نقش جریان مستقیم ولتاژ بالا در تکامل شبکه برق

دنیای‌اقتصاد : نبرد برقی قرن نوزدهم بین جریان متناوب نیکولای تسلا (AC) و فناوری‌‌‌های جریان مستقیم (DC) توماس ادیسون یک برنده بلامنازع داشت. اکثریت قریب به اتفاق شبکه‌‌‌های انتقال و توزیع جهان اکنون روی جریان AC کار می‌کنند. اما DC و جریان مستقیم ولتاژ بالا در حال جلب توجه مجدد در صنعت برق هستند. جریان مستقیم ولتاژ بالا یا HVDC یک سیستم انتقال انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا و جریان مستقیم است که برخلاف سیستم‌های رایج‌‌‌تر جریان متناوب از جریان مستقیم برای انتقال برق استفاده می‌کند.

برنامه‌‌‌های جدید بر پایه HVDC ظهور می‌کنند

از مزایای HVDC می‌توان به توانایی آن در انتقال نیرو در فواصل طولانی بدون محدودیت فنی و شبکه‌‌‌های متصل ناهمزمان یا با فرکانس‌‌‌های مختلف اشاره کرد. از آنجا که شبکه‌‌‌های برق برای ترکیب انرژی از منابع تجدیدپذیر سازگار شده‌‌‌اند، انعطاف‌پذیری شبکه‌‌‌های مبتنی بر HVDC برای کنترل برق و بهبود پایداری سیستم AC توجهات را به خود جلب کرده است. با این حال، ادغام HVDC در یک سیستم AC هنوز باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد و به توجه بیشتر شرکت‌های ارائه‌دهنده برق نیاز دارد تا نقش کنترل ولتاژ AC را بازنگری کنند. از نظر تاریخی، در مقایسه با سهولتی که می‌توان با ترانسفورماتورهای شبکه‌‌‌های AC به آن دست یافت، همواره از چالش‌‌‌های HVDC، دشواری، هزینه و تلفات مرتبط با افزایش یا کاهش ولتاژ بوده است. هرچند برخی از این محدودیت‌ها از نظر فنی برطرف شده‌اند، اما کنترل ولتاژ در سیستم DC هنوز یک مشکل است.

تا همین اواخر، پروژه‌‌‌های مبتنی بر HVDC عمدتا از مزایای این فناوری در انتقال مقادیر زیادی نیرو در فواصل طولانی که معمولا اتصالات بین‌المللی هستند، بهره می‌‌‌بردند. نمونه‌‌‌هایی از آن، اتصال ۲۰۰۰ مگاواتی انگلستان-فرانسه است که سیستم‌های انتقال بریتانیا و فرانسه را به هم متصل می‌کند و نمونه دیگر خط اتصال ۱۰۰۰ مگاواتی BritNed بین بریتانیا و هلند است. با این حال، علاقه فزاینده‌‌‌ای به استفاده از DC به صورت تاکتیکی، در مقیاس شهری و توزیع، حتی تا سطوح ولتاژ متوسط (MV) یا ولتاژ پایین (LV) وجود دارد. کاربردهای جدید شامل اتصال شبکه برق «جزایر» به شبکه محلی و همچنین ادغام تعداد فزاینده مزارع خورشیدی و باتری‌‌‌های در مقیاس صنعتی است که به طور طبیعی در حالت DC کار می‌کنند.

ابزار تحول؟

یکی از نقاط قوت سیستم HVDC توانایی آن در اتصال شبکه‌‌‌هایی است که ناهمزمان هستند یا در فرکانس‌‌‌های مختلف کار می‌کنند. به عنوان یک مزیت دیگر، HVDC قابلیت جداسازی بین شبکه‌‌‌های مختلف AC را دارد، به طوری که هر گونه مشکل در یکی از آنها ممکن است از دیگری تفکیک شود و روی آن تاثیری نداشته باشد. این موضوع بسیار حائز اهمیت است، زیرا به عنوان مثال شبکه بریتانیا از مدل دهه ۱۹۵۰ تولید متمرکز و یک شبکه توزیع غیرفعال، به آینده‌‌‌ای بسیار پویاتر از تولید انرژی‌‌‌های تجدیدپذیر پراکنده و مدیریت فعال روابط با مشتریان در شبکه‌‌‌های هوشمند تبدیل شده است. 

