ข้อดีของสายส่งไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูงเมื่อเทียบกับสายไฟฟ้ากระแสสลับ

กลายเป็นสายส่งไฟฟ้าแรงสูงแบบดั้งเดิม ทุกวันนี้ทำงานโดยใช้ไฟฟ้ากระแสสลับอย่างสม่ำเสมอ แต่คุณเคยคิดเกี่ยวกับข้อดีที่สายส่งไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูงสามารถมอบให้ได้เมื่อเทียบกับสายไฟฟ้ากระแสสลับหรือไม่? ใช่ เรากำลังพูดถึงสายส่งไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรง (HVDC Power Transmission)

แน่นอนสำหรับการก่อตัวของสายไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรงในตอนแรก ตัวแปลงซึ่งจะทำให้กระแสตรงจากกระแสสลับและกระแสสลับจากกระแสตรง อินเวอร์เตอร์และตัวแปลงดังกล่าวมีราคาแพงรวมถึงชิ้นส่วนอะไหล่มีข้อ จำกัด ในการโอเวอร์โหลด นอกจากนี้อุปกรณ์แต่ละสายจะต้องไม่ซ้ำกันโดยไม่มีการพูดเกินจริง ในระยะทางสั้นๆ การสูญเสียพลังงานในตัวแปลงทำให้สายส่งโดยทั่วไปไม่ประหยัด

แต่จะนิยมใช้ในแอพพลิเคชั่นไหนมากกว่ากัน กระแสตรง.? เหตุใดบางครั้งไฟฟ้ากระแสสลับสูงจึงมีประสิทธิภาพไม่เพียงพอ สุดท้าย สายส่งไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรงมีการใช้งานแล้วหรือไม่? เราจะพยายามหาคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้

คุณไม่จำเป็นต้องไปไกลสำหรับตัวอย่าง สายเคเบิลไฟฟ้าที่วางอยู่ใต้ก้นทะเลบอลติกระหว่างสองประเทศเพื่อนบ้านคือเยอรมนีและสวีเดนมีความยาว 250 เมตร และหากกระแสไฟฟ้าสลับกัน ความต้านทานของตัวเก็บประจุจะทำให้เกิดการสูญเสียอย่างมาก หรือเมื่อจ่ายไฟฟ้าไปยังพื้นที่ห่างไกลเมื่อไม่สามารถติดตั้งอุปกรณ์ขั้นกลางได้ ที่นี่ก็เช่นกัน ไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูงจะทำให้เกิดการสูญเสียน้อยลง

จะทำอย่างไรถ้าคุณต้องการเพิ่มความจุของสายที่มีอยู่โดยไม่ต้องใส่สายเพิ่ม และในกรณีที่จ่ายไฟให้กับระบบจำหน่ายไฟฟ้ากระแสสลับที่ไม่ซิงโครไนซ์กันล่ะ?

ในขณะเดียวกัน สำหรับพลังงานเฉพาะที่ส่งสำหรับกระแสตรง ที่แรงดันสูง จำเป็นต้องมีส่วนตัดขวางของเส้นลวดที่เล็กลง และเสาสามารถอยู่ต่ำลงได้ ตัวอย่างเช่น สายส่งของแม่น้ำสองขั้วเนลสันของแคนาดาเชื่อมต่อกริดการกระจายและสถานีไฟฟ้าระยะไกล

โครงข่ายไฟฟ้ากระแสสลับสามารถเสถียรได้โดยไม่เพิ่มความเสี่ยงต่อการลัดวงจร การปล่อยโคโรนาซึ่งทำให้เกิดการสูญเสียในสายไฟฟ้ากระแสสลับเนื่องจากจุดไฟฟ้าแรงสูงพิเศษนั้นน้อยกว่ามากเมื่อใช้ไฟฟ้ากระแสตรง และปล่อยโอโซนที่เป็นอันตรายน้อยกว่าตามลําดับ อีกครั้ง ลดต้นทุนในการสร้างสายไฟ เช่น ต้องใช้สายไฟสามเส้นสำหรับสามเฟส และเพียงสองเส้นสำหรับ HVDC เป็นอีกครั้งที่ประโยชน์สูงสุดของสายเคเบิลใต้น้ำไม่ใช่แค่วัสดุน้อยลง แต่ยังสูญเสียความจุน้อยลงด้วย

ตั้งแต่ปี 1997AAB ติดตั้งสายไฟ HVDC ที่มีกำลังสูงถึง 1.2 GW ที่แรงดันไฟฟ้าสูงถึง 500 kV ดังนั้นจึงมีการสร้างการเชื่อมโยงพลังงานเล็กน้อย 500 เมกะวัตต์ระหว่างโครงข่ายไฟฟ้าของบริเตนใหญ่และไอร์แลนด์

