+7 926 9561571

Системы передачи постоянного тока: текущее состояние и перспективы развития

«В запале поиска очередных путей

И схем прокладки нефтегазовых «потоков»      

Мы слабо слышим слово наших технарей

О веке сверхпроводников и постоянных токов».

Матвеев И.Е., 15 марта 2017 г.



Системы передачи постоянного тока: текущее состояние и перспективы развития

Список сокращений.

ВИЭ- возобновляемые источники энергии

ВЛ - воздушная линия

ВПТ - вставка постоянного тока

ВЭУ - ветроэлектрическая установка

ДЭП – дальняя электропередача

ЕЭС – единая энергетическая система

КВЛ - кабельно-воздушная линия

КЛ - кабельная линия

КТСП – комнатнотемпературный сверхпроводник

ППТ - передача постоянным током

ПТ - постоянный ток

ПН - преобразователь напряжения

УПК - устройство продольной компенсации

УВН - ультравысокое напряжение

HVDC - постоянный ток высокого напряжения

LCC - Line Commutated Converter (преобразователь тока)

SVC- Static Var Compensator (тиристорно-реакторное устройство компенсации реактивной мощности)

VSC - Voltage Source Converter (преобразователь напряжения)



     В первых линиях передач электрической энергии, созданных во второй половине ХIХ века, использовался постоянный ток. С увеличением мощности линий росли также их стоимость, габариты и вес. Эти недостатки оказались критическими для развития сетевого хозяйства на текущем технологическом уровне. В конце указанного столетия проблемы были решены путем внедрения целого ряда изобретений в сферах генерации, преобразования и использования электрической энергии. В итоге в «войне токов» победил переменный ток, что и определило пути дальнейшего развития электроэнергетики на последующие сто лет.

Вместе с тем, уже в первой половине ХХ века один из основоположников трехфазной системы М.О. Доливо-Добровольский обозначил физические пределы применения переменного тока и указал, что наиболее эффективным методом транспортировки электроэнергии на дальние расстояния являются технологии на базе постоянного тока (ПТ).

Системы дальних электропередач (ДЭП). В ходе эволюции электроэнергетические системы из изолированных систем, питающих местные нагрузки, превратились в крупные объединения, связывающие потребителей и концентрированные/распределенные генерирующие источники.

Со временем происходило удаление источников генерации от центров концентрированного спроса на электроэнергию по техническим, социально-экономическим и иным причинам, например, при освоении гидропотенциала крупных рек и месторождений ископаемого топлива, строительстве атомных электростанций, для оптимизации работы протяженных энергосистем за счет использования межсистемного (долготного) эффекта  и др.      

В настоящее время в мире подавляющее число ДЭП работают на переменном токе. Их развитие, т.е. повышение мощности передачи и увеличение протяженности линий, расширение сети, соединение нескольких энергосистем в единую систему, сопряжено с экспоненциальным ростом затрат на обеспечение устойчивости, снижение потерь и др.

Системы, использующие постоянный ток, представлены воздушными, кабельными и комбинированными линиями, а также вставками постоянного тока (ВПТ). В настоящее время они применяются «точечно» для решения отдельных технических задач.

Отметим, что в некоторых проектах применение кабельной линии ПТ не имеет альтернативных решений, например, при пересечении широких водных преград, подключении ветропарков морского базирования, вводе крупных мощностей в мегаполисы и др.

На современном этапе развития науки и техники в качестве основных способов транспортировки электроэнергии на дальние расстояния можно рассматривать три:

  1. передача переменным током,
  2. передача постоянным током высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения,
  3. использование сверхпроводящих линий.

Примерные пороговые значения применения различных способов передачи электроэнергии в зависимости от технических параметров (пропускной способности и длины) указаны в приложении 1.

Достоинства и недостатки передачи ПТ. Передача постоянным током ППТ), в отличие от переменного, не связана с волновыми электромагнитными процессами, поэтому ППТ обладает качественно иными характеристиками.

