Vantaggi delle linee di trasmissione in corrente continua ad alta tensione rispetto alle linee in corrente alternata

Divenute tradizionali linee di trasmissione ad alta tensione, oggi funzionano immancabilmente in corrente alternata. Ma hai mai pensato ai vantaggi che può dare una linea di trasmissione DC ad alta tensione rispetto ad una linea AC? Sì, stiamo parlando di linee di trasmissione ad alta tensione in corrente continua (HVDC Power Transmission).

Naturalmente, per la formazione di una linea di corrente continua ad alta tensione, in primo luogo, convertitori, che renderebbe corrente continua da corrente alternata e corrente alternata da corrente continua. Tali inverter e convertitori sono costosi, così come i loro pezzi di ricambio, hanno limiti di sovraccarico, inoltre, per ogni linea il dispositivo deve essere unico senza esagerare. Su brevi distanze, le perdite di potenza nei convertitori rendono una tale linea di trasmissione generalmente antieconomica.

Ma in quali applicazioni sarà preferibile utilizzarlo DC? Perché l'alta tensione CA a volte non è abbastanza efficiente? Infine, le linee di trasmissione in corrente continua ad alta tensione sono già in uso? Cercheremo di ottenere risposte a queste domande.

Non devi andare lontano per gli esempi. Un cavo elettrico posato sul fondo del Mar Baltico tra due paesi vicini, Germania e Svezia, è lungo 250 metri e se la corrente fosse alternata, allora la resistenza capacitiva causerebbe perdite significative. O quando si fornisce elettricità ad aree remote quando non è possibile installare apparecchiature intermedie. Anche in questo caso, la corrente continua ad alta tensione causerà meno perdite.

Cosa succede se è necessario aumentare la capacità di una linea esistente senza installarne una aggiuntiva? E nel caso di alimentazione di sistemi di distribuzione AC non sincronizzati tra loro?

Nel frattempo, per la potenza specifica trasmessa per corrente continua, ad alta tensione, è necessaria una sezione del filo più piccola e le torri possono essere più basse. Ad esempio, la Canadian Bipole Nelson River Transmission Line collega la rete di distribuzione e la centrale elettrica remota.

Le reti elettriche CA possono essere stabilizzate senza aumentare il rischio di cortocircuiti. Le scariche corona, che causano perdite nelle linee CA a causa di picchi di tensione ultra elevati, sono molto inferiori con la CC, di conseguenza viene rilasciato ozono meno dannoso. Ancora una volta, riducendo il costo di costruzione delle linee elettriche, ad esempio sono necessari tre fili per tre fasi e solo due per HVDC. Ancora una volta, i massimi vantaggi dei cavi sottomarini non sono solo meno materiale, ma anche minori perdite capacitive.

Dal 1997AAB installa linee HVDC Light con potenza fino a 1,2 GW a tensioni fino a 500 kV. È stato così realizzato un collegamento di potenza nominale di 500 MW tra le reti di Gran Bretagna e Irlanda.

Questa connessione migliora la sicurezza e l'affidabilità dell'approvvigionamento elettrico tra le reti. Scorrendo da ovest a est, uno dei cavi della rete è lungo 262 chilometri, con il 71% del cavo sul fondo del mare.

Ancora una volta, ricordiamo che se la corrente alternata fosse utilizzata per ricaricare la capacità del cavo, ci sarebbero inutili perdite di potenza e, poiché la corrente viene applicata costantemente, le perdite sono trascurabili. Inoltre, non dovrebbero essere trascurate anche le perdite dielettriche CA.

In generale con corrente continua si può trasmettere più potenza attraverso lo stesso filo, perché i picchi di tensione a parità di potenza, ma con corrente alternata, sono maggiori, inoltre l'isolamento deve essere più spesso, la sezione è maggiore, la la distanza tra i conduttori è maggiore, ecc. Considerando tutti questi fattori, il corridoio della linea di trasmissione in corrente continua fornisce una trasmissione più densa di energia elettrica.

Attorno ad essi non vengono create linee ad alta tensione permanenti campo magnetico alternato a bassa frequenzacome è tipico delle linee di trasmissione AC. Alcuni scienziati parlano del danno di questo campo magnetico variabile alla salute umana, alle piante, agli animali. La corrente continua, a sua volta, crea solo un gradiente di campo elettrico costante (non variabile) nello spazio tra il conduttore e il terreno, e questo è sicuro per la salute di persone, animali e piante.