การเชื่อมต่อนี้ช่วยเพิ่มความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของการจ่ายไฟฟ้าระหว่างเครือข่าย จากตะวันตกไปตะวันออก สายเคเบิลเส้นหนึ่งในเครือข่ายมีความยาว 262 กิโลเมตร โดย 71% ของสายเคเบิลอยู่ที่ก้นทะเล

อีกครั้ง โปรดจำไว้ว่าหากใช้กระแสไฟ AC เพื่อชาร์จประจุไฟฟ้าของสายเคเบิลอีกครั้ง จะเกิดการสูญเสียพลังงานโดยไม่จำเป็น และเนื่องจากกระแสไฟฟ้าถูกใช้อย่างต่อเนื่อง การสูญเสียจึงน้อยมาก นอกจากนี้ยังไม่ควรละเลยการสูญเสียอิเล็กทริก AC

โดยทั่วไป ไฟฟ้ากระแสตรงสามารถส่งพลังงานผ่านสายเดียวกันได้มากขึ้น เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่กำลังเท่ากัน แต่มีกระแสสลับสูงกว่า นอกจากนี้ ฉนวนต้องหนาขึ้น ส่วนตัดขวางต้องใหญ่ขึ้น , ระยะห่างระหว่างตัวนำมากขึ้น ฯลฯ เมื่อพิจารณาจากปัจจัยเหล่านี้ทั้งหมด ทางเดินของสายส่งไฟฟ้ากระแสตรงให้การส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าที่หนาแน่นขึ้น

ไม่มีการสร้างสายไฟฟ้าแรงสูงถาวรล้อมรอบ สนามแม่เหล็กสลับความถี่ต่ำตามแบบฉบับของสายส่งไฟฟ้ากระแสสลับ นักวิทยาศาสตร์บางคนพูดถึงอันตรายของสนามแม่เหล็กที่แปรผันนี้ต่อสุขภาพของมนุษย์ ต่อพืช และต่อสัตว์ ในทางกลับกัน กระแสตรงจะสร้างเพียงความชันของสนามไฟฟ้าคงที่ (ไม่แปรผัน) ในช่องว่างระหว่างตัวนำกับพื้น และปลอดภัยต่อสุขภาพของคน สัตว์ และพืช

ความเสถียรของระบบไฟฟ้ากระแสสลับได้รับการอำนวยความสะดวกด้วยไฟฟ้ากระแสตรงเนื่องจากมีไฟฟ้าแรงสูงและไฟฟ้ากระแสตรง จึงเป็นไปได้ที่จะถ่ายโอนพลังงานระหว่างระบบไฟฟ้ากระแสสลับที่ไม่ซิงโครไนซ์กัน สิ่งนี้จะป้องกันความเสียหายที่เรียงซ้อนจากการแพร่กระจาย ในกรณีที่เกิดความล้มเหลวที่ไม่ร้ายแรง พลังงานจะถูกย้ายเข้าหรือออกจากระบบ

สิ่งนี้ยังช่วยเพิ่มการนำกริด DC แรงดันสูงมาใช้ ทำให้เกิดรากฐานใหม่

สถานีแปลงซีเมนส์สำหรับสายส่งไฟฟ้าแรงสูงไฟฟ้ากระแสตรง (HVDC) ระหว่างฝรั่งเศสและสเปน

แผนผังของสาย HVDC ที่ทันสมัย

การไหลของพลังงานถูกควบคุมโดยระบบควบคุมหรือสถานีแปลง การไหลไม่เกี่ยวข้องกับโหมดการทำงานของระบบที่เชื่อมต่อกับสาย

การเชื่อมต่อระหว่างกันบนสายไฟฟ้ากระแสตรงมีกำลังการส่งน้อยโดยพลการเมื่อเทียบกับสายไฟฟ้ากระแสสลับ และปัญหาของสายสัญญาณอ่อนจะหมดไป สายสามารถออกแบบโดยคำนึงถึงการปรับการไหลของพลังงานให้เหมาะสม

นอกจากนี้ ความยุ่งยากในการซิงโครไนซ์ระบบควบคุมที่แตกต่างกันหลายระบบสำหรับการทำงานของระบบพลังงานแต่ละระบบจะหายไป รวมตัวควบคุมฉุกเฉินอย่างรวดเร็ว สายไฟฟ้ากระแสตรง เพิ่มความน่าเชื่อถือและเสถียรภาพของเครือข่ายโดยรวม การควบคุมการไหลของพลังงานสามารถลดการสั่นในเส้นคู่ขนานได้

ข้อได้เปรียบเหล่านี้จะช่วยให้การนำไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงมาใช้ได้เร็วขึ้น เพื่อแบ่งระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่ออกเป็นหลายส่วนที่ซิงโครไนซ์ซึ่งกันและกัน

