Раздел 2. Источники возобновляемой нетрадиционной энергетики

У системах змінного струму з великою кількістю електростанцій існує проблема під тримки синхронної роботи всіх генераторів. Стійкий стан такої системи в нормальних режимах роботи визначається її технічними параметрами, що забезпечують здатність системи протистояти збуренням режиму. Особливого значення набуває проблема стійко сті синхронної (паралельної) роботи декількох енергосистем, об'єднаних міжсистемними зв'язками. 

Недостатня пропускна здатність міжсистемних зв'язків (з малим запасом стійкості) у ситуаціях різкого зростання навантажень, короткого замикання, раптового відключення генеруючих та передавальних елементів системи може призводити до порушення статичної стійкості (при малих збуреннях) і динамічної стійкості (при різких і глибоких порушеннях нормального режиму). Внаслідок порушення стійкості відбувається випадання генераторів із синхронізму, що може призвести до розпаду енергосистем, які входять в енергооб’єднання, на несинхронні частини з важкими економічними наслідками для споживачів електроенергії.

Стійкість систем є основним чинником, що обмежує пропускну спроможність електропередач змінного струму великої довжини, близької до довжини чверті хвилі поширення електромагнітного поля уздовж лінії (1500 км при промисловій частоті 50 Гц або 1250 км при частоті 60 Гц).

Із зазначених причин у другій половині ХХ століття знову виник інтерес до електропередач постійного струму (ЕППС). Однак на відміну від раннього періоду розвитку цих передач у ХІХ столітті їх тепер характеризують висока пропускна спроможність, більша довжина і надвисокі напруги.

Принципова схема передачі включає випрямляч трифазного змінного струму в постійний струм високої напруги та інвертор (перетворювач постійного струму в змінний). Випрямляч може створювати високу постійну напругу одного знака (+) на одному полюсі лінії відносно другого заземленого полюса (уніполярна передача) або напругу різних знаків (плюс або мінус) на кожному з полюсів змінної напруги та струму відносно середньої заземленої точки випрямляча (біполярна передача, мал.2.3).

14 серпня 2003 року в енергооб’єднанні систем східного узбережжя США і півдня Канади відбулася найбільша в історії світової електроенергетики аварія з розпадом енергосистем. Про масштаби скоєного можна судити з наступних даних. У процесі розвитку аварії були знеструмлені споживачі сумарною потужністю 61800 МВт. Постраждали споживачі восьми штатів США (Огайо, Мічиган, Нью-Йорк, Пенсільванія, Нью-Джерсі, Вермонт, Коннектикут, Массачусетс), а також двох канадських провінцій (Онтаріо та Квебек). Аварія торкнулася 6 зон оперативного керування і призвела до зупинки понад 100 генеруючих агрегатів на електростанціях, у тому числі 22 реакторів на 9 атомних електростанціях. Були закриті 10 аеропортів, скасовано більше 700 авіарейсів. У метрополітені Нью-Йорка затрималося близько 350 тис. осіб. Протягом багатьох годин більше 50 млн. осіб, що проживають на території площею 24 тис. кв. км, залишалися без світла. На повне відновлення енергопостачання знадобилось 44 години.
Наприкінці вересня цього ж року кілька годин залишалася повністю знеструмленої вся Італія, коли в результаті грози було пошкоджено дві із чотирьох ліній електропередач, що зв'язують енергосистеми Італії і Франції.

Мал. 2.3. Принципова схема біполярної ЕППС між двома енергосистемами

В уніполярній передачі, яку часто використовують для підводної прокладки кабелю, випрямляч з інвертором з'єднується одним провідником (кабелем постійного струму). У біполярній передачі випрямляч з інвертором з'єднуються двополюсною лінією постійного струму. У конструктивному відношенні ця лінія може бути виконана як протяжна повітряна лінія із двома полюсними провідниками на опорах або як кабельна лінія із двома полюсними кабелями постійного струму.

У процесі перетворення струмів споживається значна реактивна потужність (0,5–0,6 кВА на 1 кВт активної потужності). Конденсаторні установки, необхідні для генерації реактивної потужності, ускладнюють і здорожують конструкції перетворювальних підстанцій електропередач постійного струму.

Технологія силового перетворення трифазних змінних струмів у середині ХХ століття ґрунтувалася на застосуванні ртутних лампових випрямлячів великої потужності. На території колишнього СРСР першу міжсистемну ЕППС із ртутними випрямлячами було побудовано в 1962 році між Волзькою ГЕС і підстанцією Михайлівка в Луганській області України. Напруга передачі ± 400 кВ, довжина 473 км, проектна потужність 750 МВт.

Техніка перетворення струму йшла шляхом безперервного вдосконалення від перших випрямлячів з «ртутниками» і 6-фазним режимом випрямлення до систем на базі силової напівпровідникової техніки і 12-фазним режимом випрямлення з електронним управлінням. У 60-х роках ХХ століття почалося широке застосування силових тиристорів спочатку з масляним охолодженням, а потім з охолодженням деіонізованою водою.