La stabilità dei sistemi CA è facilitata dalla corrente continua.A causa dell'alta tensione e della corrente continua, è possibile trasferire l'alimentazione tra sistemi CA non sincronizzati tra loro. Ciò impedisce la diffusione del danno a cascata. In caso di guasti non critici, l'energia viene semplicemente spostata all'interno o all'esterno del sistema.

Ciò stimola ulteriormente l'adozione di reti DC ad alta tensione, dando origine a nuove fondazioni.

Stazione di conversione Siemens per una linea di trasmissione in corrente continua ad alta tensione (HVDC) tra Francia e Spagna

Schema di una moderna linea HVDC

Il flusso di energia è regolato da un sistema di controllo o stazione di conversione. Il flusso non è correlato alla modalità di funzionamento degli impianti collegati alla linea.

Le interconnessioni su linee DC hanno una capacità di trasmissione arbitrariamente piccola rispetto alle linee AC, e il problema dei collegamenti deboli viene eliminato. Le linee stesse possono essere progettate tenendo conto dell'ottimizzazione dei flussi energetici.

Inoltre, scompaiono le difficoltà di sincronizzare diversi sistemi di controllo per il funzionamento dei singoli sistemi energetici. Controllori di emergenza veloci inclusi Fili elettrici in corrente continua aumentare l'affidabilità e la stabilità della rete complessiva. Il controllo del flusso di potenza può ridurre le oscillazioni nelle linee parallele.

Questi vantaggi faciliteranno l'adozione più rapida dell'interazione in corrente continua ad alta tensione per suddividere i grandi sistemi di alimentazione in più parti sincronizzate tra loro.

Ad esempio, in India sono stati costruiti diversi sistemi regionali interconnessi da linee di corrente continua ad alta tensione.Esiste anche una catena di convertitori controllata da un apposito centro.

È lo stesso in Cina. Nel 2010, ABB ha costruito in Cina la prima corrente continua ad altissima tensione da 800 kV al mondo in Cina, mentre nel 2018 è stata completata la linea CC Zhongdong-Wannan UHV da 1100 kV con una lunghezza di 3400 km e una capacità di 12 GW.

Nel 2020 sono stati completati almeno tredici cantieri di linee EHV DC in Cina. Le linee HVDC trasmettono grandi quantità di energia su distanze significative, con più fornitori di energia collegati a ciascuna linea.

Di norma, gli sviluppatori di linee di trasmissione in corrente continua ad alta tensione non forniscono al pubblico informazioni sul costo dei loro progetti, poiché si tratta di un segreto commerciale. Tuttavia, le specifiche dei progetti apportano le proprie modifiche e il prezzo varia a seconda di: potenza, lunghezza del cavo, metodo di installazione, costo del terreno, ecc.

Confrontando economicamente tutti gli aspetti, viene presa una decisione in merito alla fattibilità della costruzione di una linea HVDC. Ad esempio, la costruzione di una linea di trasmissione a quattro linee tra Francia e Inghilterra, con una capacità di 8 GW, insieme ai lavori a terra, ha richiesto circa un miliardo di sterline.

Elenco di importanti progetti in corrente continua ad alta tensione (HVDC) del passato

Nel 1880 c'era una cosiddetta guerra di correnti tra sostenitori DC come Thomas Edison e sostenitori AC come Nikola Tesla e George Westinghouse. La DC è durata 10 anni, ma il rapido sviluppo dei trasformatori di potenza, necessari per aumentare la tensione e quindi limitare le perdite, ha portato alla proliferazione delle reti AC. Fu solo con lo sviluppo dell'elettronica di potenza che divenne possibile l'uso della corrente continua ad alta tensione.

Tecnologia HVDC apparso negli anni '30. È stato sviluppato da ASEA in Svezia e Germania. La prima linea HVDC è stata costruita in Unione Sovietica nel 1951 tra Mosca e Kashira. Poi, nel 1954, fu costruita un'altra linea tra l'isola di Gotland e la Svezia continentale.

