HVDC یا سیستم های انتقال توان جریان مستقیم ولتاژ بالا

HVDC یا سیستم های انتقال توان جریان مستقیم ولتاژ بالا، با سیستم های معمول جریان متناوب متفاوت است و به عنوان سیستمی برای انتقال توان های زیاد به کار می رود. این سیستم اولین بار در دهه 1930م 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 10 تا 20 مگاواتی در گاتلند سوئد در سال 1954م انجام شد.

افزایش انتقال AC
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 کابل های زیر دریا و در اتصالات بین سیستم های غیر سنکرون (با فرکانس های مختلف). اما برای اغلب شرایط موجود انتقال توان به صورت جریان متناوب کماکان مناسب است.

در تلاش های اولیه انتقال توان الکتریکی، از جریان مستقیم استفاده می شد. اما به هر حال در این دوران سیستم جریان متناوب برای انتقال توان بین نیروگاه ها 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 ماشین های 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 سخت تر مورد استفاده واقع می شوند و خطرناک تر هستند، اما سطح جریان پایین تری که برای ولتاژ های بالا مورد نیاز است، برای یک سطح توان معین منجر به استفاده از کابل های کوچکتر و تلفات توان کمتری به صورت گرما می شود. انتقال توان همچنین می تواند توسط ولتاژ حداکثر محدود شود.
یک خط جریان مستقیم که در ولتاژ حداکثری برابر یک خط جریان متناوب کار می کند، می تواند 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 پایین تر برای بهره برداری های 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 مشکل تر است.

مزیت های HVDC بر انتقال جریان متناوب
علی رغم اینکه سیستم انتقال توان جریان متناوب غالب است اما در برخی از کاربردها، HVDC ترجیح داده می شود:

کابل های زیر دریا (مانند کابل 250 کیلومتری بین سوئد و آلمان) انتقال توان زیاد در مسافت های بلند از یک نقطه به یک نقطه دیگر و بدون تپ های میانی، برای مثال در مناطق دور افتاده.
افزایش ظرفیت یک شبکه برق در شرایطی که نصب سیم های اضافی مشکل زا یا هزینه بردار است.
امکان انتقال توان بین سیستم های توزیع غیر سنکرون جریان متناوب.

کاهش سطح مقطع سیم کشی و دکل های برق برای یک ظرفیت انتقال داده شده. HVDC می تواند در هر هادی توان بیشتری را انتقال دهد چرا که برای یک توان نامی داده شده ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین تر از حداکثر ولتاژ در یک خط جریان متناوب است. این ولتاژ ضخامت عایق و فاصله گذاری بین هادی ها را تعیین می کند.

اتصال نیروگاه های معین به شبکه توزیع
پایدار کردن شبکه های برقی که بیشتر AC هستند.
خطوط بلند زیر دریا دارای ظرفیت خازنی بالایی هستند. این امر موجب می شود که توان جریان متناوب به سرعت و به شدت به صورت تلفات راکتیو و دی الکتریک حتی در کابل های با طول ناچیز تلف شود. HVDC می تواند توان بیشتری در هر هادی انتقال دهد چرا که برای یک توان نامی ولتاژ ثابت در یک خط جریان مستقیم پایین تر 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 سیم ها و مسیرهای موجود را برای انتقال توان بیشتر در منطقه ای که مصرف توانش بالاتر است را ممکن می سازد و موجب کاهش هزینه ها می شود.

مزیت های احتمالی بهداشتی سیستم HVDC بر سیستم جریان متناوب
برای مدتی این گمان وجود داشت که بین میدان القایی یک جریان متناوب (خصوصاً در فرکانس های عمومی خطوط که 50 و 60 هرتز است) و امراض خاصی ارتباط وجود دارد. یکی از خواص سیستم جریان مستقیم این است که دیگر چنین میدان های مغناطیسی متناوبی وجود ندارند. اخیرا در مطالعات آزمایشگاهی نشان داده شده است که چنین میدان های متناوبی منجر به افزایش اشباع رادیکال های آزاد در جرم خون حیوانات می شود (این افزایش می تواند توسط آنتی اکسیدان ها جلوگیری شود). رادیکال های آزاد به عنوان علل احتمالی تعدادی از بیماری ها شناخته شده اند. مزایای این سیستم تنها شامل آنهایی می شود که در معرض خطوط انتقال زندگی می کنند چرا که مشکلات احتمالی میدان های 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) مسواک های الکتریکی که به صورت القایی شارژ می شوند، ارتباط دارد.

