Постояннотокови електроенергийни мрежи

Пред необходимите стъпки за решаване на енергийните проблеми на човечеството е по-ефективното използване на електроенергията, което включва не само намаляване на загубите при нейния пренос, но и свеждане до минимум на необходимостта от преобразуването й. Това налага преосмисляне на утвърдени концепции, например специфичните загуби при пренасянето на електроенергията по класическите променливотокови мрежи и производството на постояннотокова енергия от част от съвременните алтернативни източници, преобразуването й за пренасяне по тези мрежи и обратното преобразуване за захранване на непрекъснато нарастващия брой постояннотокови консуматори. Един от многообещаващите подходи е сериозно увеличаване на дела на отдавна известните, но с твърде ограничено приложение постояннотокови електроенергийни мрежи (DC Grid).

Малко история

В средата на XIX век се очертават големите възможности на електричеството като източник на енергия и постепенно започва практическото му използване. Сред пионерите е Томас Едисон, който създава в САЩ първата постояннотокова мрежа (принципът й е приет по-късно за стандарт в САЩ), включваща 110-волтови генератори и 100-волтови консуматори. Нейният основен недостатък - необходимостта от дебели проводници за пренасяне на значителна енергия на големи разстояния, е бил за времето си без значение, тъй като дължината на електропреносната мрежа не е надхвърляла 2 километра.

През 80-те години на века благодарение на работите на Никола Тесла и с подкрепата на Джорж Уестингхауз започва използването на променливия ток. Борбата между двете концепции, известна като War of Current, дава предимство на променливотоковите мрежи благодарение на възможността за промяна на напрежението чрез трансформатори и съответно - осигуряване на предаването на големи мощности при приемлив диаметър на проводниците.

Независимо от това, използването на постояннотокови мрежи се запазва в ограничени мащаби. Например през 1889 г. в Италия е пусната високоволтова постояннотокова (High Voltage Direct Current, HVDC) мрежа с дължина 120 km и мощност 630 kW, а в първите десетилетия на ХХ век в Европа вече има HVDC мрежи с напрежение до 150 kV и мощност до десетина MW. През 1932 г. в САЩ е изградена 12-киловолтова постояннотокова мрежа за свързване на генератори с честота 40 Hz към консуматори за 60 Hz.

Сравнение на променливотоковите и постояннотоковите мрежи

Проблемите с пренасянето на електроенергия по променливотоковите мрежи са отдавна и добре известни. Първият от тях е ограничаването на максималната мощност, което при линии до десетина километра се дължи основно на опасността от прегряване на проводниците поради загубите на енергия в омичното им съпротивление. При линии до стотина километра основното ограничение е падът на напрежение върху проводниците отново поради омичното им съпротивление, докато при по-голяма дължина на първо място изниква въпросът с нарушаване на стабилността - за увеличаване на предаваната мощност трябва фазовият ъгъл между напреженията на потребителите и генераторите да нараства, но това може да доведе до нестабилност и дори до срив на системата.

Жизненоважната синхронизация на променливотоковите мрежи по принцип може да бъде нарушена при промяна на товара им, мерките за недопускане на което изискват допълнителни средства. Свързването на две или повече енергийни мрежи също изисква синхронизирането им, което е толкова по-трудно, колкото разстоянието между тях е по-голямо. Последното поставя под въпрос възможността за изграждане на големи енергийни пръстени и особено на една бъдеща световна енергийна мрежа само на основата на променливотокови мрежи.

От друга страна, свързването на променливотокови системи чрез постояннотокови мрежи не изисква синхронизирането им, нито еднаквост на честотите им (например връзка между 50 и 60 Hz системи). Това не само прави връзките по-прости, но и гарантира по-стабилната работа на свързаните мрежи, като на първо място намалява опасността от срив за продължително време на големи енергийни системи с всички сериозни последици от това, примерите за което не са малко.

Съществуващите паразитна индуктивност на проводниците на линиите и капацитет между тях водят до създаването на нежеланата реактивна енергия. Методите за нейното намаляване, например чрез кондензаторни батерии, изискват допълнителни средства. Същевременно смяната на поляризацията на изолаторите между проводниците (презареждане на паразитните им капацитети) по време на всеки полупериод на мрежовото напрежение също води до енергийни загуби.