Системы передачи постоянным током более надежны, устойчивы, экономичны и эффективны. Линии и вставки постоянного тока позволяют создавать гибкие и безопасные силовые сети мега-регионального и трансконтинентального масштаба. Системы ППТ способны:

- повысить эффективность управления энергосистемой большой мощности и протяженности из одного центра;

- создать наиболее благоприятные условия функционирования межрегиональных и межгосударственных оптовых рынков электроэнергии и мощности;

- объединять энергосистемы переменного тока, работающие с номинальной частотой 50 или 60 Гц и различной идеологией поддержания частоты;

- безынерционно изменять величину и направление потока мощности в общей энергосистеме и ее отдельных частях, т.е. осуществлять передачу электроэнергии по заданной программе, в том числе в прямом и обратном направлениях;

- повысить эффективность управления графиками нагрузки путем накопления электрической энергии в периоды избыточной генерации и выдачи в периоды роста потребления;

- сократить количество противоаварийного оборудования с сохранением высокой надежности и маневренности (расширяются возможности аварийной взаимопомощи систем);

- снизить нагрузку на окружающую среду за счет уменьшения габаритов опор ЛЭП, сокращения в 1,5 раза зоны отчуждения земли для трассы линии ПТ, более высокой безопасности для человека, растительного и животного мира ввиду отсутствия волновых эффектов:

- обеспечить минимально низкую пропускную способность межсистемных связей, исключить проблему слабых связей;

- повысить эффективность передачи мощности от крупных и средних ГЭС за счет оптимизации скорости вращения роторов гидрогенераторов, что увеличивает КПД электростанции;

- существенно облегчить интегрирование в локальные сети генерирующего оборудования на базе возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ) постоянного напряжения - солнечных батарей, ветрогенераторов малой и средней мощности, а также топливных элементов – накопителей энергии из-за отсутствия необходимости их взаимной синхронизации.

Создание и эксплуатация линий ПТ и ВПТ сопряжены с рядом технических проблем, решение которых требует дополнительных финансовых затрат. В числе основных из них:

- необходимость компенсации высших гармоник и реактивной мощности преобразователей при преобразовании постоянного тока в переменный;

- сложность управления тиристорными вентилями (при использовании тиристоров в преобразователях);

- малое внутреннее сопротивление тиристоров, находящихся в открытом состоянии, разброс технических характеристик этих приборов, что является причиной неравномерности распределения напряжений по отдельным элементам, включенным последовательно;

- низкая устойчивость работы инверторов при несимметричных режимах работы электропередачи (приводит к усложнению конструкции подстанций, что снижает их надежность, увеличивает стоимость).

За последние 60 лет в сфере ППТ накоплен значительный опыт. Ключевые проблемы передачи постоянным током детально изучены на практике и успешно преодолеваются, хотя многие конструктивные решения пока остаются дорогостоящими.

В условиях становления нового технологического уклада применение систем ППТ на макроуровне является необходимым условием, а в ряде случаев - не имеет альтернативы (т.е. в случае, когда передача переменным током нецелесообразна или невозможна). Речь идет о следующих задачах:

- создание пространственных активно-адаптивных сетей, т.е. систем, в которых все субъекты электроэнергетического рынка принимают участие в процессах выработки, передачи и распределения электроэнергии;

- формирование интеллектуальных сетей («Smart Grid»);

- объединение нескольких крупных (национальных и др.) энергетических сетей в единую сеть;

- подключение к общей энергосистеме децентрализованных «микроэнергосистем» («Microgrid»), сформированных на стороне пользователей;

- передачу значительной электрической мощности на дальние расстояния (например, из Северной Африки - в Европу, районов Крайнего Севера - в южные широты, из Сибири и Дальнего Востока - в центральную часть России, страны АТР, государства, поддерживающие инициативу «Экономического пояса «Шелкового пути»);

- интеграция в общую систему ВИЭ-станций морского базирования (ветропарков, плавучих солнечных электростанций, оборудования, использующего энергию воды), накопителей энергии и др.;

- прокладка линий электропередач в пересеченной местности, по дну рек и морей, ввод крупных мощностей в города, мегаполисы, на промышленные площадки и др.

