- HVDC-siirto: Sähkön valtatie uusiutuvien energialähteiden uuteen aikakauteen
- Jännitesyötön muuntimien (VSC) tekniikka HVDC-siirtojärjestelmissä
- Edistykset Ultra HVDC (UHVDC) -infrastruktuurissa, joka on merkittävä uusiutuvan energian siirtoon
Tarve tehokkaalle ja joustavalle sähkönsiirtojärjestelmälle on jatkuvasti tuntunut nykypäivän teollistuneissa talouksissa. Poliittisten päättäjien ja kaupallisten yksiköiden käytettävissä on useita vaihtoehtoja, joissa suurjännitteiset tasavirran (HVDC) siirtojärjestelmät ovat nousemassa toteutettavissa olevaksi energianhallintamekanismiksi.
Kehittäminen HVDC teknologian ennakoi suuri muutos tavassa, jolla sähköä siirretään pitkiä matkoja, koska se tarjoaa moninkertainen etuja vaihtovirta (AC) siirtoverkkojen. HVDC-siirtojärjestelmät tarjoavat etuja pienempien päästöjen ja kustannussäästöjen kannalta, kun niitä käytetään yläpuolella pitkiä matkoja ja maan alla tai veden alla lyhyitä matkoja.
Tarjoamalla maksimaalisen ohimenevän hyötysuhteen ja pienemmät tehohäviöt riippumatta sähkön kulkemasta etäisyydestä HVDC-siirtojärjestelmät luovat merkittävän potentiaalin sähkönsiirtoon pitkiä matkoja, kuten saaria ja jopa mantereita. HVDC-tekniikoiden edistysaskel avaa tietä uusiutuville sähköjärjestelmille, mikä osoittaa positiivisten tulevaisuuden näkymien HVDC-siirtoverkkomarkkinoille, joiden arvo oli vuonna 2018 lähes 7,4 miljardia dollaria.
HVDC-siirto: Sähkön valtatie uusiutuvien energialähteiden uuteen aikakauteen
HVDC-siirtojärjestelmät ovat nousemassa kallioperäksi, jolle uutta uusiutuviin lähteisiin perustuvaa energiajärjestelmää kehitetään ja toteutetaan. Uusiutuvat energiajärjestelmät, kuten aurinko- ja tuulivoimaprojektit, ovat usein erittäin epävakaita ja sijaitsevat syrjäisillä alueilla. Jatkuvasti kehittyvä HVDC-tekniikka on nousemassa uudessa energiataloudessa kaukoliikenteen HVDC-siirtolinjoilla, jotka voivat kuljettaa tehoa mahdollisimman tehokkaasti ja tehon minimaalisesti.
HVDC-linjoista on tulossa "sähkövaltateitä", jotka nopeuttavat uusiutuvien energiantuotantojärjestelmien tulevaisuutta kolmella tavalla: yhdistämällä olemassa olevat voimalaitokset, kehittämällä uusia aurinkovoimaloita ja integroimalla merituulivoimahankkeita. Tehopuolijohteet, suurjännitekaapelit ja muuntimet ovat HVDC-tekniikan keskeisiä komponentteja, jotka tuovat selkeät piirteet modernin tasavirran (DC) siirtojärjestelmään.
Uusien voimalaitosten rakentamisen tarpeita voidaan lykätä ottamalla käyttöön HVDC-siirtojärjestelmät, koska se yhdistää eri sähköjärjestelmät toimimaan tehokkaammin. Uusi sähköjärjestelmä voi saavuttaa suurempia taloudellisia ja ympäristöllisiä etuja suurista vesivoimavaroista, jotka korvaavat perinteisten sähköjärjestelmien lämpötuotantojärjestelmät HVDC-siirtojohtojen kautta.
HVDC-siirrosta on tullut valtatie uusiutuvien energialähteiden laajamittaiseen integrointiin tarjotakseen yhteenliitettyjä verkkoja, jotka ovat riittävän luotettavia ja joustavia vastaamaan uuden uusiutuvan energian talouden haasteisiin. HVDC-siirtoverkot mahdollistavat kuormituksen tasapainottamisen HVDC-moottoriteiden välillä sekä linjojen ja muunnosasemien jakamisen aurinkohankkeissa ja merituulivoimalaitoksissa. Siksi HVDC-siirtojärjestelmien käyttöönottoa pidetään taloudellisesti kannattavana tapana tuottaa redundanssi ja luotettavuus tällaisissa sähköverkoissa.
