HVDC – stejnosměrný přenos elektrické energie

Se stejnosměrným proudem se v dnešní energetice setkáváme nejčastěji v oblasti elektrické trakce a stále častěji v oblasti přenosu – toků vysokého množství energie na velké vzdálenosti. Stejnosměrná vedení vysokého napětí (HVDC) mají oproti střídavým své výhody i nevýhody, které jsou rozebrány níže v tomto článku.

Kromě výhod a nevýhod HVDC jsou v článku popsány:

• Historie a současnost HVDC
• Prvky rozvodny stejnosměrného vedení
• Konfigurace stejnosměrných sítí
• Aplikace HVDC

Historie a současnost

Vše začalo v roce 1800, kdy Alessandro Volta sestrojil galvanický článek, první zdroj stálého stejnosměrného elektrického proudu. Takový zdroj energie však nebyl schopen dodat dostatek energie pro jiné než vědecké účely.

V roce 1831 sestrojil Hippolyte Pixii první generátor stejnosměrného proudu využívající komutátor, čímž položil základ dynamům, tak jak jsou známy dnes. V lednu roku 1867 Werner Siemens a Charles Wheatstone nezávisle na sobě představili první dynama s elektromagnetickým buzením, přičemž generátory používaly do té doby k buzení permanentní magnety. Tento vynález vedl k výraznému navýšení výkonu generátorů a umožnil zavedení elektřiny do průmyslové výroby.

Jednou z prvních aplikací stejnosměrného proudu bylo městské osvětlení obloukovými lampami. Tyto sítě se rozvíjely především ve velkých městech v USA. První systém pro osvětlení Edisonovými žárovkami byl vybudován v Manhattnau (New York) roku 1882, kdyšest6 obřích dynam obsluhovalo oblast o rozloze přibližně 2,5 km².

Největší nevýhodou stejnosměrného proudu se ukázala nemožnost snadné a efektivní změny napětí a stroje musely tudíž pracovat na napětí generátoru. Distribuce elektřiny na nízkém napětí zabraňovala přenosu elektřiny na vzdálenosti větší než několik kilometrů – při větších vzdálenostech se projevil pokles napětí na vedení a stejně tak vysoké ztráty. Neschopnost snadné transformace různých napěťových hladin stejnosměrného proudu otevřela cestu proudu střídavému.

Nástup střídavého proudu

Do 80. let 19. století nebyl střídavý proud vnímán jako vhodná alternativa ke stejnosměrnému. Zlom přišel v letech 1884 a 1885 s vynálezem prvního transformátoru s uzavřeným magnetickým jádrem, jenž umožňoval snadnou a efektivní přeměnu střídavého napětí.

Dalším krokem bylo praktické využití střídavého proudu. V roce 1888 představil Nikola Tesla svůj první vícefázový střídavý motor (2fázový asynchronní motor), který byl schopný konkurovat soudobým stejnosměrným strojům.

Vítězství střídavého proudu nad stejnosměrným bylo jasně utvrzeno v roce 1891, kdy proběhl první dálkový přenos 3fázovou soustavou – na vzdálenost přibližně 175 km se podařilo úspěšně napájet 3fázový asynchronní motor o výkonu 75 kW. Přenos probíhal na 15 kV, později na 25 kV.

Renesance DC v 20. století

Návrat stejnosměrného proudu do úrovně přenosu přichází v 30. letech 20. století s vynálezem rtuťových usměrňovačů, které umožnily výrazně jednodušší přeměnu vysokého střídavého napětí na stejnosměrné než do té doby používané rotační měniče.

V roce 1954 byla spuštěna první komerční HVDC linka spojující švédské pobřeží s ostrovem Gotland. Tímto se otevřela cesta dalším komerčním aplikacím stejnosměrného přenosu.

Dalším milníkem je objev tyristorových měničů. Na jaře roku 1967 byl instalován první tyristorový měnič, opět na lince Gotland namísto původního rtuťového. V následujících letech byly tyristorové měniče hojně využívány. V současné době se kromě tyristorových měničů využívají i měniče tranzistorové (zejména IGBT).