ตัวอย่างเช่น มีการสร้างระบบระดับภูมิภาคหลายแห่งในอินเดียที่เชื่อมต่อกันด้วยสายไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูงนอกจากนี้ยังมีสายโซ่ของตัวแปลงที่ควบคุมโดยศูนย์พิเศษ

ในประเทศจีนก็เช่นเดียวกัน ในปี 2010 ABB ได้สร้างไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงพิเศษขนาด 800 kV แห่งแรกของโลกในประเทศจีน สายไฟฟ้า 1100 kV Zhongdong — Wannan UHV DC ที่มีความยาว 3,400 กม. และกำลังการผลิต 12 GW แล้วเสร็จในปี 2018

ในปี 2020 มีสถานที่ก่อสร้างอย่างน้อย 13 แห่งที่เสร็จสมบูรณ์ สาย EHV DC ในประเทศจีน สาย HVDC ส่งพลังงานจำนวนมากในระยะทางที่มาก โดยมีผู้จ่ายไฟหลายรายเชื่อมต่อกับแต่ละสาย

ตามกฎแล้วผู้พัฒนาสายส่งไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรงไม่ได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับต้นทุนของโครงการแก่ประชาชนทั่วไปเนื่องจากเป็นความลับทางการค้า อย่างไรก็ตาม ลักษณะเฉพาะของโครงการจะทำการปรับเปลี่ยนเอง และราคาจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับ: กำลังไฟ ความยาวสายเคเบิล วิธีการติดตั้ง ค่าที่ดิน ฯลฯ

โดยการเปรียบเทียบทุกด้านในเชิงเศรษฐศาสตร์ การตัดสินใจเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการสร้างสาย HVDC ตัวอย่างเช่น การก่อสร้างสายส่งสี่สายระหว่างฝรั่งเศสและอังกฤษซึ่งมีกำลังการผลิต 8 กิกะวัตต์ รวมกับงานบนบกต้องใช้เงินประมาณพันล้านปอนด์

รายชื่อโครงการไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรง (HVDC) ที่สำคัญในอดีต

ในช่วงทศวรรษที่ 1880 เกิดเป็นสงครามแห่งกระแสน้ำขึ้น ระหว่างผู้สนับสนุน DC เช่น Thomas Edison และผู้สนับสนุน AC เช่น Nikola Tesla และ George Westinghouse DC ใช้งานได้นานถึง 10 ปี แต่การพัฒนาอย่างรวดเร็วของหม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งจำเป็นต่อการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและจำกัดการสูญเสีย นำไปสู่การเพิ่มจำนวนของเครือข่ายไฟฟ้ากระแสสลับ มีเพียงการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเท่านั้นที่สามารถใช้ไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงได้

เทคโนโลยี HVDC ปรากฏในทศวรรษที่ 1930 ได้รับการพัฒนาโดย ASEA ในสวีเดนและเยอรมนี สาย HVDC สายแรกสร้างขึ้นในสหภาพโซเวียตในปี พ.ศ. 2494 ระหว่างมอสโกวและคาชิรา จากนั้นในปี 1954 มีการสร้างอีกเส้นทางหนึ่งระหว่างเกาะ Gotland และแผ่นดินใหญ่ของสวีเดน

มอสโก — คาชีรา (สหภาพโซเวียต) — ความยาว 112 กม., แรงดันไฟฟ้า — 200 kV, กำลังไฟ — 30 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้าง — 1951 ถือเป็นไฟฟ้ากระแสตรงไฟฟ้าแรงสูงแบบคงที่เต็มรูปแบบเครื่องแรกของโลกที่เริ่มใช้งาน บรรทัดนี้ไม่มีอยู่ในขณะนี้

Gotland 1 (สวีเดน) — ความยาว 98 กม., แรงดันไฟฟ้า — 200 kV, กำลังไฟฟ้า — 20 MW, ปีที่ก่อสร้าง — 1954 ลิงค์ HVDC เชิงพาณิชย์ตัวแรกของโลก ขยายกิจการโดย ABB ในปี 1970 ปลดประจำการในปี 1986

วอลโกกราด — ดอนบาส (สหภาพโซเวียต) — ความยาว 400 กม., แรงดันไฟฟ้า — 800 kV, กำลังไฟ — 750 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้าง — พ.ศ. 2508 ขั้นตอนแรกของสายไฟกระแสตรง 800 kV โวลโกกราด — Donbass เริ่มดำเนินการในปี พ.ศ. 2504 ซึ่งได้รับการกล่าวถึงในสื่อในเวลานั้นว่าเป็น ขั้นตอนที่สำคัญมากในการพัฒนาทางเทคนิคของวิศวกรรมไฟฟ้าของสหภาพโซเวียต ขณะนี้สายถูกรื้อถอนแล้ว

การทดสอบวงจรเรียงกระแสแรงดันสูงสำหรับสายไฟฟ้ากระแสตรงในห้องปฏิบัติการ VEI พ.ศ. 2504

