Преимущества и области применения постоянного тока в современной электроэнергетике

Переменный ток (AC) доминирует в современных энергосистемах благодаря простоте трансформации напряжения с помощью трансформаторов, относительной простоте и надежности электродвигателей AC, и возможности создания эффективных выключателей высокого напряжения, способных гасить дугу при переходе тока через ноль. Это делает AC универсальным решением для генерации, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Однако в последние десятилетия постоянный ток (DC) находит все более широкое применение для решения специфических задач, особенно в передаче энергии на большие расстояния.

Ключевое различие между линиями AC и DC заключается в реакции их параметров – активного сопротивления (R), индуктивности (L) и емкости (C) – на протекающий ток. Активное сопротивление определяет потери мощности на нагрев проводов. Индуктивное сопротивление (X_L = 2πfL) для AC прямо пропорционально частоте (f) и длине линии, создавая значительное сопротивление току (в 10-15 раз превышающее R для ВЛ 500-750 кВ). На DC (f=0) X_L = 0. Емкостное сопротивление (X_C = 1/(2πfC)) для AC обратно пропорционально частоте; на DC X_C бесконечно велико, ток через емкость не протекает. В линиях AC возникают волновые процессы, отсутствующие на DC.

Для воздушных линий (ВЛ) AC рост длины приводит к увеличению X_L, что ограничивает максимальную передаваемую мощность (P_max). Емкость ВЛ вызывает зарядный ток, создающий реактивную мощность, вызывающую дополнительные потери, нежелательное повышение напряжения и требующую установки компенсирующих реакторов на ВН (от 330 кВ). Для ВЛ DC ни L, ни C не влияют на передачу мощности в установившемся режиме; зарядная мощность отсутствует, ограничения по длине определяются лишь активными потерями и пропускной способностью оборудования. P_max ВЛ DC не падает с ростом длины.

Кабельные линии (КЛ) AC имеют большую емкость и малую индуктивность из-за малого расстояния между жилами. Это приводит к огромной зарядной мощности, вызывающей сильный нагрев жил, что ограничивает длину КЛ AC 15-20 км, особенно на ВН (110-500 кВ). В КЛ DC зарядная мощность отсутствует, что позволяет создавать линии длиной 100-200 км и более для пересечения морских проливов или ввода мощности в крупные города.

Постоянный ток незаменим для несинхронного объединения энергосистем:
- С разной номинальной частотой (50 Гц / 60 Гц) – параллельная работа на AC невозможна.
- С одной частотой, но разными законами регулирования или риском снижения устойчивости – связь DC предотвращает распространение каскадных аварий и не увеличивает токи короткого замыкания (КЗ) в объединяемых системах. Системы работают асинхронно, обмениваясь заданной мощностью.
- Звено DC может шунтировать связи AC, управляя потоками мощности для повышения экономичности и устойчивости.
- Линия DC может служить "шиной постоянного тока", к которой подключаются независимые системы.

HVDC-передачи (High Voltage Direct Current) эффективны для подключения электростанций с переменной частотой вращения (например, гидротурбин при изменяющемся напоре воды на ГЭС или приливных ЭС). Линия DC позволяет выдавать мощность в сеть при любой частоте генераторов, оптимизируя их КПД. Они также решают проблему неуправляемых потоков мощности ("циркуляции") в кольцевых сетях, размыкать которые нежелательно по соображениям надежности.

Основные области применения HVDC:
1. Дальние электропередачи (сотни/тысячи км) от удаленных ГЭС, АЭС; экономическая граница применения vs AC – 700-1000 км.
2. Передача через большие водные преграды (подводные КЛ).
3. Глубокие вводы мощности в крупные города.
4. Связь систем с разной частотой (50 Гц/60 Гц).
5. Несинхронные связи систем одной частоты (повышение живучести).
6. Подключение генераторов с переменной скоростью вращения (оптимизация КПД).
7. Управление потоками мощности и развязка сетевых "колец".