سیستم انتقال توان جریان مستقیم ولتاژ بالا HVDC

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز:  سیستم‌های انتقال توان جریان مستقیم ولتاژ بالا یا HVDC، با سیستم‌های معمول جریان متناوب متفاوت است و به عنوان سیستمی برای انتقال توان‌های زیاد به کار می‌رود. این سیستم اولین بار در دهه ۱۹۳۰ م. در سوئد در ASEA به وجود آمد و اولین نصب تجاری آن در اتحاد جماهیر شوروی بین دو شهر مسکو و کاشیرا و نیز یک سیستم ۱۰ تا ۲۰ مگاواتی در گاتلند سوئد در سال ۱۹۵۴ م. انجام شد.

در انتقال توان الکتریکی، انتقال به روش DC بیش از آنکه یک قاعده باشد یک استثناست. محیط هایی وجود دارد که سیستم انتقال جریان مستقیم در آن‌ها راه حل متعارف است مانند کابل‌های زیر دریا و در اتصالات بین سیستم‌های غیر سنکرون (با فرکانس‌های مختلف). اما برای اغلب شرایط موجود انتقال توان به صورت جریان متناوب کماکان مناسب است.

در تلاش‌های اولیه انتقال توان الکتریکی، از جریان مستقیم استفاده می‌شد. اما به هر حال در این دوران سیستم جریان متناوب برای انتقال توان بین نیروگاه‌ها و ماشین آلات استفاده کننده از این انرژی بر سیستم انتقال توان جریان مستقیم فائق آمد. مزیت اصولی سیستم جریان متناوب قابلیت استفاده از ترانسفورماتور برای انتقال موثر سطح ولتاژ به کار رفته در توان انتقالی بود.
با توسعه ماشین‌های جریان متناوب موثر، مانند موتور القایی، استفاده از جریان متناوب معمول شد.

توانایی انتقال سطح ولتاژ یک امر مهم اقتصادی و فنی است که بایستی مد نظر قرار گیرد، با وجود اینکه ولتاژهای بالا سخت‌تر مورد استفاده واقع می‌شوند و خطرناک‌تر هستند، اما سطح جریان پایین تری که برای ولتاژ‌های بالا مورد نیاز است، برای یک سطح توان معین منجر به استفاده از کابل‌های کوچکتر و تلفات توان کمتری به صورت گرما می‌شود. انتقال توان همچنین می‌تواند توسط ولتاژ حداکثر محدود شود.

یک خط جریان مستقیم که در ولتاژ حداکثری برابر یک خط جریان متناوب کار می‌کند، می‌تواند توان بسیار بیشتری را به نسبت جریان متناوب تحت این محدودیت ولتاژ حمل کند؛ بنابراین با مناسب بودن ولتاژ بالا برای انتقال توان زیاد و مناسب بودن ولتاژ پایین‌تر برای بهره برداری‌های صنعتی و داخلی، استفاده از سیستم جریان متناوب به دلیل قابلیت تبدیل سطح ولتاژ آن به سطوح مختلف، برای انتقال توان عام شد.

هیچ وسیله معادلی برای ترانسفورماتور در جریان مستقیم وجود ندارد و بنابراین به کارگیری ولتاژ مستقیم بسیار مشکل‌تر است.

مزیت‌های HVDC بر انتقال جریان متناوب
علی رغم اینکه سیستم انتقال توان جریان متناوب غالب است، اما در برخی از کاربردها، HVDC ترجیح داده می‌شود:

-کابل‌های زیر دریا (مانند کابل ۲۵۰ کیلومتری بین سوئد و آلمان) انتقال توان زیاد در مسافت‌های بلند از یک نقطه به یک نقطه دیگر و بدون تپ‌های میانی، برای مثال در مناطق دور افتاده.
-افزایش ظرفیت یک شبکه برق در شرایطی که نصب سیم‌های اضافی مشکل زا یا هزینه بردار است.
-امکان انتقال توان بین سیستم‌های توزیع غیر سنکرون جریان متناوب.