На біполярній ЕППС ± 530 кВ Кабора Басса потужністю 1920 МВт, що знаходиться на території Мозамбіку, де в 70-ті роки ХХ століття велися військові дії з антиурядовими групами, кожний полюс лінії постійного струму був споруджений на окремих опорах і проходив по різних трасах, віддалених одна від одної на десятки кілометрів. Це дозволяло у випадку диверсії (підриву опори) зберігати половину потужності передачі по непошкодженому полюсу.

У 1970 році в США було введено в дію тихоокеанську лінію постійного струму потужністю 1400 МВт, напругою ± 400 кВ, довжиною 1362 км для передачі електроенергії від ГЕС в штаті Орегон в енергосистему Лос-Анджелеса. У період 1973–1990 рр. у Канаді були введені в експлуатацію три передачі довжиною близько 900 км, побудовані від ГЕС Нельсон Рівер, що знаходяться у полярному колі, до м. Вінніпег на півдні країни. Потужність третьої ЕППС склала 2000 МВт при напрузі ±500 кВ. У 1983 та 1985 рр. в Бразилії введені в роботу два ланцюги ЕППС ГЕС Ітайпу пропускною спроможністю 3150 МВт на ланцюг при напрузі ± 600 кВ. Довжина кожного ланцюга близько 800 км.
У 80-х роках ХХ століття в СРСР проводились інтенсивні роботи з побудови ЕППС ± 750 кВ Екібастуз (Казахстан) – Центр Росії довжиною 2400 км, потужністю 6000 МВт для передачі електроенергії від найпотужніших ТЕС на родовищах дешевого вугілля.

Електропередачі постійного струму застосовувалися повсюдно для транспортування електроенергії від потужних ГЕС або ТЕС, віддалених на великі відстані від центрів електроспоживання.

Поряд з використанням електропередач постійного струму для транспортування електроенергії їх стали застосовувати для виконання функцій міжсистемних зв'язків значної довжини. Ефективність застосування далеких передач постійного струму обумовлена не тільки підвищенням стійкості міжсистемних зв'язків, але й низькими втратами активної потужності, зменшенням розмірів конструкцій біполярної лінії в порівнянні з трифазною повітряною лінією при однаковій потужності (мал. 2.4), відсутністю обмежень довжини передачі та можливістю швидкого регулювання величини потужності та напрямків її передачі за рахунок оборотності випрямлячів в інвертори і навпаки.

Системи електропередач постійного струму виявилися особливо затребуваними для підводних кабельних ліній при відстанях до 300 км і напрузі 400 кВ. Морські підводні кабелі постійного струму знайшли широке застосування, особливо в Японії та Європі (наприклад у Балтійському регіоні, табл. 2.2). Одну з найдовших європейських кабельних ліній довжиною 292 км прокладено ще в 1967 році між Італією та островом Сардинія через Тірренське море. У 2005 році побудована електропередача постійного струму між Австралією та островом Тасманія. Довжина підводної частини електропередачі становить 295 км.

Мал. 2.4. Порівняння опор ПЛ 800 кВ змінного струму (а) та ПЛ ±500 кВ постійного струму (б) для однакової передаваної потужності (розміри зазначені в метрах)

Таблиця 2.2. Лінії постійного струму Балтійського регіону

* ППС 4 перебуває в стадії проекту, інші експлуатуються.

Потужні електропередачі постійного струму в майбутньому можуть стати засобом об'єднання енергосистем у трансконтинентальні енергооб’єднання. Розглядається варіант будівництва потужної багатопідстанційної електропередачі постійного струму, що з'єднає енергосистеми Росії, Білорусі, Польщі та Німеччини. Можливе створення зв'язку постійного струму Росія – США через Берінгову протоку.

Системи електропередач постійного струму використовуються також як з’єднувальні вставки між двома енергосистемами, що працюють на змінному струмі несинхронно або з різною номінальною частотою. Крім того, використання вставки постійного струму (ВПС) ефективне при різних способах регулювання частоти струму і напруги в енергосистемах, що з'єднуються, або при неспіврозмірності потужностей цих систем. У вставках постійного струму випрямний та інверторний перетворювачі розміщують на одній і тій же підстанції, а довжина лінії постійного струму, що з'єднуює їх, складає всього кілька метрів. Вставки постійного струму забезпечують розв'язку енергосистем, що примикають, по частоті, напрузі та потужності короткого замикання за високої керованості передачі енергії по величині та напрямку в одну або другу енергосистему. В Японії вставки постійного струму застосовані для з’єднання енергосистем, що працюють на частоті змінного струму 50 і 60 Гц. Одну з потужних вставок постійного струму споруджено в Росії (м. Виборг) для зв'язку двох найбільших енергооб’єднань – ЄЕС Росії та NORDEL (об'єднання енергосистем країн Північної Європи).

Прокладання кабельних ліній електропередач

Відкритий розподільний пристрій 750 кВ підстанції «Київська»