С точки зрения потребления энергии развитию систем постоянного тока способствуют:

  1. увеличение протяженности железнодорожных и других контактных путей;
  2. рост числа бортовых (автомобильных, корабельных, авиационных и др.), внутренних (внутри зданий, предприятий, и др.) и специальных сетей;
  3. широкое внедрение оборудования с импульсными блоками питания (хранилищ данных и др.), промышленных и бытовых механизмов, оборудованных двигателями постоянного тока.

Конструкционные особенности линий ПТ. Линии постоянного тока могут быть воздушными (ВЛ), кабельными (КЛ) или комбинированными – воздушно-кабельными (ВКЛ). Для ВЛ и КЛ постоянного тока стоимость сетевого хозяйства ниже, чем аналогичный показатель для переменного тока при одинаковых технических параметрах передачи.

Воздушные линии ПТ выполняются по однополюсной или двухполюсной схеме. При их строительстве применяются одностоечные металлические опоры или опоры на оттяжках, которые на 40-45% легче подобных конструкций ЛЭП переменного тока, что снижает потребность в черных металлах и, соответственно, стоимость этих изделий. В биполярных линиях ПТ используются два сталеалюминевых провода (и грозозащитный трос). Провода подвешиваются к опорам на изоляторах, собранных в гирлянду. Длина гирлянды изоляторов ВЛПТ может быть больше, чем у линии переменного тока, но суммарный расход изоляторов ниже из-за меньшего числа проводов. Нормы отвода земель для ВЛ ПТ в несколько раз меньше, чем для линий переменного тока. 

Современные КЛ постоянного тока более легкие, прочные, долговечные, обладают высокой электрической прочностью изоляции (в 2-3 раза выше, чем у трехфазных кабелей). Кабели ПТ способны передавать 700-800 МВт при напряжении 450-500 В, при этом их стоимость меньше, чем алогичный показатель для кабелей переменного тока. Длина КЛ ПТ может достигать нескольких сотен километров.

Для увеличения пропускной способности КЛ как постоянного, так и переменного тока применяются различные способы охлаждения проводников (токоведущих жил) с целью снижения активного сопротивления линии. На современном уроне развития науки и техники ряд подобных решений, например, газонаполненные кабели (по переменному току их критическая длина составляет 300-400 км), гиперпроводящие кабели (до 100 км в трехфазных системах) и криогенные линии пока остаются дорогими в производстве и эксплуатации.

Будущее кабельной техники связывается с промышленным производством кабелей, обладающих сверхвысокой проводимостью при высоких и комнатных температурах.

В настоящее время на мировом рынке представлены высокотемпературные сверхпроводники первого и второго поколения (ВТСП-1 и ВТСП-2). По объему выпуска лидируют ВТСП-1, но сверхпроводники второго поколения являются более перспективными. В последние несколько лет сектор ВСТП-2 в стоимостном выражении ежегодно удваивался и в 2017 г. соответствующий показатель может достичь 1 млрд. долл. США.

В 2005 г. в России были возобновлены работы по разработке и внедрению сверхпроводящих силовых кабелей на высокотемпературных сверхпроводниках. Во втором десятилетии российские разработчики вышли на передовые рубежи знаний, а отечественные производители ВСТП-2 увеличили примерно до 10% свою долю в соответствующем сегменте глобального рынка. Для экономики России дальнейшее развитие сектора высокотемпературной сверхпроводимости представляется важной задачей. Внедрение данных технологий окажет мультипликативный эффект не только в электроэнергетике, но и на транспорте, в машиностроении, металлургии, электронике, медицине, атомной отрасли.