Независимо от ниската честота влияние оказва и скинефектът, поради който съпротивлението на проводник за променлив ток и съответно загубите в него са по-големи, отколкото при постоянен ток. При кабелите допълнително съществуват диелектрични загуби и такива от ток на утечка, но последните са пренебрежимо малки. Тези фактори са особено съществени при силови кабели, което реално ограничава дължината им до около 30 km. При високоволтовите променливотокови въздушни линии се получава коронен разряд, също водещ до загуби на енергия и създаващ електромагнитни смущения и отровни газови емисии (азотни окиси). При постояннотоковите линии той също съществува, но енергийните загуби от него са около 2 пъти по-малки.

Всички описани причини за загуби с изключение на омичното съпротивление не съществуват при постояннотоковите мрежи. В частност това означава, че реализацията на европейския проект за добив на енергия чрез вятърни електроцентрали, разположени в моретата около Великобритания, Скандинавския полуостров и Исландия, налага използването на постояннотокови силови кабели. Същото се отнася и за всякакви други мрежи високо напрежение, чиито подводни и подземни постояннотокови кабели позволяват покриване на много по-големи разстояния. Важно общо заключение е, че пренасянето на електроенергия чрез постояннотокови мрежи е свързано с по-малки загуби в сравнение с променливотоковите мрежи. Други предимства на постояннотоковите мрежи са възможността за двупосочно предаване на енергия, което е невъзможно при променливотоковите мрежи, и сравнително лесното и бързо (за няколко ms) променяне на доставяната по тях мощност - особено ценно при свързването на постояннотокови и променливотокови мрежи, тъй като мощността в първите може да се поддържа неизменна при промени във втората.

Мощността, пренасяна по променливотоковите мрежи, е пропорционална на ефективната стойност на напрежението, а изолацията между проводниците трябва да бъде съобразена с амплитудната стойност, докато при постояннотоковите мрежи мощността и изолацията зависят от едно напрежение. Това е особено съществено при силовите постояннотокови кабели, които при дадено напрежение имат по-тънка изолация и, съответно, диаметър от променливотоковите. Обратното също е вярно - при еднакъв диаметър постояннотоковият кабел има проводници с по-голямо сечение поради по-тънката изолация и ще пренася по-голяма мощност.

Основен недостатък на постояннотоковите мрежи е значително по-сложното и скъпо преобразуване на напрежението чрез конвертори, които по принцип намаляват надеждността на системата. Те ползват силови прибори, които независимо от сериозните постижения в последните години, все още не могат да осигурят толкова големи мощности, колкото променливотоковите мрежи. Засега този недостатък се преодолява чрез ползването на подходящо свързване на повече прибори в конверторите, но това ги усложнява и оскъпява.

Друг недостатък са по-сложните и скъпи постояннотокови изключватели поради задължителните мерки за гасене на електрическата дъга между контактите при прекъсване на веригата. Очаква се с годините този недостатък да намалява чрез създаването на все по-мощни полупроводникови изключватели, при които дъга няма, но тяхната цена вероятно още дълго време ще е по-висока от тази на механичните изключватели. Като цяло техническите средства за изграждане на постояннотокови мрежи не са така добре развити, както на променливотоковите мрежи, което ограничава, забавя и често оскъпява тяхната реализация. Благодарение на добре финансираната и организирана изследователска работа в много фирми и университети по света, може да се очаква, че този недостатък постепенно ще бъде преодолян.

Съвременни постояннотокови мрежи високо напрежение

Развитието на тези мрежи (HVDC Grid) реално започва през 50-те години на миналия век, като под една или друга форма се ползва опитът от изграждането на неголеми мрежи преди това. Началото е поставено с пускането в експлоатация през 1954 г. на мрежа между континентална Швеция и един от принадлежащите й острови (Готланд). За превръщане на променливото в постоянно напрежение тя е използвала токоизправители с живачни лампи (Mercury Arc Valve), разработени в периода 1920-1940 г. Тяхното вграждане в нови системи продължава до около 1975 г., след което биват изместени от мощни полупроводникови прибори.