اتصالات بین شبکه های جریان متناوب
با به کار گیری فن آوری تریستور تنها شبکه های جریان متناوب سنکرون را می توان به هم متصل کرد؛ یعنی شبکه هایی که با سرعت یکسان و فاز مشابه نوسان می کنند. بسیاری از مناطقی که مایل به اشتراک گذاشتن توان هایشان هستند دارای شبکه ای غیر سنکرون هستند.
ارتباطات جریان مستقیم به چنین مناطقی این امکان را می دهد که به هم متصل شوند. اما بهر حال سیستم های جریان مستقیمی که بر پایه ترانزیستورهای IGBT هستند اتصال سیستم های غیر سنکرون جریان متناوب را ممکن می سازند و نیز امکان کنترل ولتاژ متناوب و عبور توان راکتیو را فراهم می آورند. حتی یک شبکه سیاه را می توان به این روش به شبکه مورد نظر متصل کرد.

سیستم های تولید توان نظیر باتری های فتو ولتایی تولید جریان مستقیم می کنند. توربین های آبی و بادی تولید جریان متناوبی در فرکانسی وابسته به سرعت شاره ای که آنرا به حرکت در می آورد، می کنند. در حالت اول جریان مستقیم ولتاژ بالا را می توان مستقیما برای انتقال توان به کار برد. در حالت دوم ما دارای یک سیستم غیر سنکرون هستیم که به همین دلیل پیشنهاد می شود 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 می کند.

سیستم آلات تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم گران هستند و هزینه قابل توجهی را در انتقال توان به خود اختصاص می دهند.
تبدیل از جریان متناوب به جریان مستقیم را یک سو سازی و تبدیل از جریان مستقیم به جریان متناوب را اینورژن می نامند. برای فاصله ای بیش از یک فاصله معین ( که حدود 50 کیلومتر برای کابل های زیر دریا و احتمالا 600 تا 800 کیلومتر برای کابل های 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 فاصله ای که در آن هزینه ها با درآمد ها برابر می شود را یک فاصله یربه یر (مساوی) می نامند. علم الکترونیک همچنین اجازه این را به ما می دهد 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
سیستم های اولیه از یک سو سازهای آرک ـ جیوه استفاده می کردند که قابل اعتماد نبودند. برای اولین بار شیرهای تریستوری در 1960م 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 می شود. امروزه از ترانزیستور دو قطبی گیت عایق شده (IGBT) نیز به جای تریستور استفاده می شود.

به دلیل اینکه ولتاژ در HVDC گاهاً حول 500 کیلو ولت است و از ولتاژ شکست دستگاه های نیمه هادی بیشتر است، مبدل های HVDC با استفاده از تعداد زیادی نیمه هادی ساخته می شوند که سری شده اند. با این کار عملا ولتاژی که روی هر نیمه هادی می افتد کاهش می یابد و می توان از نیمه هادی های با ولتاژ شکست پایین تر که ارزان تر نیز هستند استفاده کرد.
برای دادن فرمان به تریستور ها نیاز به یک مدار فرمانی داریم که با ولتاژی پایین عمل می کند و می بایست از مدار ولتاژ بالای سیستم جدا شود. این کار معمولا به صورت اپتیکی یا نوری انجام می شود. در یک سیستم کنترل هایبرید تجهیزات الکترونیکی ولتاژ پایین پالس های نوری را در طول فیبرهای نوری به بخش ولتاژ بالا کنترل الکترونیکی ارسال می کنند.