Výhody stejnosměrného přenosu

Základní výhodou stejnosměrného proudu nad střídavým je absence parametrů frekvence a fáze a tedy snadnější řízení přenosové soustavy – při užití stejnosměrného přenosu není nutno udržovat všechny zdroje v soustavě v synchronismu. Dalšími výhodami jsou:

• Vyšší stabilita přenosové soustavy – u běžně používaných 2-pólových uspořádání lze při poruše jednoho z vodičů provozovat vedení s poloviční kapacitou
• Menší ztráty při přenosu na velké vzdálenosti – na 1000 km HVDC přenosu připadají ztráty přibližně 3 %
• Při překročení určité přenosové vzdálenosti má HVDC nižší pořizovací náklady vůči střídavé variantě
• S ohledem na rostoucí požadavky na ekologii, které často komplikují výstavbu nových nadzemních vedení, lze použít dlouhá podzemní kabelová vedení i přes jejich mnohonásobně vyšší pořizovací cenu
• Oproti střídavým 3-fázovým soustavám stačí k stejnosměrnému přenosu pouze 2 vodiče, případně 1 při zemním návratu proudu.
• Menší izolační vzdálenosti než u střídavého proudu při stejné efektivní hodnotě napětí – není nutno dimenzovat na maximální hodnotu jako u střídavého proudu
• Možnost konverze stávajících střídavých vedení na stejnosměrná – třetí vodič může sloužit jako záložní, což zvýší spolehlivost přenosu
• Schopnost kontroly směru a hodnoty přenášeného výkonu
• Žádná potřeba kompenzačních stanic jalového výkonu na rozdíl od AC vedení

Nevýhody stejnosměrného přenosu

Základní nevýhodou je obtížná změna napětí. U proudu střídavého umožňuje transformátor snadnou a ekonomickou přeměnu napětí, také pořizovací náklady transformátorů jsou mnohem nižší než náklady na polovodičovou techniku. Dalšími nevýhodami jsou:

• Vhodné pouze pro přímé spojení dvou míst – pro každou další odbočku z vedení je nutno vybudovat novou měnírnu, čímž dojde k citelnému navýšení nákladů
• Při kratších vzdálenostech přenosu se výrazně projeví ztráty na polovodičových součástkách v koncových měnírnách vedení

Prvky rozvodny stejnosměrného vedení

Stejnosměrné vedení se skládá z několika prvků – měnírny v režimu střídače či usměrňovače a vedení mezi nimi. Základními prvky měníren jsou měničové transformátory, 12pulzní (tyristorové nebo IGBT) měniče, vyhlazovací tlumivky, filtry střídavého a stejnosměrného proudu a ochrany.

Měničový transformátor

Měničový transformátor slouží k navýšení napětí na vstupní hodnotu měniče. 12pulzní měnič je nutno zásobovat ze dvou 3fázových vstupů s fázovým rozdílem 30 nebo 150°. Toho je dosaženo zapojením transformátorů v režimu Yy0 a Yd5. Tím dochází ke snížení obsahu nízkých harmonických složek napětí, zejména 5. a 7. harmonické.

Měničový transformátor dále plní funkci galvanického oddělení DC a AC systémů a také reaktivní impedance v AC obvodu pro omezení zkratových proudů. Transformátory musejí být speciálně navrhovány pro potřeby HVDC přenosů s ohledem na zvýšené namáhání izolace stejnosměrným napětím a průchodem vyšších harmonických složek proudu.

Usměrňovač/střídač

V dnešní době lze rozlišit dva základní typy měničů – starší LCC (Line Commutated Converters) a moderní VSC (Voltage Source Converters) – v závislosti na typu použitých součástek.

Obecně však platí, že 12pulzní měnič je typicky složen ze dvou v sérii zapojených 6pulzních můstkových měničů. Jednotlivé ventily jsou složeny z mnoha v sérii řazených polovodičových součástek s ohledem na jmenovité napětí měniče.

LCC

LCC jsou polovodičové měniče využívající převážně tyristory. Takovéto prvky lze jednoduše sepnout do vodivého stavu, ale pro přechod do nevodivého stavu vyžadují změnu polarity ve střídavé sítí, ke které jsou připojeny.

Tato technologie bývá také nazývána CSC (current source converters), protože měniče se chovají jako proudové zdroje. Proud teče vedením stále v jednom směru a pro změnu toku výkonu se užívá změna polarity napětí v obou koncových měnírnách. Tato technologie je prostorově náročná a proto se hodí pro pevninské aplikace pro přenos velkých toků energie.

VSC

VSC technologie využívá tranzistory (IGBT). Tyto polovodičové součástky lze jak sepnout, tak i vypnout. Takto jsou měniče nezávislé na komutaci pomocí připojené střídavé sítě a prvky lze spínat s mnohonásobně vyšší frekvencí, což se ale projeví ve vyšších ztrátách.

Možnost řízeného vypínání polovodičů přináší schopnost řízení spotřeby jalové energie a měnič je schopen dodávat jalový výkon i do střídavé sítě. Tato technologie je také známa pod komerčními názvy HVDC Light^® společnosti ABB s HVDC Plus^® společnosti Siemens.

