ПЕРЕДАЧА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Перспективы применения

Наталья Лозинова, к.т.н., заведующая отделом управляемых передач и противоаварийной автоматики		Михаил Мазуров, к.т.н., заместитель заведующего отделом управляемых передач и противоаварийной автоматики
ОАО «НИИПТ», г. Санкт-Петербург

В мировой практике наиболее распространена передача электроэнергии переменным током. Но мощность, которую можно передать по таким линиям, особенно на большие расстояния, ограничивается многими факторами: предельной мощностью по условиям устойчивости, по нагреву проводников, потерями на корону и т.д.
Передача электроэнергии постоянным током более перспективна, считают специалисты петербургского НИИ постоянного тока Наталья Георгиевна Лозинова и Михаил Иванович Мазуров.
Система электропередачи постоянного тока работает более устойчиво, уменьшаются потери в ЛЭП, отпадает необходимость в синхронизации работы электростанций. При этом не требуется замена основного оборудования действующих электростанций и трансформаторных подстанций.

В электропередачах постоянного тока (ППТ) отсутствуют многие факторы, свойственные электропередачам переменного тока и ограничивающие пропускную способность. Предельная мощность, передаваемая по ЛЭП постоянного тока, больше, чем у аналогичных ЛЭП переменного тока. Ограниченность применения ППТ связана главным образом с техническими трудностями создания эффективных недорогих устройств для преобразования переменного тока в постоянный (в начале линии) и постоянного тока в переменный (в конце линии).
Применение ППТ и вставок постоянного тока (ВПТ – подстанция, предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный и последующего преобразования постоянного тока в переменный исходной или иной частоты) определяется их специфическими техническими характеристиками:

• с помощью ППТ (ВПТ) осуществляется несинхронная связь между энергосистемами, обеспечивающая возможность независимого регулирования частоты в каждой из них. Нарушения режима (КЗ, сбросы мощности, набросы нагрузки) в одной из объединенных энергосистем практически не сказываются на работе другой.
  Через ППТ (ВПТ) могут объединяться энергосистемы, работающие с различной номинальной частотой (50 и 60 Гц) или разной идеологией поддержания частоты;
• быстродействующее регулирование преобразователей ППТ и ВПТ позволяет практически безынерционно изменять величину и направление потока мощности, благодаря чему такая связь свободна от нерегулируемых перетоков мощности и способна осуществлять передачу электроэнергии по заданной программе. Законы регулирования могут быть выбраны с большой степенью независимости от изменений режима (уровней напряжения, частоты) в связываемых энергосистемах. При необходимости специальные регуляторы могут использоваться, например, для поддержания частоты, демпфирования субгармонических колебаний, повышения устойчивости параллельных ВЛ переменного тока и т.д.;
• объединение энергосистем переменного тока или ввод дополнительной мощности в энергосистему через ППТ (ВПТ) не приводит к увеличению токов КЗ;
• для длинных ВЛ (наиболее протяженная из построенных ВЛ ППТ имеет длину 1730 км) нет ограничений передаваемой мощности по условиям нарушения устойчивости. Технические пределы нагрузки для воздушных и кабельных линий определяются только условиями теплового режима;
• по сравнению с ЛЭП переменного тока линии постоянного тока имеют в 1,5 раза меньшую зону отчуждения земли для трассы линии;
• ППТ обладают существенным по сравнению с ЛЭП переменного тока преимуществом в части надежности, так как вероятность одновременного отключения обоих полюсов ППТ более чем на порядок ниже вероятности отключения трехфазной линии;
• при передаче электроэнергии через широкие водные преграды (более 40–50 км) применение ППТ с подводным кабелем не имеет альтернативы.