Для сопряжения систем постоянного и переменного тока используются преобразовательные подстанции. К основному оборудованию преобразовательных подстанций ПТ относятся преобразовательный трансформатор, преобразовательный мост (его главный элемент-высоковольтный управляемый вентиль), фильтры токов высших гармоник, линейные (сглаживающие) реакторы, выключатели постоянного тока (в системах с промежуточными отборами), а также синхронные компенсаторы, конденсаторные батареи, конструкция которых почти не отличается от аналогичных устройств сетей переменного тока.

В середине XX века в преобразовательных мостах использовались высоковольтные ртутные вентили (в некоторых системах ПТ они используются и в настоящее время), которые обладают рядом крупных недостатков, определяемых физикой происходящих в них процессов, и токсичностью ртути. В 70-х годах преобразователи начали строиться на базе полупроводниковых приборов - мощных кремниевых управляемых вентилей-тиристоров.

В конце 90-х годов ведущие энергетические концерны мира активизировали работы, направленные на создание оборудования ПТ следующего поколения.

В наступившем веке наблюдается ускорение развития технологий ППТ. Во втором десятилетии всего за пять лет (в 2001-2015 гг.) рабочее напряжение и номинальная пропускная способность преобразователей повысились в несколько раз. В таблице 1 приведены основные исторические рубежи использования техники постоянного тока в энергосистемах мира.

Таблица 1. Основные исторические рубежи развития техники постоянного тока.

Год

Наименование оборудования

Преобразователи тока

1954 г.

Использование ртутных вентилей (9 объектов)

1978 г.

Использование первых тиристорных вентилей с водяным охлаждением

2006 г.

Использование мощных преобразователей тока (напряжение - 800 кВ, мощность - 600 МВт)

 

Преобразователи напряжения

1997 г.

Введение в промышленную эксплуатацию первого объекта

2010 г.

Использование модульной многоуровневой схемы

2015 г.

Использование мощных и экономичных преобразователей (потери - менее 1 %, мощность - 2 ГВт)

Источник: РНК СИГРЭ, «Отчет о заседании исследовательского комитета В4 «Электропередачи постоянным током высокого напряжения и силовая электроника», 20 сентября 2015 года, г. Агра, Индия, URL: http://www.cigre.ru/research_commitets/ik_rus/b4_rus/events/ОтчетB4_23-09-2015.pdf.

Современная техника ПТ создается на базе новейших технологий и обладает высокой надежностью. Коэффициент энергетической готовности действующих преобразовательных подстанций ПТ приближается к 99%, т.е находится на уровне, обеспечивающем выполнение технических требований.

Россия располагает возможностями по разработке и изготовлению преобразовательных устройств для передачи ПТ и ВПТ мощностью 50-3500 МВт на отечественной элементной базе. Для стимулирования развития этих технологий требуются новые проекты, нацеленные на развитие локальных и магистральных электрических сетей, как внутри страны, так и в рамках международного сотрудничества.

Экономическая целесообразность использования ПТ. В первом приближении область рационального применения системы ППТ можно определить путем сопоставления затрат на ее создание с аналогичным показателем для линий электропередачи переменного тока той же протяженности и пропускной способности. При этом фиксируется так называемая «критическая длина» линии (КД), при которой затраты на сооружение электропередач постоянного и переменного тока оказываются равными.

В ходе сравнения экономических параметров систем передачи постоянным и переменным током протяженностью несколько сотен километров стоимость ППТ с воздушными ЛЭП, как правило, оказывается выше из-за применения дорогостоящего оборудования - концевых подстанций (выпрямителя и инвертора) и выключателей постоянного тока (в линиях с промежуточными отборами). С увеличением длины передачи ценовые показатели передачи переменным и постоянным током сближаются, но следует учитывать, что на КД влияют и другие технические характеристики: мощность, количество цепей, схема передачи, стоимость конкретного оборудования и др.