Rozvodny využívající tuto technologii dosahují až poloviční úspory rozměrů vůči starší LCC technologii. Díky menší náročnosti se proto hodí pro výstavbu na otevřeném moři.

Vyhlazovací tlumivky

Vyhlazovací tlumivky plní v obvodu několik funkcí. Vyhlazují stejnosměrný proud a omezují vznik přerušovaných proudů při nízkém zatížení vedení. Přerušovaný proud je nežádoucí – může způsobit vysoká přepětí, která mohou vést k poškození částí vedení.

Dále omezují vliv poruchových proudů. Také zabraňují rezonanci v obvodu na určitých frekvencích a jako sériová impedance potlačují vyšší harmonické složky, čímž přispívají k omezení rušení.

Filtry

Filtry střídavého proudu bývají umístěny na straně střídavého napětí. Jelikož 12pulzní LCC měniče vyžadují velké množství jalového výkonu (až 60% přeměněného činného výkonu), je nutno filtrovat vyšší harmonické průběhy proudu, které díky tomuto vznikají.

Filtry stejnosměrného proudu bývají připojeny k stejnosměrnému vedení a mají za úkol odstranit vyšší harmonické složky způsobující rušení.

Konfigurace DC sítí

Mezi nejběžnější uspořádání patří jednopólová, dvoupólová a tzv. vedení „nulové délky“ (Back-to-Back). Víceterminálová se vyskytují pouze ojediněle.

Jednopólové uspořádání

K přenosu stejnosměrného proudu je použit pouze jeden vodič pod napětím spojující koncové měnírny. Jako návratová cesta pro proud je použita země či moře, které jsou s měnírnami propojeny pomocí zemnících elektrod. Toto uspořádání je vhodné pro podmořské kabely využívající moře jako návratovou cestu. V případech, kdy prostředí není vhodné pro volný návrat proudu lze použít druhý vodič i přes vyšší pořizovací náklady a ztráty.

Dvoupólové uspořádání

Tato linka je složena ze dvou 12pulzních měničů na každé straně a 2 vodičů se stejnou hodnotou napětí avšak opačnou polaritou. V tomto případě zemí nebo zvláštním vodičem při běžném provozu teče pouze malý, vyrovnávací proud. Oproti 1pólovému uspořádání má dvojnásobnou přenosovou kapacitu a vyšší spolehlivost provozu.

V případě poruchy na jednom z měničů lze použít druhý vodič jako návratovou cestu pro proud a provozovat vedení s 50% kapacitou. V případě poruchy na jednom z vedení lze druhé opět provozovat s 50% kapacitou a jako návratovou cestu využít zem nebo třetí vodič, pokud je k dispozici.

Vedení „nulové délky“ (Back-toBack)

Již z názvu vyplývá, že usměrňovač i střídač se nachází blízko sobě – typicky v jedné budově. Funkcí tohoto uspořádání je především propojení dvou nesynchronních střídavých soustav a také může sloužit jako nástroj pro definování směru toku energie, což u klasických střídavých soustav není běžně proveditelné.

Na rozdíl od dálkových vedení pracují tyto stanice s relativně malým napětím (desítky kV). Ztráty na vedení vlivem vysokých proudů nejsou až tak vysoké s ohledem na délku vedení (desítky metrů). Pro nižší napětí není třeba velký počet sériově řazených polovodičových součástek a také jsou nižší požadavky na izolační vzdálenosti, což vede k úspoře prostoru.

Aplikace

Mezi běžnou aplikaci stejnosměrných přenosů patří dlouhá kabelová vedení, a to především podmořská – u dlouhých kabelových vedení nelze z důvodu vysoké kapacity použít střídavý proud.

Dalším, v dnešní době stále populárnějším užitím stejnosměrných přenosů, jsou přenosy vysokých výkonů v řádech tisíců MW na velké vzdálenosti. Jedná se především o vyvedení výkonu ze vzdálených zdrojů (např. velké vodní elektrárny) často umístěných stovky až tisíce kilometrů od míst spotřeby. Stejně tak jde o připojení zátěží velmi vzdálených od přenosových sítí (např. velké doly, ropné plošiny).

Se stále sílícím tlakem na využití obnovitelných zdrojů dochází k budování velkých farem či parků a to ať solárních, tak i větrných. Větrné elektrárny se často umisťují na moře, kde panují lepší povětrnostní podmínky. Stejnosměrný přenos se nabízí jako vhodná a v některých případech jediná volba pro efektivní a spolehlivý transport vyrobené elektrické energie do míst spotřeby.