-کاهش سطح مقطع سیم کشی و دکل‌های برق برای یک ظرفیت انتقال داده شده.

HVDC می‌تواند در هر هادی توان بیشتری را انتقال دهد چرا که برای یک توان نامی داده شده ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین‌تر از حداکثر ولتاژ در یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ ضخامت عایق و فاصله گذاری بین هادی‌ها را تعیین می‌کند.

خطوط بلند زیر دریا دارای ظرفیت خازنی بالایی هستند. این امر موجب می‌شود که توان جریان متناوب به سرعت و به شدت به صورت تلفات راکتیو و دی الکتریک حتی در کابل‌های با طول ناچیز تلف شود. HVDC می‌تواند توان بیشتری در هر هادی انتقال دهد چرا که برای یک توان نامی ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین‌تر از ولتاژ حداکثر یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ تعیین کننده ضخامت عایق به کار رفته و فاصله بین هادی هاست. این روش، استفاده از سیم‌ها و مسیرهای موجود را برای انتقال توان بیشتر در منطقه‌ای که مصرف توانش بالاتر است را ممکن می‌سازد و موجب کاهش هزینه‌ها می‌شود.

مزیت‌های احتمالی بهداشتی سیستم HVDC بر سیستم جریان متناوب

برای مدتی این گمان وجود داشت که بین میدان القایی یک جریان متناوب (خصوصاً در فرکانس‌های عمومی خطوط که ۵۰ و ۶۰ هرتز است) و امراض خاصی ارتباط وجود دارد. یکی از خواص سیستم جریان مستقیم این است که دیگر چنین میدان‌های مغناطیسی متناوبی وجود ندارند. اخیرا در مطالعات آزمایشگاهی نشان داده شده است که چنین میدان‌های متناوبی منجر به افزایش اشباع رادیکال‌های آزاد در جرم خون حیوانات می‌شود (این افزایش می‌تواند توسط آنتی اکسیدان‌ها جلوگیری شود).
رادیکال‌های آزاد به عنوان علل احتمالی تعدادی از بیماری‌ها شناخته شده اند. مزایای این سیستم تن‌ها شامل آنهایی می‌شود که در معرض خطوط انتقال زندگی می‌کنند چرا که مشکلات احتمالی میدان‌های مغناطیسی با انتقال جریان متناوب جریان زیاد و نیز ترانسفورماتورها، موتور‌ها و ژنراتورهای مرتبط با این جریان و حتی وسایل خانگی عادی مانند ماشین اصلاح الکتریکی با سیم پیچ و (خصوصا) مسواک‌های الکتریکی که به صورت القایی شارژ می‌شوند، ارتباط دارد.

اتصالات بین شبکه‌های جریان متناوب

با به کار گیری فن آوری تریستور تن‌ها شبکه‌های جریان متناوب سنکرون را می‌توان به هم متصل کرد؛ یعنی شبکه هایی که با سرعت یکسان و فاز مشابه نوسان می‌کنند. بسیاری از مناطقی که مایل به اشتراک گذاشتن توان هایشان هستند دارای شبکه‌ای غیر سنکرون هستند.
ارتباطات جریان مستقیم به چنین مناطقی این امکان را می‌دهد که به هم متصل شوند. اما بهر حال سیستم‌های جریان مستقیمی که بر پایه ترانزیستورهای IGBT هستند اتصال سیستم‌های غیر سنکرون جریان متناوب را ممکن می‌سازند و نیز امکان کنترل ولتاژ متناوب و عبور توان راکتیو را فراهم می‌آورند. حتی یک شبکه سیاه را می‌توان به این روش به شبکه مورد نظر متصل کرد.

