مقدمه

 

در نخستين سالها الكتريسته به شكل مستقيم (DC) مورد استفاده قرار ميگرفت كه نمونه بارز آن باطريهاي الكترو شيميايي بودند كه در تلگراف كاربرد وسيعي داشت.

در اولين نيروگاه برق كه در سال 1882 توسط اديسون در شهر نيويورك احداث گرديد از ماشين بخار و ديناموهاي جريان مستقيم براي توليد برق استفاده شد و نيروي حاصله به همان فرم DC از طريق كابلهاي زيرزميني توزيع و مصرف شد. در سال 1880 تا 1890 با ساخت ترانسفورماتورها وژنراتورهاي القايي شبكه‌هاي انتقال AC توسعه فراواني پيدا كرد ، بطوريكه اين نوع شبكه بر شبكه‌هاي DC مسلط شد. علي رغم اين موضوع ، در اين سالها مهندسان تلاش زيادي جهت مرتفع ساختن مشكلات شبكه‌هاي انتقال DC به انجام رساندند ، بطوريكه رنه تيوري1 در سال 1889 با سري كردن ژنراتورهاي DC توانست به ولتاژ بالايي جهت انتقال DC دست يابد و در انتهاي خط هم تعدادي موتور DC را با هم سري كرده و هر يك از اين موتورها را با بك ژنراتورDC يا AC با ولتاژ كم كوپل كرده بود.

از اين نوع سيستم تا سال 1911 حدود 20 پروژه در اروپا به اجرا درآمد كه مهمترين آن در فرانسه بين موتيرز² در كوههاي آلپ فرانسه و شهر ليون با فاصله‌اي حدود km20 و سطح ولتاژ kv125 تا سال 1937 مورد بهره‌برداري قرار گرفت.

به هر حال با توجه به محدوديت ماشين‌هاي DC مشخص بود كه توسعه بيشتر HVDC به مدلهايي با كيفيت بهتر از اين نوع ماشين‌ها نياز داشت، به همين دليل عده‌اي به طرح ديگري از مبدلها پرداختند.

در سال 1932 ماركس در آلمان مبدلهايي با قوس هوا ابداع كرد كه باسويچينگ قوس بين دو الكترود مشابه، جريان متناوب قابل تبديل به جريان مستقيم مي‌شدند ولي اين نوع مبدل اشكالاتي از جمله عمر كم الكترودها، افت ولتاژ نسبتاً زياد (V500 روي قوس) و همچنين توان تلفاتي زياد براي قوس و براي دميدن هواي خاموش كننده قوس و خنك كنندگي حدود 3% قدرت انتقالي داشت.

در سال 1930 براي اولين بارديوهاي جيوه‌اي مجهز به الكترود كمكي ساخته شدند، اين نوع ديودها قابليت كار در حالت اينورتري را نيز داشتند به اين ترتيب در سالهاي بعد مبدلهاي شبكه‌ انتقال DC به ديودهاي مذكور مجهز شدند.

اولين خطوط HVDC با استفاده از اين نوع مبدلها در طول جنگ جهاني دوم در كشور آلمان احداث شد، اين خط به طول km115 و ولتاژ kv400 و ظرفيت انتقال قدرت Mw60 با كابل زيرزميني مورد بهره‌برداري قرار گرفت.

همچنين در اين سالها خطي بين مسكووكاشيراباطول km112 و ظرفيت Mw30 و ولتاژ kv100+ كه عمدتاً با استفاده از كابل و بعضي از قستمها هوايي بوده است، ايجاد شد.

انتقال انرژي الكتريكي با استفاده از سيستم فشار قوي جريان مستقيم ( HVDC )به عنوان مكمل سيستم‌هاي فشار قوي متناوب (HVDC ) و حتي در مواردي جايگزين آن از دهه ششم قرن ميلادي حاضر، مطرح بوده است. حدود Gw50 توان انتقال مي‌دهند.

به عنوان نمونه ميتوان از سيستم ايتايپو1 در برزيل ياد كرد. اين سيستم Gw 3/6 توان تحت ولتاژ kv600+ در فاصله‌اي به طول km800 انتقال مي‌دهد.