Действие. Най-простата HVDC мрежа е еднопроводната (Monopole and Earth Return Grid), която е същевременно и еднополярна (Monopolar), тъй като работи с постоянно напрежение с фиксирана полярност. Тя използва земята като втори ("обратен") проводник и основната й структура е дадена на фиг. 1а. Стойността на трифазното променливо напрежение от мрежата АС1 се променя от трансформатора Tr, за да може чрез трифазния токоизправител REC да се осигури желаното постоянно напрежение по линията DC Line. Използват се и 6-фазни токоизправители, които изискват чрез трансформатора да се създадат две 3-фазни напрежения, едното от свързване триъгълник, а другото - от свързване звезда. Така реално се получават 6 напрежения на 30° едно спрямо друго, с което се осигурява по-малка нежелана променлива съставка в изходното напрежение на REC. Инверторът INV в края на линията преобразува постоянното напрежение в променливо със стойност, определяна от трансформатора Tr, и същата или различна честота от тази на АС1. Ниската цена на линията е за сметка на протичащия през земята постоянен ток, който предизвиква електрохимична корозия на метални предмети в земята (например тръбопроводи). Избягването на това става чрез втори неизолиран проводник вместо двете заземления.

Друг вид са двуполярните мрежи (Bipolar Grid) с основна структура на фиг. 1б. Двата проводника на мрежата имат еднакво по стойност напрежение спрямо земята, но с различна полярност. C L са означени филтриращи дросели (Direct Current Filter Inductor), а PFC са блокове за подобряване на cosj и филтри за хармониците, неизбежно съществуващи поради естеството на работа на REC и INV. По-високата цена (два проводника, макар и по-тънки от еднопроводната мрежа) се оправдава от практическата липса на токове в земята, както и от възможността при повреда на едната половина от линията (например поради прекъсване на проводника), другата да продължава да доставя около 50% от мощността. При наземни (въздушни) мрежи през силно пресечен терен се препоръчва вместо земята да се използва допълнителен проводник, поставен на стълбовете. Трябва да се има предвид, че съществуват и двуполярни мрежи без свързване към земята. Полезна практическа особеност е, че еднопроводни мрежи, реализирани чрез подводни кабели, могат да бъдат преобразувани в двуполярни мрежи. Съществуват и мрежи с възможност за смяна в процеса на експлоатация на поляритета на напрежението на всеки от проводниците, което позволява превръщането им в две успоредно свързани еднопроводни мрежи. Максималната мощност на двуполярните мрежи е около 3200 MW, а максималното им напрежение е ±600 kV.

Специфична разновидност с принципа на действие на фиг. 1б, но реално не представляващи мрежи, са преобразувателните станции (Back-to-Back Station). Те са разположени в едно здание, като проводниците на DC Line са максимално къси. Използват се за връзка между променливотокови мрежи с различна честота (например между различни райони на Япония и между ОАЕ и Саудитска Арабия) или с различна фаза (например във Виена). Тяхна особеност е изборът на най-малкото възможно постоянно напрежение, тъй като проводниците са къси и биха могли да са с голямо сечение.

Сравнително слабо е разпространението на постояннотокови мрежи за връзка между повече от една променливотокови мрежи или между различни части на една мрежа (Multi-terminal DC Link), но в последното десетилетие интересът към тях бързо нараства. Най-голямата подобна действаща мрежа с мощност 2000 MW е пусната в експлоатация през 1992 г. за връзка между канадските провинции Квебек и Нова Англия.

Необходимостта от бързо увеличаване на дела на алтернативните източници, и на първо място на вятъра и слънцето, налага преосмисляне на концепцията за изграждане на енергийните мрежи. В основата на съществуващите мрежи са разположените на значителни разстояния една от друга електроцентрали с голяма мощност, които произвеждат електроенергия непрекъснато, а промени в доставяната от тях мощност се правят бавно и рядко. Вятърните и слънчевите електрогенераторни системи обикновено са за значително по-малки мощности и доставяната от тях енергия се мени непрекъснато в зависимост от атмосферните условия. Това означава вероятност от честа смяна на ВЕИ електроцентралите, които доставят електроенергия на даден консуматор или група консуматори. Същевременно може да се окаже, че в определени интервали от време електроцентрала произвежда повече енергия от нужната на потребителите, която е най-добре да бъде съхранена. В друго време енергията трябва да върната в мрежата, т. е. ще има двупосочно нейно предаване. И не на последно място, броят на ВЕИ електроцентралите ще е голям и много от тях ще бъдат разположени близо една до друга.Свързването им в класическа променливотокова мрежа ще постави тежки, а в редица случаи и неразрешими проблеми, на първо място заради необходимостта от синхронизация. Като по-лесно и изгодно решение се очертават HVDC мрежите.