سیستم‌های تولید توان نظیر باتری‌های فتو ولتایی تولید جریان مستقیم می‌کنند. توربین‌های آبی و بادی تولید جریان متناوبی در فرکانسی وابسته به سرعت شاره‌ای که آنرا به حرکت در می‌آورد، می‌کنند. در حالت اول جریان مستقیم ولتاژ بالا را می‌توان مستقیما برای انتقال توان به کار برد. در حالت دوم ما دارای یک سیستم غیر سنکرون هستیم که به همین دلیل پیشنهاد می‌شود که از یک اتصال جریان مستقیم استفاده کنیم. در هر یک از این حالات ممکن است که تشخیص داده شود که انتقال HVDC مستقیما از نیروگاه تولید کننده به کار ببرند به ویژه در صورتی که سیستم در مناطق نامساعد قرار داشته باشد.
به طور کلی یک خط توان HVDC دو منطقه جریان متناوب از شبکه توزیع برق را به هم متصل می‌کند.

سیستم تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم گران هستند و هزینه قابل توجهی را در انتقال توان به خود اختصاص می‌دهند.
تبدیل از جریان متناوب به جریان مستقیم را یک سو سازی و تبدیل از جریان مستقیم به جریان متناوب را اینورژن می‌نامند. برای فاصله‌ای بیش از یک فاصله معین (که حدود ۵۰ کیلومتر برای کابل‌های زیر دریا و احتمالا ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر برای کابل‌های هوایی است) کاهش هزینه ناشی از به کار گیری تجهیزات الکترونیک قدرت برای سیستم جریان مستقیم از هزینه این تجهیزات بیشتر است و عملا به کاربری این سیستم در خطوط هوایی بسیار بلند مقرون به صرفه است. چنین فاصله‌ای که در آن هزینه‌ها با درآمد‌ها برابر می‌شود را یک فاصله یربه یر (مساوی) می‌نامند. علم الکترونیک همچنین اجازه این را به ما می‌دهد که توسط کنترل اندازه و جهت جریان توان، شبکه برق را مدیریت کنیم؛ بنابراین یک مزیت اضافی وجود ارتباطات HVDC پایداری افزایش یافته بالقوه در شبکه انتقال است.

یک سو سازی و اینورت کردن

اجزا یک سو کننده و اینورت کننده
سیستم‌های اولیه از یک سو سازهای آرک ـ. جیوه استفاده می‌کردند که قابل اعتماد نبودند. برای اولین بار شیرهای تریستوری در ۱۹۶۰ م. به کار گرفته شدند. تریستور یک نیمه هادی حالت جامد مشابه دیود است، اما با یک ترمینال کنترلی اضافی که از آن در یک لحظه معین در سیکل جریان متناوب برای دادن فرمان به تریستور استفاده می‌شود. امروزه از ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده (IGBT) نیز به جای تریستور استفاده می‌شود.

به دلیل اینکه ولتاژ در HVDC گاهاً حول ۵۰۰ کیلو ولت است و از ولتاژ شکست دستگاه‌های نیمه هادی بیشتر است، مبدل‌های HVDC با استفاده از تعداد زیادی نیمه هادی ساخته می‌شوند که سری شده اند. با این کار عملا ولتاژی که روی هر نیمه هادی می‌افتد کاهش می‌یابد و می‌توان از نیمه هادی‌های با ولتاژ شکست پایین‌تر که ارزان‌تر نیز هستند استفاده کرد.
برای دادن فرمان به تریستور‌ها نیاز به یک مدار فرمانی داریم که با ولتاژی پایین عمل می‌کند و می‌بایست از مدار ولتاژ بالای سیستم جدا شود. این کار معمولا به صورت اپتیکی یا نوری انجام می‌شود. در یک سیستم کنترل هایبرید تجهیزات الکترونیکی ولتاژ پایین پالس‌های نوری را در طول فیبرهای نوری به بخش ولتاژ بالا کنترل الکترونیکی ارسال می‌کنند.