Mosca — Kashira (URSS) - lunghezza 112 km, tensione - 200 kV, potenza - 30 MW, anno di costruzione - 1951. È considerata la prima corrente continua ad alta tensione elettronica completamente statica al mondo, messa in funzione. La linea attualmente non esiste.

Gotland 1 (Svezia) — lunghezza 98 km, tensione — 200 kV, potenza — 20 MW, anno di costruzione — 1954. Il primo collegamento HVDC commerciale al mondo. Ampliato da ABB nel 1970, dismesso nel 1986.

Volgograd — Donbass (URSS) — lunghezza 400 km, tensione — 800 kV, potenza — 750 MW, anno di costruzione — 1965. La prima fase della linea elettrica a 800 kV CC Volgograd — Donbass fu messa in servizio nel 1961, che all'epoca fu notata dalla stampa come fase molto importante nello sviluppo tecnico dell'ingegneria elettrica sovietica. La linea è attualmente smantellata.

Collaudo di raddrizzatori di alta tensione per una linea in corrente continua nel laboratorio VEI, 1961.

Schema lineare della corrente continua ad alta tensione Volgograd - Donbass

Aspetto: Fotografie di impianti elettrici e apparecchiature elettriche nell'URSS 1959-1962

HVDC tra le isole della Nuova Zelanda — lunghezza 611 km, tensione — 270 kV, potenza — 600 MW, anno di costruzione — 1965. Dal 1992, ricostruito АBB… Tensione 350 kV.

Dal 1977fino ad ora tutti i sistemi HVDC sono stati costruiti utilizzando componenti a stato solido, nella maggior parte dei casi tiristori, dalla fine degli anni '90 sono stati utilizzati convertitori IGBT.

Inverter IGBT presso la stazione di conversione Siemens per la linea di trasmissione in corrente continua ad alta tensione (HVDC) tra Francia e Spagna

Cahora Bassa (Mozambico - Sudafrica) — lunghezza 1420 km, tensione 533 kV, potenza — 1920 MW, anno di costruzione 1979. Primo HVDC con tensione superiore a 500 kV. Riparazione ABB 2013-2014

Ekibastuz — Tambov (URSS) — lunghezza 2414 km, tensione — 750 kV, potenza — 6000 MW. Il progetto è iniziato nel 1981. Quando sarà messo in funzione, sarà la linea di trasmissione più lunga del mondo. I cantieri furono abbandonati intorno al 1990 a causa del crollo dell'Unione Sovietica e la linea non fu mai completata.

Interconnessione Francia Angleterre (Francia — Gran Bretagna) — lunghezza 72 km, tensione 270 kV, potenza — 2000 MW, anno di costruzione 1986.

Gezhouba — Shanghai (Cina) — 1046 km, 500 kV, potenza 1200 MW, 1989.

Rihand Delhi (India) — lunghezza 814 km, tensione — 500 kV, potenza — 1500 MW, anno di costruzione — 1990.

Cavo baltico (Germania - Svezia) — lunghezza 252 km, tensione — 450 kV, potenza — 600 MW, anno di costruzione — 1994.

Tien Guan (Cina) — lunghezza 960 km, tensione — 500 kV, potenza — 1800 MW, anno di costruzione — 2001.

Talcher Kolar (India) — lunghezza 1450 km, tensione — 500 kV, potenza — 2500 MW, anno di costruzione — 2003.

Tre Gole — Changzhou (Cina) — lunghezza 890 km, tensione — 500 kV, potenza — 3000 MW, anno di costruzione — 2003. Nel 2004 e nel 2006.Sono state realizzate altre 2 linee dalla centrale idroelettrica HVDC "Three Gorges" a Huizhou e Shanghai per 940 e 1060 km.

La più grande centrale idroelettrica del mondo, le Tre Gole, è collegata a Changzhou, Guangdong e Shanghai da linee ad alta tensione in corrente continua

Xiangjiaba-Shanghai (Cina) — la linea da Fulong a Fengxia. La lunghezza è di 1480 km, la tensione è di 800 kV, la potenza è di 6400 MW, l'anno di costruzione è il 2010.

Yunnan — Guangdong (Cina) — lunghezza 1418 km, tensione — 800 kV, potenza — 5000 MW, anno di costruzione — 2010.