ИСТОРИЯ И ТЕНДЕНЦИИ

К настоящему времени в мире действует около 100 объектов постоянного тока общей мощностью около 75 ГВт. Достижения классической технологии ППТ и ВПТ связаны с работами, проведенными в бывшем СССР (НИИПТ, ВЭИ), Швеции (АВВ), Германии (Siemens), Японии (Toshiba).
Одной из крупнейших в мире должна была стать строившаяся в 80-х годах ППТ «Экибастуз – Центр». Ее мощность 6 ГВт, напряжение ±750 кВ и длина линии 2400 км значительно превосходили все известные на тот период ППТ. Распад СССР помешал доведению строительства до конца, но основное оборудование ППТ было создано и испытано на стендах. Это силовое оборудование (трансформаторы, вентили) на напряжение ±750 кВ, 12-фазный преобразовательный блок мощностью 1,5 ГВт, линейный реактор 4 Гн, 1000 А, фильтры высших гармоник на напряжение 500 кВ и синхронные компенсаторы мощностью 320 МВА.
В немалой степени конкуренция в производстве оборудования ППТ между СССР и странами Запада способствовала строительству и вводу в эксплуатацию в 1984-87 гг. самой большой в настоящее время в мире ППТ Itaipu в Бразилии. Эта ППТ мощностью 6,3 ГВт состоит из двух биполярных линий по 3,15 ГВт длиной примерно по 800 км каждая, с напряжением между полюсами ±600 кВ. Электропередача сооружена для связи самой мощной в мире ГЭС Itaipu (12,6 ГВт), совместно построенной Бразилией и Парагваем на реке Парана, с промышленным центром Бразилии Сан-Паулу. Поскольку электрические сети Бразилии имеют частоту 60 Гц, а сети Парагвая – 50 Гц, на ГЭС Itaipu было установлено по 9 генераторов с каждой из частот. Однако потребление Парагваем электроэнергии от ГЭС незначительно (~250 МВт), поэтому практически вся мощность 9 генераторов с частотой 50 Гц преобразуется на ППТ и передается в сети Бразилии [1]. Из числа построенных ВПТ по суммарной установленной мощности преобразователей в настоящее время самой большой в мире является Выборгская выпрямительно-инверторная подстанция (ВИП) электропередачи 330/400 кВ «Россия – Финляндия». Мощность всей линии после ввода в 2000 г. 4-го преобразовательного блока достигла 1400 МВт [2].
В то же время мощность единичного блока Выборгской ВИП составляет 350 МВт и по единичной мощности преобразовательных блоков она уступает некоторым зарубежным. В частности, на ВПТ Durnror («Австрия – Чехия») еще в 1983 г. был установлен преобразовательный блок мощностью 550 МВт, а выведенный в настоящее время из работы в резерв преобразователь на ВПТ Etzenricht (Германия) имеет наибольшую в мире мощность 600 МВт. Широкое применение (известно более 20 объектов) получили кабельные ППТ. В России первый практический опыт работы кабеля при постоянном напряжении был получен с пуском в 1950 году ППТ «Кашира – Москва». На этой линии применялся кабель общей длиной 30 км, с помощью которого, в частности, преодолевались и реки.
Наибольшую протяженность кабельного участка сейчас имеют ППТ между Швецией и Германией – 250 км и ППТ Basslink (Австралия) – 290 км. Ведутся проектные работы по более протяженным кабельным ППТ. Так, в Малайзии (проект Bakun) намечено [3] построить ППТ напряжением ±500 кВ, общей длиной 1330 км, с самым длинным кабельным участком 670 км. Ведется строительство ППТ между Нидерландами и Норвегией кабелем длиной 580 км. Наиболее мощная подводная КЛ постоянного тока с пропускной способностью 2,0 ГВт связывает энергосистемы Великобритании и Франции. Ее длина 70 км, номинальное напряжение ± 270 кВ. Более чем тридцатилетние наблюдения за показателями надежности существующих ППТ, проведенные рабочей группой 14-04 СИГРЭ, указывают, что энергетическая готовность ППТ всё время нарастала. Особенно заметный ее рост был связан с переходом от ртутных вентилей к тиристорным.
Опыт эксплуатации Выборгской ВИП электропередачи «Россия – Финляндия» указывает на стабильно высокую энергетическую готовность как каждого блока (92%), так и всей вставки (99%) [1, 4].