با بررسي سيستم‌هاي HVDC ساخته شده مي‌بينيم كه در بعضي از موارد انتقال انرژي با جريان مستقيم تنها راه چاره موجود است و مشكلات فني اجازه نمي‌دهند از جريان متناوب براي اين كار استفاده شود، به عنوان مثال انتقال توان با كابل از طريق دريا در فواصل طولاني يا ارتباط ميان شبكه‌هاي با فركانس متفاوت چاره‌اي جز استفاده از سيستم‌DC نيست. در برخي ديگر از سيستمهاي HVDC که برتری اقتصادی انتقالDC درآن مورد نسبت به انتقال ACسبب انتخاب HVDC شده است.

مثلاً با توجه به اينكه انتقالDC را مي‌توان با دو يا يك هادي ( به جاي سه هادي درAC ) انجام داد.

انتقال حجم زيادي از توان در فواصل طولاني( بيش از km800) بصورت DC نسبت به AC با صرفه ‌تر است. در بعضي از موارد پارامترهاي ديگري از قبيل بهبود پايداري، حفظ سطح اتصال كوتاه ، كنترل پذيري بيشتر هم مطرح می شوند که علی رغم داشتن هزینه برابر یابیشتر سيستم‌DC بر AC ترجيح داده مي‌شود.

پيشرفت‌هاي روز افزون در ساخت ادوات نيمه‌هادي براي توان‌هاي بالاتر با قيمتهاي ارزانتر راه استفاده ازانتقال جريان مستقيم را هموارتر كرده است.

 

 

 

 

 

معيارهايي از سيستم انتقال HVDC

 

 

سيستم HVDC بخاطر يك يا چند دليل از دلايل زير نسبت به سيستم AC در ولتاژهاي بالا ارجحيت دارد:

1ـ براي خطوط انتقال بلند با قدرت انتقالي بالا.

از نظر اقتصادي و بدون در نظر گرفتن تلفات كم در خطوط انتقال، از سيستم HVDC استفاده مي‌شود. بهر حالHVDC به تجهيزات ايستگاه‌هاي تبديل كننده اضافي احتياج دارد.

در انتقال قدرتهاي بالا در فواصل زياد مجموع تلفات سيستم‌ DC كمتر از سيستم AC است بطور كل در شرايط يكسان ، تصميم‌گيري بر اساس علم اقتصاد براي انتخاب يك طرح صورت مي‌گيرد.

خطوط HVDC احتياج به ايستگاه‌هاي مياني براي متعادل سازي ندارند ولي خطوط EHV-AC به اين ايستگاه‌ها احتياج دارند كه در شرايط يكسان تلفات ايستگاهها در خطوط HVDC كمتر از خطوط EHV-AC ميباشد.(شكل « 1-1»)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل (1-1) نمودار هزينه ـ مسافت سيستمهاي HVDC و ACوEHV-AC

 

2ـ براي متصل كردن دو سيستم (شبكه) AC كه داراي سيستم كنترل بارـ فركانس مي‌باشند.

سيستم HVDC چند مزيت نسبت به سيستم AC دارد. سيستمهاي HVDC براي سنكرون كردن دو سيستم AC بكار مي‌روند و خود اين سيستمها احتياج به سيستم‌هاي ديگري براي سنكرون شدن ندارند.

با HVDC ، قدرت انتقالي كنترل مي‌شود و اغتشاشات در فركانس وجود ندارد و حالات زود گذر در شبكه AC در هر دو طرف مي‌تواند در حد مطلوب بهبود داد شود.

3ـ براي ايستگاه‌هاي سنكرونيزاسيون پشت به پشت1

در جايي كه بخواهند دو سيستم AC با فركانس مختلف را بهم متصل كنند، مي‌توان از ايستگاه مبدل HVDC استفاده نمود و با استفاده از سيستم ، ميزان توان انتقالي و مبادله شده بين آنها را كنترل نمود.

4ـ اتصال چند شبكه جريان متناوب فشار قوي

اين امكان توسط سيستم HVDC جديد قابل اجرا است و بوسيله آن سه يا چند شبكه AC مي‌توانند بصورت سنكرون به هم متصل شوند.

قدرت جاري شده در هر يك از سيستم‌هاي AC متصل، ميتواند كنترل شود و همچنين قدرت‌هاي زيادي مي‌تواند منتقل شود.

5ـ براي كابلهاي انتقال زيرزميني و زير دريايي

اين كابلها براي فواصل متوسط و ولتاژهاي بالا و انتقال قدرت در دريا و اقيانوس مورد استفاده مي‌باشند.