В зарубежной литературе указывается, что в диапазоне 600 МВт - 3,0 ГВт для систем ПТ без промежуточных отборов мощности критическая длина может составлять 700 - 100 км, для передач с промежуточными подстанциями - от 1,1 тыс. км до 1,4 тыс. км.

В России величина КД для линий электропередачи высших классов напряжения, использующих отечественное оборудование, оценивается в 1,0-1,5 тыс. км.

Одним из факторов, приводящих к повышению стоимости проектов и, соответственно, КД, является несовершенство методики экономических расчетов. В нашей стране отсутствуют типовые отраслевые «Укрупненные показатели стоимости сооружения электрических станций и электрических сетей», поэтому оценка затрат при текущем и прогнозном уровне цен осуществляется с применением средневзвешенных по отрасли «Электроэнергетика» индексов пересчета стоимости из базового в текущий уровень цен, которые публикуются в журнале «КО-ИНВЕСТ».

К важным параметрам, влияющим на выбор типа системы дальней электропередачи, относятся:

  1. цена электроэнергии на локальном рынке, т.е. выработанная местными источниками генерации;
  2. стоимость транспортировки электроэнергии.

В последние несколько лет в отдельных регионах мира интерес к ДЭП ослабевал ввиду того обстоятельства, что генерирующие объекты приблизились к центрам потребления из-за развития газовой инфраструктуры, строительства тепловых, атомных и ВИЭ-электростанций вблизи крупных городов. В то же самое время капитальные затраты на сооружение линий электропередачи увеличивались более быстрыми темпами, чем аналогичный показатель для электростанций. Это обстоятельство привело к росту стоимости передачи.

В России указанные факторы могут оказать влияние на конкурентоспособность ДЭП и выбор технологии. В Китае, где пока слабо развита атомная и газовая генерация, а стоимость сооружения ЛЭП ниже российской, обоснование сооружения системы ППТ даже для дальности 3 тыс. км не вызывает возражений.

Что касается кабельных линий, то их критическая длина значительно ниже - 50-80 км.

Опыт строительства систем ППТ. Первые ППТ высокого напряжения начали создаваться в середине прошлого века.

В 1950 г. была построена опытно-промышленная линия «Кашира-Москва» мощностью 30 МВт и напряжением между полюсами 200 кВ с кабельной линией длиной около 100 км.

В 1954 г. в Швеции была введена в эксплуатацию униполярная кабельная линия мощностью 20 МВт, напряжением между полюсом и землёй 100 кВ и длиной 98 км, соединившая о-в Готланд с национальной энергосистемой по дну Балтийского моря. Первая «Готландская линия» успешно проработала 28 лет. Вместо нее в 1983 г. и в 1987 г. были построены две новые более мощные линии.

 В 1978г. в СССР было принято решение о реализации крупнейшего в тот период времени проекта «Экибастуз-Центр» мощностью 6 ГВт, напряжением ±750 кВ, протяженностью 2,4 тыс. км.

В 1987 гг. в Бразилии была ведена в эксплуатацию ППТ «Itaipu», состоящая из двух биполярных линий по 3,15 ГВт с напряжением между полюсами ±600 кВ, протяженностью 800 км, мощностью 6,3 ГВт.  Электропередача предназначена для транспортировки электроэнергии, вырабатываемой ГЭС «Itaipu» (12,6 ГВт, построена Бразилией и Парагваем на р. Парана) в г. Сан-Паулу (Бразилия).

К концу 80-х годов в мире было построено 28 систем ПТ суммарной мощностью 12 ГВ, в том числе в СССР («Волгоград-Донбасс»), США («Тихоокеанская передача»), Западной Европе (соединение энергосистем Великобритании и Франции через пролив Ла-Манш, линия ПТ «Скагеррак» Норвегия-Дания), ЮАР («Кабора-Басса») и др.