Через шесть лет после начала эксплуатации энергетическая готовность ППТ Itaipu достигла 99% и устойчиво сохраняется. Все вновь введенные ППТ и ВПТ после окончания периода приработки имеют энергетическую готовность 98–99% и по статистике являются весьма надежными элементами энергосистем.
Таким образом, электропередача постоянного тока может рассматриваться как хорошо отработанный элемент энергосистемы, обладающий, несмотря на значительную технологическую сложность основных составляющих, вполне приемлемыми техническими характеристиками.
Поскольку длительный прогноз сетевого строительства, несомненно, связан с прогнозами роста нагрузок и строительством новых электростанций, наибольший интерес представляют планы покрытия дефицита мощности в регионах, где он уже обнаружился (центр и северо-запад европейской части, Урал, часть Сибири и Дальнего Востока). Однако задачи покрытия дефицита мощности в указанных регионах за счет строительства дальних ППТ или применения ВПТ следует увязывать с возможностью транспорта электроэнергии в зарубежные энергосистемы. Такой комплексный подход может улучшить экономическое обоснование объектов постоянного тока, привлечь внимание зарубежных инвесторов и способствовать развитию взаимовыгодных обменов мощностями с зарубежными странами.

РОССИЙСКИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

• большая протяженность территории страны;
• неравномерное распределение энергоресурсов и промышленности (наибольшие запасы минерального топлива и гидроресурсов – в Сибири, наибольшее сосредоточение населения и промышленности – в европейской части);
• большое число удаленных от центров потребления перспективных створов для сооружения ГЭС;
• формирование ЕНЭС в виде крупных региональных объединений, связанных между собой сравнительно слабыми связями.

• снижением выработки электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС) центра из-за ожидаемого снижения объемов поставки газа (например, дефицит газа в 2015 году ожидается на уровне 33 млрд м3);
• увеличением использования угольных ТЭС Канско–Ачинского бассейна и возможным строительством ТЭС на тугнуйских и ургальских углях;
• намеченными работами по достройке Бурейской ГЭС, строительству Южно-Якутского гидроэнергетического комплекса, Богучанской ГЭС и Тугурской приливной электростанции;
• разностью в ценах электроэнергии, произведенной в центре и в Сибири;
• необходимостью резерва мощности для обеспечения надежного энергоснабжения центра, целенаправленного управления режимами ЕНЭС.

• возможность наиболее эффективного централизованного управления режимами большого по мощности и протяженного энергообъединения;
• локализацию аварий в энергообъединении и возможность реализации максимальной аварийной взаимопомощи энергосистем, не ограниченной условиями устойчивости;
• снижение объема использования средств противоаварийной автоматики и соответственно отключений потребителей;
• возможность параллельной работы энергосистем без необходимости предварительного приведения их к единому стандарту качества частоты и единым условиям аварийного регулирования, что особенно существенно при организации связей с энергосистемами других государств;
• отсутствие стохастических колебаний мощности и возможность объединения сколь угодно мощных энергосистем связями относительно малой пропускной способности с возможностью наращивания ее по мере необходимости;
• наиболее благоприятные условия функционирования межрегиональных и межгосударственных оптовых рынков электроэнергии и мощности.

СВЯЗЬ С ЗАРУБЕЖНЫМИ ЭНЕРГОСИСТЕМАМИ

• наличие в стране избыточных неиспользованных гидроресурсов, особенно в Сибири;
• сложности объединения на переменном токе с крупными зарубежными энергосистемами и из-за различий в системах регулирования частоты и мощности, других системах автоматики, различий в системах оперативного управления и нормативной базе и др.;
• большие расстояния, затрудняющие создание синхронных связей с энергосистемами стран, расположенных к югу от границ с Россией (энергообъединение среднеазиатских республик бывшего СССР, энергосистемы Китая, Кореи, Ирана, Турции и других стран);
• наличие широких водных преград ( при связи, например, с энергосистемами Японии и Турции).

ЛИТЕРАТУРА

1. Ивакин В.Н., Сысоева Н.Г., Худяков В.В. Электропередачи и вставки постоянного тока и статические тиристорные компенсаторы. – М.: Энергоатомиздат, 1993.
2. Балыбердин Л.Л. и др. Увеличение мощности электропередачи 330/400 кВ с вставкой постоянного тока между энергосистемами России и Финляндии // Электрические станции. – 2004. – № 10.
3. Power Link, № 2, 1996 г. ABB Power Systems.
4. Передачи и вставки постоянного тока высокого напряжения / Под ред. В.В. Худякова. – М.: Энергоатомиздат, 1988.
5. HVDC – A major option for the electricity networks or the 21st century. M. Chamia, IEEE WPM + 999 – Panel Session.
6. Зеленохат Н.И., Шаров Ю.В. Комбинированное объединение больших энергосистем // Электричество. – 2006. – № 5.