خسارت ناشي از درجه حرارت حاصل شده بوسيله جريان هاي شارژ خازني كابل، محدوديتي براي بارها مي‌باشند. در هر ولتاژ مشخص محدوديتي براي طول كابل و همچنين محدوديتي براي انتقال توان توسط كابل مي‌باشد و در اين حالت كابل‌هاي HVDC ضروري مي‌باشند.

 

 

 

انواع سيستم‌هاي HVDC

 

 

يك سيستم انتقال HVDC ، انرژي الكتريكي را از يك يا چند ايستگاه AC از طريق جريان مستقيم به ايستگاه‌هاي ديگر AC منتقل مي‌كند و نيز توان را توسط چند ترمينال به شكل جريان مستقيم بين سه يا چند ايستگاه AC منتقل مي‌كند.

 

سيم تك قطبي¹

 

اين سيستم انتقال ، داراي يك قطب و زمين به عنوان مسير برگشت جريان مي‌باشد، به عبارت ديگر در اين سيتم جريان و قدرت از طريق هادي هاي خطوط و زمين كه مانند يك هادي مي‌باشد انتقال پيدا مي‌كند.

سيستم‌هاي تك قطبي HVDC براي قدرتهاي نسبتاً كم مورد استفاده قرار مي‌گيرند و عمدتاً توسط كابل انتقال مي‌يابند.

در بعضي از طرح‌هاي سيستم‌هاي تك قطبي به سادگي به سيستم‌هاي دو قطبي تبديل مي‌شوند ( به وسيله اضافه كردن ايستگاه و قطب خطوط).

جريان جاري در سيستم انتقال تك قطبي اجرا شده شكل(1-2) بين 200 تا 800 آمپر است.

جريان زمين در مسيري كه در اين طرح‌ها پيش‌بيني شده جاري مي‌شود، مسير زمين كم هزينه و مقاومت كمتري دارد و در نتيجه هادي كمتري استفاده مي‌شود كه سهم زيادي در اقتصاد سيستم دارد.

سيستم تك قطبي ارزشي معادل نيمي از سيستم دو قطبي دارد و هم ارزش است با طرح EHV-DC براي كابلهاي زير دريايي طولاني تا طول km25 و قدرت بالايي تا

حدود Mw 250. براي چنين كابلهايي توسط سيستم AC عملي نيست ، زيرا جريان شارژ خازني بالاي AC حرارترا در كابلها افزايش داده و علاوه لذا تلفات زياد به كابل نيز آسيب مي‌رساند.

 

 

 

 

 

 

 

شکل(1-2) نمايش يک سيستم انتقال HVDC تک قطبی

 

شبكه تك قطبي با بيش از يك هادي1

 

در چنين سيستمي دو يا چند خط انتقال با پلاريته يكسان (منفي) وجود دارد و برگشت جريان از زمين و يا از دريا انجام مي‌شود. در صورت بروز خطا در يكي از هاديها مي‌توان با اتصال مبدل‌ها به هادي ديگر داراي ظرفيت اضافه‌بار مي‌باشد بخشي از توان خط خارج شده را انتقال داد.

 

 

 

 

 

 

 

شکل(1-3) نمايش يک سيستم انتقال HVDC تک قطبی با دو هادی

 

در اين شبكه براي كاهش تلفات كرونا از وجود دو و يا چند هادي استفاده شده است . محدوديت كاربرد اين نوع لينك DC مانند تك قطبي همان عبور جريان از زمين مي‌باشد كه در اين جريان در مناطق شهري باعث خوردگي الكترونيكي لوله‌ها و سازه‌هاي فلزي و همچنين در دريا باعث انحراف قطب‌نماي مغناطيسي شناورهاي دريايي خواهد شد.

 

سيستم‌ انتقال دو قطبي HVDC 1

 

در اين خطوط انتقال HVDC ايستگاه‌ها دو قطبي مي‌باشند يكي مثبت و ديگري منفي. نقاط وسطي مبدل‌ها در هر ايستگاه زمين شده است و قدرت انتقال آن دو برابر تك قطبي است.

اين سيستم براي انتقال قدرتهاي بالا و مسافت زياد مورد استفاده قرار مي‌گيرد. يك برج خط HVDC دو قطبي دو هادي دارد يكي پلاريته مثبت كه از طريق بدنه برج زمين مي‌شود و ديگري منفي كه ولتاژ بين دو قطب دو برابر ولتاژ بین قطب وزمین است.