یک عنصر کلید زنی کامل بدون در نظر گرفتن ساختارش عموما یک شیر خوانده می‌شود.

سیستم‌های یک سو سازی و اینورتری
یک سوسازی و اینورژن اساسا یک مکانیزم را دارا هستند. بسیاری از پست‌های برق بگونه‌ای ساخته شده اند تا بتوانند هم به صورت یک سوساز و هم به صورت اینورتر عمل کنند.
در سر جریان متناوب یک دسته از ترانسفورماتور‌ها قرار داده می‌شوند که اغلب سه ترانسفورماتور تک فاز جدا از هم هستند که ایستگاه مورد نظر را از تغذیه جریان متناوب جدا می‌کنند تا بتوانند یک زمین محلی را ایجاد کنند و نیز تا یک ولتاژ مستقیم نهایی صحیح را تضمین کنند. سپس خروجی این سه ترانسفورماتور به یک پل یک سوساز شامل تعدادی شیر وصل می‌شود. ساختار اصلی شامل شش شیر است که هر سه شیر هر سه فاز را به یکی از دو سر ولتاژ مستقیم وصل می‌کند. اما به هر حال در این سیستم، به دلیل اینکه هر ۶۰ درجه یک تغییر فاز داریم یا به عبارتی یک ولتاژ شش پالسه داریم، هارمونیک‌های این ولتاژ هم قابل ملاحضه اند.

نگرش کلی
قابلیت کنترل پذیری عبور جریان از طریق یک سو ساز‌ها و اینورتورهای HVDC، کاربرد آن‌ها در اتصالات بین شبکه‌های غیر سنکرون و کاربرد آن‌ها در کابل‌های کارای زیر دریا به این معنی است که کابل‌های HVDC اغلب در مرزهای ملی و برای مبادلات توان به کار می‌برند.
نیرو گاه‌های بادی داخل آب نیز نیازمند کابل‌های زیر دریا هستند و توربین‌های آن‌ها نیز غیر سنکرون. از خطوط انتقال HVDC می‌توان در برقراری اتصالات بسیار بلند بین تن‌ها دو نقطه استفاده کرد، برای مثال اطراف اجتماعات دور افتاده سیبری، کانادا و شمال اسکاندیناوی که در این صورت کاربرد این سیستم که دارای هزینه‌های کمتر از خطوط معمولی است منطقی به نظر می‌رسد.

ساختار سیستم
یک اتصال HVDC که در آن دو مبدل AC به DC در یک ساختمان به کار رفته اند و انتقال به صورت HVDC تنها بین خود ساختمان وجود دارد به عنوان یک اتصال HVDC پشت به پشت معروف است. این یک ساختار عمومی برای اتصال دو شبکه غیر سنکرون است.

معمول‌ترین ساختار یک اتصال HVDC یک اتصال ایستگاه به ایستگاه است که در آن دو ایستگاه اینورتر / یک سو ساز توسط یک اتصال اختصاصی HVDC به هم متصل می‌شوند. این اتصالی است که به زیاد در اتصال شبکه‌های غیر سنکرون در خطوط انتقال بلند و در کابل‌های زیر دریا به کار می‌رود.
سیستم انتقال توان چند ترمیناله (که از سه ایستگاه یا بیشتر استفاده می‌کند) HVDC هم به علت هزینه‌های بالای ایستگاه‌های مبدل و اینورتر، از دو سیستم دیگر کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساختار ترمینال‌های چندگانه می‌تواند سری یا موازی و یا هیبرید (ترکیبی از سری و موازی) باشد. از ساختار موازی برای ایستگاه‌های با ظرفیت بالا استفاده می‌شود در حالی که از ساختار سری برای ایستگاه‌های با ظرفیت کمتر استفاده می‌شود.
سیستم‌های تک قطبی نوعا ۱۵۰۰ مگاوات را حمل می‌کنند.