سیستم HVDC این پتانسیل را دارد که به یک ابزار مهم و روز‌افزون برای تبدیل شبکه به چیزی بسیار مدولارتر، هماهنگ‌‌‌تر و انعطاف‌‌‌پذیرتر از آنچه قبلا تصور می‌‌‌شد تبدیل شود. اصل اتصال یک لینک HVDC به یک شبکه AC به اندازه کافی ساده است که شامل خطوط هوایی یا کابل، یا هر دو، با یک ایستگاه مبدل در هر انتهاست. فناوری‌‌‌های دستیابی به این هدف در دهه‌‌‌های اخیر به‌‌‌طور چشمگیری پیشرفت کرده‌‌‌اند تا تلفات ذاتی این فرآیند را کاهش دهند، اما در مقایسه با پست‌‌‌های AC و ترانسفورماتورهای معمولی، هنوز از نظر هزینه سرمایه و نگهداری گران هستند.

چرا HVDC هنوز به کنترل ولتاژ نیاز دارد؟

توانایی لینک‌‌‌های HVDC برای انتقال مقادیر زیاد و متغیر نیرو، پیامدهای عمیقی برای شبکه‌‌‌های AC که به آنها متصل می‌‌‌شوند، به‌ویژه از نظر ولتاژ دارد. هنگامی‌‌‌که برق در امتداد یک سیستم HVDC جریان دارد، شبکه «فرستنده» افت ولتاژ را تجربه می‌کند، در حالی که انتهای آن یعنی «دریافت‌کننده» افزایش ولتاژ را تجربه می‌کند. از این رو کنترل تغییرات ولتاژ در هر یک از شبکه‌‌‌های AC متصل شده توسط HVDC به وضوح یک مساله کلیدی است. شبکه‌‌‌های AC به طور فزاینده‌‌‌ای از راه‌‌‌حل‌‌‌های کنترل ولتاژ خودکار (AVC) استفاده می‌کنند. برای موثر بودن، یک سیستم AVC باید به طور مداوم ولتاژها را کنترل و به طور خودکار کنترل کند، آنها را در پارامترهای تعیین‌شده نگه دارد و از سطوح بالای اتلاف ولتاژ جلوگیری کند.

این کار را با مدیریت رابطه بین توان واقعی، توان راکتیو و ولتاژها انجام می‌دهد، که ارتباط نزدیکی با هم دارند و مستقیما تحت‌تاثیر جریان‌‌‌های توان HVDC قرار می‌‌‌گیرند.  راه‌‌‌حل‌‌‌های AVC باید طوری طراحی شوند که با توجه به ولتاژ روی هر نوع سیستمی‌‌‌ کار کنند، از جمله روی طرح‌‌‌های پیچیده شامل منابع انرژی توزیع‌شده (DER). اتصال به یک ترمینال HVDC را می‌توان به عنوان یک «ترانسفورماتور مجازی» در نظر گرفت. توانایی جبران ضرایب توان نوسان، و بارهای بسیار متغیر و انعطاف‌پذیر تولید شده توسط جریان در سراسر پیوند HVDC، تضمین می‌کند که ولتاژها تحت کنترل و هماهنگ در شبکه‌‌‌های AC در هر دو طرف باقی می‌‌‌مانند.

ادغام AC

واضح است که یکی از ملاحظات کلیدی هنگام طراحی و اجرای پیوندهای HVDC این است که الکترونیک مبدل در هر انتهای شبکه اتصال باید به گونه‌‌‌ای تنظیم شود که با تجهیزات AVC موجود و آینده سازگار باشد. تجهیزات اتصال HVDC باید بر مدیریت جریان‌‌‌های برق تمرکز کنند و نه به طور خاص بر تلاش برای کنترل ولتاژ. این کاری است که به بهترین وجه توسط فناوری‌‌‌های تخصصی AVC طراحی شده برای شبکه‌‌‌های AC انجام می‌شود.با این شرایط، یک شبکه متصل HVDC باید به طور موثر کار کند، بدون هیچ‌گونه اثر مخربی بر ولتاژ در سراسر شبکه‌‌‌های AC که به آن متصل می‌شود. در مورد اینکه مبدل‌‌‌های AC/ DC هنگام اتصال منابع قابل‌توجه برق DC به شبکه، مانند مزارع خورشیدی و تاسیسات ذخیره برق در مقیاس صنعتی، باید در کجا قرار گیرند، می‌توان گفت که باید تا حد امکان نزدیک به منابع قرار گیرند.