Наземни мрежи (Overhead Grid). При тяхното изграждане се ползва опитът от променливотоковите мрежи, което е предимство. Една от първите наземни мрежи е между северния и южния остров на Нова Зеландия, пусната през 1965 г. с мощност 600 MW, увеличена по-късно до 1200 MW. Между два щата в Индия е изградена мрежа с дължина 1450 km и мощност 2000 MW, тази между две китайски провинции е с мощност 6400 MW при дължина 2071km, а най-дългата (2500 km) е в Бразилия.

Важният въпрос за цената на наземните HVDC мрежи се поставя само в случаите, когато техническото им решение няма подчертани предимства спрямо използването на променливотокова мрежа. Цената силно зависи от трасето на линията и особено от цената на земята, както и от необходимите промени в свързващите подстанции на променливотоковата мрежа. Например, започната през 2010 г. HVDC мрежа между Франция и Испания с мощност 2000 MW и дължина 64 km ще струва 700 милиона евро, включително тунела под Пиренеите.

За перспективите на развитие на наземните мрежи може да се добие представа от фиг. 2, онагледяваща концепция на АВВ за изграждане на HVDC мрежи в Европа.

Кабелни мрежи. Те са подземни и подводни, като основното предимство на първите е независимостта им от ветрове, обледеняване и др. подобни природни явления, които непрекъснато създават проблеми на съществуващите въздушни мрежи. От своя страна, подводните мрежи са единствената възможност за обмен на електроенергия през морета и океани. Безспорно по-високата цена на кабелните мрежи е недостатък, но водената мащабна изследователска работа постепенно го намалява. Напречното сечение на кабел е дадено на фиг. 3.

Сред многобройните действащи кабелни HVDC могат да се споменат някои от европейските: между Германия и Швеция, Полша и Швеция, Дания и Швеция през Балтийско море, между Холандия и Великобритания с напрежение 400 kV и мощност 1000 MW, между Франция и Великобритания, между Италия и островите Сардиния и Корсика, между Италия и Гърция в Средиземно море и най-дългата (580 km) между Холандия и Норвегия с мощност 700 MW.

Най-високоволтови мрежи в света (500 kV) са подводната между Австралия и остров Тасмания с дължина 290 km и смесената (82 km подводна и 23 km наземна) с мощност 660 MW в САЩ. Не са малко и проектите за изграждане на нови мрежи. Достатъчно е да се спомене предвидената за пускане в експлоатация през 2015 г. за свързване на ветрогенераторни паркове в Германия и Великобритания с норвежката енергийна система. Основната й цел е при добив от парковете на енергия, надхвърляща консумацията, излишната енергия да задейства помпи в Норвегия, които да качват вода във високи язовири и при намаляване на добива (безветрено време) тя да се използва в съществуващи водни електроцентрали.

Една от интересните новости е концепцията за многотерминална кабелна мрежа (Multiterminal HVDC Light Grid), която благодарение на ползването на специфични блокове в REC и INV, е с улеснено действие, тъй като не е необходим задължителният при съществуващите многотерминални мрежи баланс на токовете. Освен това, измененията на доставяното променливо напрежение при промени на постоянното са твърде малки, което е особено полезно при добива на електроенергия от вятърни електроцентрали. Блоковете PFC на фиг. 1б могат да се окажат излишни или да трябва да правят много малки корекции на cosj, което намалява цената на оборудването. Мрежите ще използват постоянно напрежение до ±320 kV и се очаква да достигнат мощност 1200 MW. Пример за една от практическите реализации на концепцията е мрежата Bordline CC750DC с постоянно напрежение 3 kV и мощност 1000 kW, ползваща в блоковете REC и INV съвременни 3,3-киловолтови IGBT. Първите стъпки в приложенията вече са направени - в Швеция с подземен 70-километров кабел е свързан ветрогенераторен парк към съществуващата мрежа, също с 59-километров подземен кабел са свързани различни части на променливотокова мрежа в Австралия, чрез подводен кабел в Норвегия се доставя електроенергия на газодобивна платформа. Изследванията показват, че при дължина над 500 km цената на този тип кабелни мрежи ще е с не повече от 20% по-висока от тази на въздушните мрежи.

