HVDC – stejnosměrný přenos elektrické energie

Historie a současnost

Vše začalo v roce 1800, kdy Alessandro Volta sestrojil galvanický článek, první zdroj stálého stejnosměrného elektrického proudu. Takový zdroj energie však nebyl schopen dodat dostatek energie pro jiné než vědecké účely.

Pixiiho dynamo.
Zdroj: americanhistory.si.edu

V roce 1831 sestrojil Hippolyte Pixii první generátor stejnosměrného proudu využívající komutátor, čímž položil základ dynamům, tak jak jsou známy dnes. V lednu roku 1867 Werner Siemens a Charles Wheatstone nezávisle na sobě představili první dynama s elektromagnetickým buzením, přičemž generátory používaly do té doby k buzení permanentní magnety. Tento vynález vedl k výraznému navýšení výkonu generátorů a umožnil zavedení elektřiny do průmyslové výroby.

Jednou z prvních aplikací stejnosměrného proudu bylo městské osvětlení obloukovými lampami. Tyto sítě se rozvíjely především ve velkých městech v USA. První systém pro osvětlení Edisonovými žárovkami byl vybudován v Manhattnau (New York) roku 1882, kdy šest obřích dynam obsluhovalo oblast o rozloze přibližně 2,5 km².

Největší nevýhodou stejnosměrného proudu se ukázala nemožnost snadné a efektivní změny napětí a stroje musely tudíž pracovat na napětí generátoru. Distribuce elektřiny na nízkém napětí zabraňovala přenosu elektřiny na vzdálenosti větší než několik kilometrů – při větších vzdálenostech se projevil pokles napětí na vedení a stejně tak vysoké ztráty. Neschopnost snadné transformace různých napěťových hladin stejnosměrného proudu otevřela cestu proudu střídavému.

Nástup střídavého proudu

Do 80. let 19. století nebyl střídavý proud vnímán jako vhodná alternativa ke stejnosměrnému. Zlom přišel v letech 1884 a 1885 s vynálezem prvního transformátoru s uzavřeným magnetickým jádrem, jenž umožňoval snadnou a efektivní přeměnu střídavého napětí.

Dalším krokem bylo praktické využití střídavého proudu. V roce 1888 představil Nikola Tesla svůj první vícefázový střídavý motor (2fázový asynchronní motor), který byl schopný konkurovat soudobým stejnosměrným strojům.

Vítězství střídavého proudu nad stejnosměrným bylo jasně utvrzeno v roce 1891, kdy proběhl první dálkový přenos 3fázovou soustavou – na vzdálenost přibližně 175 km se podařilo úspěšně napájet 3fázový asynchronní motor o výkonu 75 kW. Přenos probíhal na 15 kV, později na 25 kV.

Renesance DC v 20. století

Návrat stejnosměrného proudu do úrovně přenosu přichází v 30. letech 20. století s vynálezem rtuťových usměrňovačů, které umožnily výrazně jednodušší přeměnu vysokého střídavého napětí na stejnosměrné než do té doby používané rotační měniče.

V roce 1954 byla spuštěna první komerční HVDC linka spojující švédské pobřeží s ostrovem Gotland. Tímto se otevřela cesta dalším komerčním aplikacím stejnosměrného přenosu.

Dalším milníkem je objev tyristorových měničů. Na jaře roku 1967 byl instalován první tyristorový měnič, opět na lince Gotland namísto původního rtuťového. V následujících letech byly tyristorové měniče hojně využívány. V současné době se kromě tyristorových měničů využívají i měniče tranzistorové (zejména IGBT).

Výhody stejnosměrného přenosu

Základní výhodou stejnosměrného proudu nad střídavým je absence parametrů frekvence a fáze a tedy snadnější řízení přenosové soustavy – při užití stejnosměrného přenosu není nutno udržovat všechny zdroje v soustavě v synchronismu. Dalšími výhodami jsou:

• Vyšší stabilita přenosové soustavy – u běžně používaných 2-pólových uspořádání lze při poruše jednoho z vodičů provozovat vedení s poloviční kapacitou
• Menší ztráty při přenosu na velké vzdálenosti – na 1000 km HVDC přenosu připadají ztráty přibližně 3 %
• Při překročení určité přenosové vzdálenosti má HVDC nižší pořizovací náklady vůči střídavé variantě
• S ohledem na rostoucí požadavky na ekologii, které často komplikují výstavbu nových nadzemních vedení, lze použít dlouhá podzemní kabelová vedení i přes jejich mnohonásobně vyšší pořizovací cenu
• Oproti střídavým 3-fázovým soustavám stačí k stejnosměrnému přenosu pouze 2 vodiče, případně 1 při zemním návratu proudu.
• Menší izolační vzdálenosti než u střídavého proudu při stejné efektivní hodnotě napětí – není nutno dimenzovat na maximální hodnotu jako u střídavého proudu
• Možnost konverze stávajících střídavých vedení na stejnosměrná – třetí vodič může sloužit jako záložní, což zvýší spolehlivost přenosu
• Schopnost kontroly směru a hodnoty přenášeného výkonu
• Žádná potřeba kompenzačních stanic jalového výkonu na rozdíl od AC vedení

Nevýhody stejnosměrného přenosu

Základní nevýhodou je obtížná změna napětí. U proudu střídavého umožňuje transformátor snadnou a ekonomickou přeměnu napětí, také pořizovací náklady transformátorů jsou mnohem nižší než náklady na polovodičovou techniku. Dalšími nevýhodami jsou:

• Vhodné pouze pro přímé spojení dvou míst – pro každou další odbočku z vedení je nutno vybudovat novou měnírnu, čímž dojde k citelnému navýšení nákladů
• Při kratších vzdálenostech přenosu se výrazně projeví ztráty na polovodičových součástkách v koncových měnírnách vedení

Prvky rozvodny stejnosměrného vedení

Tlumivky v HVDC rozvodně 800 kV v západní Číně.
Zdroj: bpeg-usa.com

Stejnosměrné vedení se skládá z několika prvků – měnírny v režimu střídače či usměrňovače a vedení mezi nimi. Základními prvky měníren jsou měničové transformátory, impulzní (tyristorové nebo IGBT) měniče, vyhlazovací tlumivky, filtry střídavého a stejnosměrného proudu a ochrany.