В начале 90-х годов была ведена в эксплуатацию первая в мире высоковольтная линия с промежуточными отборами мощностью 2 ГВт, соединившая канадские провинции Квебек и Новая Англия.

В первой половине 2000-х годов в Китае были созданы несколько мощных ДЭП постоянного тока, составляющих каркас будущей национальной гибридной электроэнергетической сети.  

В 2009-2016 гг. были реализованы 16 крупных проектов. Высокую активность проявили страны объединенной Европы, где были введены в эксплуатацию такие линии передач, как: Финляндия-Швеция («АL-link», КЛ, 100 МВт), Норвегия-Дания («Skagerrak-4», ВКЛ, 700 МВт), Польша-Литва («LitPol Link», 500 МВт), Литва-Швеция («NordBalt», КЛ, 700 МВт), Франция-Италия («France-Italy Link», КЛ, 2х600 МВт).

В сегменте вставок постоянного тока рекордно высокая мощность в 1,4 ГВт была достигнута на Выборгской выпрямительно-инверторной подстанции электропередачи 330/400 кВ «Россия-Финляндия» после ввода в эксплуатацию четвертого блока в 2000 году.

В среднесрочной перспективе (до 2021 г.) в различных регионах планеты намечено реализовать более 80 проектов ППТ, из них 12-ть предусматривают передачу большой мощности.

Строительство пяти систем запланировано в Германии, Норвегии, Финляндии, Швеции, Дании и Великобритании. Вероятно, что к концу третьего десятилетия в западной части Европы на долю ППТ придется 22%-25% суммарной пропускной способности новых электропередач.

В странах БРИКС в ближайшие 10-15 лет суммарная мощность ППТ может превысить 320 ГВт (в Бразилии - 120 ГВт, Китае – 100 ГВт, Индии и ЮАР – по 50 ГВт).

Данные о введенных в эксплуатацию и планируемых к строительству объектов ПТ приведены на рисунке 1.

Количество введенных в эксплуатацию и планируемых к строительству объектов пост. тока в 1950-2020 гг


Рисунок 1. Количество введенных в эксплуатацию и планируемых к строительству объектов постоянного тока в 1950-2020 гг., ед., оценка.

Источник: ОАО «НИИПТ», URL: http://www.niipt.ru/news/conception_ppt.pdf.

Как следует из представленной диаграммы, развитие сектора ППТ ускоряется, а в текущем десятилетии количество таких систем может резко вырасти по сравнению с аналогичным показателем предыдущих периодов.

Суммарная пропускная способность ППТ и ВПТ, введённых в эксплуатацию в период до 2010 г., превысила 100 ГВт, а к 2021 г. мощность ППТ может увеличиться более чем на 250 ГВт.

В настоящее время среднегодовой оборот мирового рынка оборудования постоянного тока оценивается в 10-15 млрд. долл. США (темпы прироста - 8-12% в год).

В XXI веке возникла потребность в дальнейшем увеличении пропускной способности и длины линий электропередачи.

Системы ППТ ультравысокого напряжения (УВН) ±800 кВ не позволяют эффективно транспортировать электроэнергию на расстояние, значительно превышающее 2 тыс. км. Для снижения потерь при сверхдлинной передаче необходимо использовать более высокое напряжение (±1100 кВ), но для этого требуется освоить промышленное производство соответствующего оборудования (трансформаторов, высоковольтных вентилей, реакторов, разъединителей и др.).

В текущем десятилетии в мире строится и проектируется около 30 ППТ УВН. Лидером данного направления является Китай, реализующий программу по созданию магистральных каналов переброски крупных объемов электроэнергии в центральные и прибрежные провинции. План предусматривает создание нескольких ППТ УВН напряжением ±500, ±660, ±800 кВ. В 2014 г. в КНР начаты работы по созданию систем постоянного тока напряжением ±1100 кВ, мощностью 11 ГВт, протяженностью ВЛ 3,2 тыс. км.   