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

سیستم های یک سو سازی و اینورتری
یک سوسازی و اینورژن اساسا یک مکانیزم را دارا هستند. بسیاری از پست های برق بگونه ای 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 می شوند که اغلب سه ترانسفورماتور تک فاز جدا از هم هستند که ایستگاه مورد نظر را از تغذیه جریان متناوب جدا می کنند 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 می شود. ساختار اصلی شامل شش شیر است که هر سه شیر هر سه فاز را به یکی از دو سر ولتاژ مستقیم وصل می کند. اما به هر حال در این سیستم، به دلیل اینکه هر 60 درجه یک تغییر فاز داریم یا به عبارتی یک ولتاژ شش پالسه داریم، هارمونیک های این ولتاژ هم قابل ملاحضه اند.

یک ساختار بهبود یافته این سیستم از 12 شیر (که اغلب به عنوان سیستم 12 شیره شناخته شده) استفاده می کند. در این سیستم جریان متناوب ورودی را قبل از ترانسفورماتور ها به دو بخش تقسیم می کنیم. یک بخش را به یک اتصال ستاره از ترانسفورماتورها اعمال می کنیم و بخش دیگر را به یک اتصال مثلث از ترانسفورماتورها در نظر می گیریم. در این صورت شکل موج خروجی این دو ترانسفورماتور سه فاز با هم 30 درجه اختلاف فاز خواهد داشت. حال 12 شیری که داریم هر یک از این دو دسته سه فاز را به ولتاژ مستقیم وصل می کنند و در این صورت هر 30 درجه یک تبدیل فاز خواهیم داشت، یا یک ولتاژ 12 پالسه خواهیم داشت که این به معنی کاهش قابل ملاحضه هارمونیک ها است.
علاوه بر تغییر دادن ترانسفورماتورها و شیرها، می توان توسط اجزا راکتیو، پسیو و مقاومتی مختلفی برای حذف هارمونیک های موجود بر روی ولتاژ مستقیم استفاده کرد.

نگرش کلی
قابلیت کنترل پذیری عبور جریان از طریق یک سو سازها و اینورتورهای HVDC ، کاربرد آنها در اتصالات بین شبکه های غیر سنکرون و کاربرد آنها در کابل های کارای زیر دریا به این معنی است که کابل های HVDC اغلب در مرزهای ملی و برای مبادلات توان به کار می برند.
نیرو گاه های بادی داخل آب نیز نیازمند کابل های زیر دریا هستند و توربین های آنها نیز غیر سنکرون. از خطوط انتقال HVDC می توان 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 هزینه های کمتر از خطوط معمولی است منطقی به نظر می رسد.

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.

معمول ترین 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 می شوند. این اتصالی است که به صورت زیادی در اتصال شبکه های غیر سنکرون در خطوط انتقال بلند و در کابل های زیر دریا به کار می رود.
سیستم انتقال توان چند ترمیناله (که از سه ایستگاه یا بیشتر استفاده می کند) HVDC هم به علت هزینه های بالای ایستگاه های مبدل و اینورتر، از دو سیستم دیگر کمتر مورد استفاده قرار می گیرد. ساختار ترمینال های چندگانه می تواند سری یا موازی و یا هیبرید (ترکیبی از سری و موازی) باشد. از ساختار موازی برای ایستگاه های با ظرفیت بالا استفاده می شود در حالی که از ساختار سری برای ایستگاه های با ظرفیت کمتر استفاده می شود.
سیستم های تک قطبی نوعا 1500 مگا وات را حمل می کنند.

یک اتصال دو قطبی از دو سیم استفاده می کند، یکی در پتانسیل بالای مثبت و دیگری در پتانسیل بالای منفی. این سیستم دارای دو مزیت نسبت به اتصال تک قطبی است:
اول اینکه می تواند توانی معادل دو برابر سیستم تک قطبی حمل کند که نوعا برابر 3000 مگا وات است ( جریان یکی است اما اختلاف پتانسیل بین سیم ها دو برابر است).
دوم اینکه این سیستم می تواند با وجود خطا در یکی از سیم ها، و با استفاده از زمین به عنوان یک مسیر بازگشت به کار خود ادامه دهد.

اتصالاتHVDC چند ترمیناله که بیش از دو نقطه را به هم متصل می کنند ممکن هستند اما بندرت یافت می شوند. یک مثال از این اتصالات سیستم 2000 مگاواتی Hydro Quebec است که در سال 1992 م افتتاح شد