Сериозно внимание се обръща на свръхпроводящите кабели (Superconducting Cable), чиито проводници са от материал, който при охлаждане с течен азот до -180 °C има нищожно омично съпротивление (и съответно - загуби на енергия), тъй като представлява високотемпературен свърхпроводник. Идея за структурата им е дадена на фиг. 4, като предназначението на медния проводник 1 е главно за механична якост. Безспорно по-високата цена на тези кабели се оправдава от възможността през свръхпроводника да се пренася около 150 пъти по-голяма мощност в сравнение с обикновен меден проводник със същото сечение. Същевременно, свръхпроводящ кабел за дадена мощност е с около 10 пъти по-малък диаметър от класически кабел. Три от разработваните понастоящем проекти са във Франция на кабел за напрежение 200 kV, в Южна Корея за свързваща мрежа с един от принадлежащите й острови и за подземен кабел в квартал Манхатън на Ню Йорк за свързване на две трансформаторни подстанции.

Перспективи. По света се разработват множество проекти за изграждане на HVDC мрежи. Европейската комисия предлага изграждане на общоевропейска супермрежа с цел максимално ефективно използване на енергията на вятъра и слънцето. Тя ще използва подводни кабели и се очаква мощността й през 2030 г. да достигне 150 GW, което ще е 16% от общата консумирана електроенергия в Европа. Един от разработените фирмени проекти за изграждането й е на стойност 4,4 милиарда евро. Много добре разработена концепция е известната като EUMENA-wide supergrid, при реализацията на която се очаква да се осигури по-добър обмен на електроенергия между страните в Европа, по-добър контрол върху производството и използването на електроенергията и намаляване на вредните емисии. През 2010 г. между 10 държави около Северно море е подписано споразумение за изграждане на HVDC мрежа между тях. Използването на големите възможности на Сахара за производството на електроенергия чрез слънчеви електроцентрали е в основата на концепцията Desertec. Част от нея е проект за снабдяване на Европа, Средния Изток и Северна Африка чрез HVDC мрежи (всяка с мощност 5 GW), който се подкрепя от множество междуправителствени институции.

Свръхвисоковолтови мрежи

Точно определение за тези мрежи (Ultra HVDC Grid, UHVDC Grid) няма, но може да се приеме, че те са с напрежение над 500 kV. Предимството от използването на толкова високо напрежение е както при променливотоковите мрежи, а ограниченията за изграждането им са основно технически. Също по технически причини засега съществуват само наземни мрежи, а икономически те са толкова по-изгодни, колкото по-голяма е дължината им. Причината е по-доброто компенсиране на високата цена на оборудването в блоковете REC и INV от по-малките загуби на енергия и възможността за пренасяне на по-големи мощности. Много високото напрежение налага при проектирането да се вземат предвид многобройни фактори, например замърсяването на въздуха и надморската височина. Успешно е разработена концепция за реализирането на 800-киловолтова мрежа, което напрежение се осигурява от два каскадно свързани 400 kV инвертора, всеки реализиран с 24 последователно свързани тиристора. За да се добие представа за конструкцията на ползваните съоръжения, на фиг. 5 е показан външният вид на 800-киловолтов инвертор, като дроселът (L на фиг. 1б) е с индуктивност 75 mH и тегло 28 тона. Загубите в дължина от 1000 km на такава мрежа ще са между 1% и 3%, докато при 500-киловолтова мрежа типичната им стойност е 6,5%. Първата UHVDC мрежа с дължина 1418 km и мощност 5000 MW е изградена в Китай и пусната в експлоатация през 2010 г., отново там се очаква да започне работа през т. г. втора мрежа с дължина 2237 km и мощност 6400 MW и съществува план за изграждане на множество такива мрежи през следващите години.

Мрежи за постояннотокови консуматори

Те се захранват от променливотоков или постояннотоков източник на енергия и осигуряват постоянно напрежение на свързаните към тях потребители.