Lisäksi HVDC-siirtojärjestelmät tarjoavat myös toteuttamiskelpoisia ratkaisuja nykyisiin ajorata-haasteisiin. Yksi HVDC-siirtojärjestelmä, joka on sijoitettu yläpuolelle, voi osoittautua luotettavammaksi kuin kaksipiirinen AC-siirtojohto. HVDC-infrastruktuuri voi parantaa sähkön ohimenevää hyötysuhdetta käyttämällä eristettyjä HVDC-kaapeleita maanalaisissa ja merenalaisissa sovelluksissa, mikä voi nopeuttaa ajo-oikeuksien sallimisprosesseja. Lisäksi HVDC-siirtojärjestelmät voidaan asentaa myös nykyisten vaihtovirtajohtojen viereen tai viereen, mikä vähentää maantiekäytön tarvetta.
Jännitesyötön muuntimien (VSC) tekniikka HVDC-siirtojärjestelmissä
HVDC-siirtojärjestelmissä käytetään virtalähteitä, linjavaihdettuja muuntimia (LCC), jotka vaativat loistehoa sarjakondensaattoreilta, shunttipankeilta tai suodattimilta toimiakseen. Tavanomainen HVDC-siirtojärjestelmä ei kuitenkaan pysty tarjoamaan dynaamista jännitetukea vaihtoverkolle ja ohjaamaan järjestelmän jännitettä hyväksyttävällä alueella halutun toleranssin sisällä. Näin ollen jännitesyöttömuuntimia käytetään tavanomaisissa HVDC-siirtojärjestelmissä paitsi dynaamisen jännitesäädön tarjoamiseksi vaihtovirtaverkolle myös järjestelmän tehovirran ohjaamiseksi.
VSC-tekniikkaan perustuvat HVDC-siirtojärjestelmät voivat tarjota sekä aktiivisen että loistehon itsenäisen ohjauksen ilman kommutointivikoja. IGBT-venttiilien kytkentä VSC-pohjaisessa HVDC-lähetyksessä seuraa pulssinleveyden modulointia (PWM), jonka avulla järjestelmä voi säätää muuntimen vaihtovirran lähtöjännitteen vaihekulmaa ja amplitudia tasaisella DC-jännitteellä.
Lisäksi VSC-pohjaiset HVDC-siirtojärjestelmät koostuvat kahdesta itsenäisestä ohjaus- ja suojausjärjestelmästä, jotka käsittävät digitaaliset signaaliprosessorit ja mikrokontrollerit, ja tarjoavat redundanssin korkean luotettavuuden varmistamiseksi. Tällaiset ominaisuudet johtuvat loppukäyttäjien taipumuksesta VSC-tekniikkaan HVDC-siirtojärjestelmien LCC-tekniikan suhteen.
VSC-pohjaisten HVDC-järjestelmien suosio kasvaa HVDC-siirtojärjestelmien markkinoilla, ja niiden osuus liikevaihdosta on yli 55%. VSC-pohjainen siirtotekniikka on tullut vanhaksi tavanomaisille HVDC-siirtojärjestelmille, vaikka se onkin suhteellisen kalliimpi vaihtoehto korkeampiluokkaisille siirtosovelluksille.
Johtavat yritykset HVDC-siirtojärjestelmämarkkinoilla edistävät VSC-tekniikan käyttöönottoa, jotta HVDC-siirron luotettavuus paranisi maailmanlaajuisesti toteutettavissa uusiutuvien energialähteiden projekteissa. Esimerkiksi Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation - johtava japanilainen sähköntuotantojärjestelmien valmistaja - ilmoitti maaliskuussa 2019 asentavansa VSC-pohjaisen HVDC-siirtoyhteyden, joka yhdistää Manner-Japanin (Honshu) pohjoiseen Hokkaidon saarelle. ilmoitti, että tämä on Japanin ensimmäinen VSC-pohjainen HVDC-järjestelmä, joka varmistaa 600 MW: n yhteenliittämiskapasiteetin koko ajan.
Huhtikuussa 2019 ABB-konserni - sveitsiläis-ruotsalainen monikansallinen yritys, joka toimii voiman, raskaiden sähkölaitteiden ja automaatiotekniikan segmenteillä - ilmoitti perustaneensa yhteisyrityksen japanilaisen monikansallisen konglomeraattiyhtiön Hitachi Ltd: n kanssa toimittamaan VSC: tä. HVSC-pohjainen siirtojärjestelmä Higashi-Shimizu-sähköasemalle Japanissa. Yhtiö ilmoitti, että VSC-pohjaisiin HVDC-siirtojärjestelmiin kuuluu kaksi VSC-muunninta (kumpikin 300 000 kW), ja Hitachi rakentaa järjestelmän, joka koostuu Hitachi-muuntajan muuntajista ja ABB HVDC-muuntimesta ohjaus- ja suojausjärjestelmällä.