یک سیستم دو قطبی نرمال از دو تک قطب مجزا با يك زمين ساخته مي‌شود لذا اين دو قطب مي‌توانند بطور مجزا و مستقل راه‌اندازي شوند.

در راه‌اندازي نرمال با جريانهاي مساوي جريان زمين صفر مي‌باشد ولي با بروز اشكال در يكي از قطبها ، قطب ديگر مي تواند نيمي از قدرت دو قطبي را انتقال دهد و لذا با بروز اشكال در يك سيستم دو قطبي ، آن سيستم مي‌تواند بطور اتوماتيك به يك سيستم تك قطبي تبديل شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل (1-4) نمايش يک سيستم دو قطبی

 

 

 

 

مزايا و معايب خطوطHVDC از نظر فنی

 

بطور خلاصه مي توان مزاياي فني خطوط HVDC نسبت به خطوط HVAC و EHV-AC را به ترتيب زير بيان كرد.

1ـ عدم انتقال توان راكتيو

2ـ عدم محدوديت روي طول خط بخاطر پايداري

3ـ هر سيستم مي‌تواند به طور مستقل عمل نمايد در حاليكه در AC توان عملكرد دو فاز و تكفاز موجود نيست.

4ـ تلفات اهمي كمتر ( به خاطر نبودن اثر پوستي)

5ـ ظرفيت بيشتر هاديها ( به خاطر ضريب توان يك)

6ـ كرونا و تداخل امواج راديويي كمتر

7ـ سطح اتصال كوتاه كمتر در طرف DC و زياد نكردن اتصال كوتاه در شبكه AC

8ـ كنترل سريع فلوي انرژي به خاطر وجود يكسو كننده‌ها

9ـ سطح ولتاژ كليدزني كمتر

از نظر فني معايب شبكه‌هاي DC نسبت به AC عبارتند از:

1ـ عدم وجود كليدهاي سريع HVDC كه پيدايش شبكه‌هاي به هم پيوسته DC را ناممكن يا مشكل مي‌كند.

2ـ ايجاد هارومونيك زياد توسط يكسو كننده‌ها كه استفاده از فيلترها را در محل يكسو كننده‌ها ضروري مي‌كند.

3ـ توان راكتيو مصرفي توسط يكسو كننده‌ها كه وجود خازنهاي موازي را در محل يكسو كننده‌ها ضروري مي‌كند.

 

 

 

 

 

ارزيابي

 

در جريان مستقيم توليد انرژي و تبديل ولتاژ خصوصاً در مقادبر بزرگ بسيار مشكل بوده و نسبت به جريان متناوب گرانتر مي باشد. با اين وجود سيستم‌هاي DC برخي از مسائل و مشكلات سيستم‌هاي AC مانند سنكرونيزاسيون و پايداري را ندارند. ضمناً در انتقال انرژي بصورت EHV-AC و انتقال انرژي با كابل‌هاي عايقدار و برخي موارد ديگر، استفاده از سيستم DC ارزانتر مي‌باشد.

در خطوط انتقال انرژي بصورت DC هزينه هادي، هزينه ايزولاسيون و هزينه پايه و پي در شرايط يكسان نسبت به خطوط ACاساس سيستم‌هاي قدرت را تشكيل مي‌دهند بنابراين تنها در شرايطي كه طول خط انتقال بسيار بلند باشد از سيستم‌DC استفاده مي‌شود.

در انتها نيز مقايسه‌اي بين HVDC و HVAC انجام مي‌دهيم:

1ـ هزينه ساخت ايتسگاه‌هاي يكسو‌سازي در سيستم HVDC از هزينه ساخت پستها در HVAC خيلي بيشتر است.

2ـ خطوط انتقال هوايي (دكلها، مقره‌ها و… ) در HVDC از خطوط انتقال هوايي در HVAC ارزانتر مي‌باشد.

3ـ كابل‌هاي HVDC از كابل هاي HVAC خيلي ارزانتر هستند و لذا براي فواصل زياد مقرون به صرفه بوده و انتقال انرژي بوسيله HVDC ارزانتر از HVAC است.

توسط سيستم HVDC مي‌توان صرفه‌جويي زيادي نمود.

 

 

 

بخش دوم

انواع سيستمهاي كنترل HVDC