International Symposium on High Voltage Engineering, 005, Beijing, China, Keynote lecture. Hammons T.J., Woodford D., Loughtan J., Chamia M., Donahoe J., ovh D., Bisewski B. and W. Long.: Role of HVDC transmission in future energy development, IEEE ower Engineering Review, Vol. 0, No., 000, pp. 10-5. Hingorani N.G.: High-Voltage DC transmission: A power electronics workhorse, IEEE Spectrum, April 1996. Mattsson I., Railing B.D., Williams B., Moreau G. and C.D. Clarke.: Murraylink, The longest underground HVDC cable in the world. 004, B4-103, CIGRE paper. Weimers L.: Bulk power transmission at extra high voltages, a comparison between transmission lines for HVDC at voltages above 600 kv DC and 800 kv AC, 005, http://www.abb.com http://www.abb.com High Voltage Direct Current Transmission - roven technology for power exchange, 005, http://www.siemens.com/pdt