Edistykset Ultra HVDC (UHVDC) -infrastruktuurissa, joka on merkittävä uusiutuvan energian siirtoon
UHVDC-siirtojärjestelmän kehittäminen on yksi HVDC-siirtotekniikan uusimmista edistysaskeleista, joka mahdollistaa vähintään 800 kV: n tasajännitteen siirron; tavanomainen HVDC-siirtojärjestelmä käyttää yleensä jännitteitä välillä 100 kV - 600 kV. Uuden globaalin energiatalouden siirtyessä asteittain kohti mantereen mittakaavan sähköverkkoja UHVDC-siirtojärjestelmät ovat todennäköisesti saamassa valtavan merkityksen kaikkialla maailmassa.
Kehittyneet alueet ovat UHVDC-siirtojärjestelmien suotuisimpia markkinoita, koska kehittyneet maat tuottavat suuria määriä uusiutuvaa energiaa. Pohjois-Amerikka ja Eurooppa ovat HVDC-siirtojärjestelmien suurimpia markkinoita, koska näiden alueiden hallintoelimet investoivat voimakkaasti HVDC-infrastruktuurien kehittämiseen ilmastotavoitteidensa saavuttamiseksi.
Iso-Britannia on yksi johtavista Euroopan maista, joka on ottanut käyttöön HVDC-siirtojärjestelmät. Yhdistyneellä kuningaskunnalla on HVDC-yhteyksiä useisiin naapurimaihin, kuten Norjaan, Irlantiin, Ranskaan ja Hollantiin. Lisäksi Yhdysvallat on lisännyt investointeja puhtaaseen energiantuotantoon, ja HVDC-siirron käyttöönotto kasvaa maassa nopeasti. Yhdysvaltojen jatkuvasti laajeneva valtioiden välinen sähköisten valtatiejärjestelmien verkosto tekee Pohjois-Amerikasta HVDC-siirtojärjestelmän suurimmat markkinat, ja sen osuus maailmanmarkkinoista on lähes neljäsosa.
Yhä useammat nousevat taloudet ovat kuitenkin osoittaneet lupaavan kasvun uusiutuvan energian tuotannossa vesivoimalaitosten ja tuulivoimahankkeiden kehittämisen myötä. Kehitysmaissa asuu laajamittaisia aurinko- ja tuulienergiahankkeita, ja UHVDC-siirtojärjestelmiä otetaan käyttöön vastaamaan näiden maiden jatkuvasti kasvavaan energiantarpeeseen.
Kiinasta tuli yksi johtavista maista maailmassa, joka otti ensimmäisen kerran käyttöön UHVDC-siirtojärjestelmän. Vuonna 2010 ABB-konserni rakensi maailman ensimmäisen UHVDC-voimajohdon Shanghain ja Xiangjiaban välille Kiinassa, teho 6,4 GW ja kokonaispituus noin 1 907 km. Vuoteen 2017 mennessä maa investoi yli 400 miljardia yuania (57 miljardia dollaria) vähintään 21 uuden UHVDC-siirtolinjan kehittämiseksi maassa.
General Electric Company (GE) - amerikkalainen monikansallinen konglomeraatti - otti käyttöön kaksivaiheisen HVDC-voimansiirtojärjestelmän ensimmäisen 1500 MW: n vaiheen Chhattisgarhissa Intiassa vuonna 2017. The Power Grid Corporation of India Limited - Intian valtion omistama sähkölaitos yritys - investoi yli 6300 crore INR projektiin. Voimaministeriö ilmoitti, että projektikapasiteettia nostettiin edelleen 6000 MW: iin yli 5200 crore INR: n investoinnilla joulukuussa 2018. GE ilmoitti, että tämä oli yrityksen ensimmäinen UHVDC-projekti Intiassa ja muualla maailmassa, mikä on 1 287 km: n energiavaltatie, jonka lähetysteho on enintään 3000 MW.
UHVDC-siirtojärjestelmien yleistymisen myötä kehittyvissä talouksissa, kuten Kiinassa ja Intiassa, Aasian ja Tyynenmeren alue (Japania lukuun ottamatta) on nousemassa HVDC-siirtojärjestelmien voimakkaasti kasvaviksi markkinoiksi. Uusiutuvien energialähteiden sekoitus vaikuttaa voimakkaasti sähkön siirto- ja jakelusektorin (T&D) tuleviin suuntauksiin.
Lisääntyvät investoinnit T&D -sektorille tukevat uusiutuvan energian tuotantoa tulevina vuosina. Tämä käynnistää näin ollen HVDC-siirtojärjestelmien maailmanlaajuisen käyttöönoton joustavana ja taloudellisena ratkaisuna uusien energiantuotantohaasteiden hallitsemiseksi ja uusiutuvien energialähteiden integroimiseksi tulevina vuosina.