Транспортни мрежи. Те са сред първите исторически появили се постояннотокови мрежи, които продължават и днес да се използват за осигуряване на работата на трамваи, тролейбуси и някои електрически влакове. Представляват еднопроводна мрежа, захранвана от променливотокова мрежа СН и имат постоянно напрежение в границите 600 V - 3 kV и максимална мощност до около 1500 MW при наземни мрежи и около 600 MW при кабелни мрежи

Мрежи за обществени сгради. Тяхната поява и сериозно развитие през последното десетилетие се дължи на 3 основни причини - огромният и продължаващ да нараства брой електронни устройства, които за работата си изискват постоянни напрежения, наличието на все повече постояннотокови консуматори (например светодиодни осветителни тела) и осигуряваното от част от алтернативните източници постоянно напрежение. В устройствата постоянните напрежения се получават чрез вградени или външни блокове, които имат неизбежни енергийни загуби, дори когато устройството не работи, а те са включени. Загубите ще намалеят при наличие на един преобразувателен блок за цялата сграда или поне за отделни нейни части и наличие на постояннотокова мрежа. При класическото използване на постояннотоков източник на енергия загубите са още по-големи поради допълнителното преобразуване на напрежението им в променливо на съществуващата мрежа. Още по-ефективна в енергийно отношение е съвременната концепция за постояннотокова мрежа, захранвана в благоприятно време от собствени алтернативни източници и ползваща при нужда изцяло или частично променливотоковата мрежа чрез общ преобразувателен блок. През последните години към постояннотоковите консуматори се прибави зареждането на акумулаторите на хибридни и електрически автомобили, което също става по-лесно и евтино от постояннотокова мрежа.

В зависимост от напрежението съществуват две разновидности на тези мрежи. Първата са 380-волтовите мрежи с основно предназначение за захранване на компютърни центрове и осигуряващи работата на всички устройства в тях, включително непрекъсваемите захранвания (UPS). Проведени в САЩ експерименти показват, че директното преобразуване на променливото напрежение 480 V в постоянно 380 V води до намаляване на консумацията на електроенергия между 7% и 15% в сравнение с класическия подход "480 V променливо към 208 V променливо към 380 V постоянно". Производителите твърдят, че ако тази мрежа бъде приета като стандарт, до няколко месеца след това на пазара ще се появи компютърно оборудване за нея. Очакват се приложения на 380-волтовата мрежа и в жилища с голяма консумация на електроенергия - мрежата я доставя в различни части на жилището, където напрежението се намалява.

Втората разновидност са 48-волтовите мрежи, използвани главно за комуникационни устройства, чиято непрекъсната и сигурна работа изисква наличието на два или повече източника на електроенергия. Структурата на съвременна мрежа с максималния брой източници е показана на фиг. 6. Чрез двупосочния инвертор INV на мрежата 48 V се доставя енергия от променливотоковата мрежа АС, или обратно. Подобно е положението с акумулаторната батерия АСС, докато слънчевите панели РV, вятърният генератор WIND и моторгенераторът MG само доставят енергия. Комуникационното оборудване Ch се захранва с 48 V. Неозначените на фигурата блокове са за връзка между съответния източник и постояннотоковата мрежа и се предлагат на пазара.

Мрежи за жилищни сгради. Най-често са за напрежение 24 V, но има мрежи и за 12 V, като другото им наименование е нисковолтови постояннотокови мрежи (Low Voltage Direct Current Grid, LVDC Grid). Приложенията им бързо нарастват, тъй като за тези напрежения се произвеждат различни прибори и на първо място осветителни тела с всякакви приспособления към тях (ключове, бутони и димери, включително безжични). За улеснение на монтажа са създадени специализирани инсталационни системи (един пример е показан на фиг. 7), при които на тавана и стените се монтират шини с вградени проводници и куплунги за свързване, позволяващи лесно добавяне, премахване или преместване на приборите.

Мобилни мрежи. Предназначени са за транспортни средства, опериращи в отдалечени места без електрическа мрежа - например яхти и кораби, като обикновено се наричат Onboard DC Grid. Тези за автотранспортни средства и малки плавателни съдове са с напрежение 12 или 24 V и осигуряват мощност от порядъка на 1 kW. Мрежите в корабите са за значително по-голяма мощност, достигаща 20 MW и зависеща от тонажа и предназначението на кораба. Те са значително по-сложни и съдържат множество блокове REC и INV.