แผนภาพเส้นของไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรงโวลโกกราด — Donbass

ดู: รูปถ่ายของการติดตั้งไฟฟ้าและอุปกรณ์ไฟฟ้าในสหภาพโซเวียต พ.ศ. 2502-2505

HVDC ระหว่างเกาะนิวซีแลนด์ — ความยาว 611 กม., แรงดันไฟฟ้า — 270 kV, กำลังไฟ — 600 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้าง — พ.ศ. 2508 ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2535 สร้าง АBB… แรงดันไฟฟ้า 350 กิโลโวลต์ขึ้นใหม่

ตั้งแต่ปี 1977จนถึงปัจจุบัน ระบบ HVDC ทั้งหมดถูกสร้างขึ้นโดยใช้ส่วนประกอบโซลิดสเตต ในกรณีส่วนใหญ่คือไทริสเตอร์ เนื่องจากมีการใช้ตัวแปลง IGBT ในช่วงปลายทศวรรษ 1990

อินเวอร์เตอร์ IGBT ที่สถานีแปลง Siemens สำหรับสายส่งไฟฟ้าแรงสูงกระแสตรง (HVDC) ระหว่างฝรั่งเศสและสเปน

Cahora Bassa (โมซัมบิก-แอฟริกาใต้) — ความยาว 1420 กม. แรงดันไฟฟ้า 533 กิโลโวลต์ กำลังไฟฟ้า — 1920 เมกะวัตต์ ปีที่ก่อสร้าง พ.ศ. 2522 HVDC เครื่องแรกที่มีแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 500 กิโลโวลต์ ซ่อม ABB 2013-2014

เอคิบาสตุซ — ทัมบอฟ (สหภาพโซเวียต) — ความยาว 2414 กม. แรงดันไฟฟ้า — 750 kV กำลังไฟ — 6000 เมกะวัตต์ โครงการนี้เริ่มขึ้นในปี 2524 เมื่อเริ่มดำเนินการ จะเป็นสายส่งไฟฟ้าที่ยาวที่สุดในโลก สถานที่ก่อสร้างถูกทิ้งร้างในราวปี 1990 เนื่องจากการล่มสลายของสหภาพโซเวียต และการก่อสร้างก็ยังไม่เสร็จสมบูรณ์

Interconnexion France Angleterre (ฝรั่งเศส — บริเตนใหญ่) — ความยาว 72 กม. แรงดันไฟฟ้า 270 กิโลโวลต์ กำลังไฟฟ้า — 2,000 เมกะวัตต์ ปีที่ก่อสร้าง 2529

Gezhouba — เซี่ยงไฮ้ (จีน) — 1,046 กม., 500 กิโลโวลต์, กำลังไฟ 1,200 เมกะวัตต์, 2532

ริฮานด์ เดลี (อินเดีย) — ความยาว 814 กม., แรงดันไฟฟ้า — 500 kV, กำลังไฟ — 1,500 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้าง — 1990

เคเบิลบอลติก (เยอรมนี - สวีเดน) — ความยาว 252 กม., แรงดันไฟฟ้า — 450 kV, กำลังไฟ — 600 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้าง — 1994

เทียนกวน (จีน) — ความยาว 960 กม., แรงดันไฟฟ้า — 500 kV, กำลังไฟ — 1,800 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้าง — 2544

ทัลเชอร์ โกลาร์ (อินเดีย) — ความยาว 1,450 กม., แรงดันไฟฟ้า — 500 kV, กำลังไฟ — 2,500 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้าง — 2546

สามโตรก — ฉางโจว (จีน) — ความยาว 890 กม., แรงดันไฟฟ้า — 500 kV, กำลังไฟ — 3,000 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้าง — 2546 ในปี 2547 และ 2549อีก 2 สายถูกสร้างขึ้นจากโรงไฟฟ้าพลังน้ำ HVDC "Three Gorges" ไปยัง Huizhou และ Shanghai เป็นระยะทาง 940 และ 1,060 กม.

โรงไฟฟ้าพลังน้ำที่ใหญ่ที่สุดในโลก Three Gorges เชื่อมต่อกับฉางโจว กวางตุ้ง และเซี่ยงไฮ้ด้วยสายไฟฟ้ากระแสตรงแรงสูง

Xiangjiaba-เซี่ยงไฮ้ (จีน) — เส้นทางจาก Fulong ไป Fengxia ความยาว 1,480 กม., แรงดันไฟฟ้า 800 kV, กำลังไฟ 6,400 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้างคือ 2010

ยูนนาน — กวางตุ้ง (จีน) — ความยาว 1418 กม., แรงดันไฟฟ้า — 800 kV, กำลังไฟ — 5,000 เมกะวัตต์, ปีที่ก่อสร้าง — 2010