Подобные проекты реализуются в других странах с протяженной территорией. Так, в Индии решается задача по объединению нескольких региональных систем и увеличению объемов транспортировки электроэнергии в северную часть государства. В 1989-2014 гг. в стране было построено пять ППТ напряжением ±500 кВ и мощностью 1,5-2,5 ГВт и четыре ВПТ мощностью 100-1000 МВт.

В Бразилии создается система, соединяющая ГЭС «Бело Монте» (11 ГВт, расположена на севере) с южными и центральными регионами. Согласно плану, предполагается проложить две биполярные линии постоянного тока напряжением ±800 кВ, мощностью по 4ГВт, протяженностью 2,0-2,5 тыс. км. В 2015 г. тендер на прокладку первой линии ППТ УВН выиграла «Государственная электросетевая корпорация Китая».

Развитие систем передачи постоянным током в России. В СССР первый практический опыт создания линии постоянного тока промышленного масштаба был в получен в конце 40-х - начале 50-х годов при строительстве ВКЛ ППТ «Кашира-Москва».

В 80-х годах была начата реализация проекта линии ПТ «Экибастуз-Центр» мощностью 6 ГВт, напряжением ±750 кВ, протяженностью 2,4 тыс. км. В 90-х годах работы прекратились, но основное оборудование ПТ было создано и испытано на стендах: 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 начале XXI века были реализованы два проекта: модернизация ПС (ВПТ) «Выборгская» (2002 г.) и строительство ВПТ на ПС «Могоча» (2015 г.) с целью обеспечения параллельной работы ОЭС Востока и ОЭС Сибири, повышения надежности энергообеспечения Забайкальской железной дороги, поставки электроэнергии в отдельные районы Восточной Сибири. К концу текущего десятилетия предполагается построить линию ПТ, соединяющую «ЛАЭС-2» и ПС «Выборгская».

В таблице 2 указаны данные о развитии ППТ в России.

Таблица 2. Разработка и применение систем передачи постоянным током в СССР и Российской Федерации

№ п/п

Система ППТ

Начало эксплуатации

Мощность, МВт

Напряжение, кВ

Длина, км

1.

Кашира-Москва

1950 г.

30

±100

90 ВЛ и 30 КЛ

2.

Волгоград-Донбасс

1965 г.

720

±400

470

3.

Экибастуз-Центр

1980-1995 г. (работы прекращены, проект не завершен).

6000

±750

2500

4.

ПС «Выборгская» (ВПТ)

1983 г., модернизация в 2000-2002 г.

1050, после модернизации - 1400

2100

0

5.

ВПТ «Могоча»

2015 г.

200

1500

0

6.

ППТ «ЛАЭС-2» – ПС «Выборгская»

2019 г.

1000

±300

67 ВЛ и 46 КЛ

Источник: составлено автором.

В настоящее время перспективы развития ППТ в ЕЭС России определяется следующими факторами:

- значительная протяженность территории страны, что позволяет строить эффективные системы, использующие долготный и широтный эффекты;

- удаленность крупных объектов генерации от нагрузки;

- слабые связи между крупными региональными объединениями (ОЭС), необходимость присоединения локальных энергосистем;

- обострение проблемы ограничения токов короткого замыкания в мегаполисах;

- необходимость преодоления широких водных преград при строительстве линии, передающих электроэнергию объекты на объекты морского базирования (добывающие платформы и др.), в удаленные районы;

- развитие сферы ВИЭ;

- износ сетевого хозяйства;

- относительно высокие потери в распределительных сетях.

Россия экспортирует и импортирует электроэнергию. К основным странам-импортерам отечественной электроэнергии относятся Финляндия, Китай, Белоруссия, Литва, Казахстан. В нашу страну электроэнергия в значительных объемах поступает из Казахстана, в меньшем количестве – из Грузии (в летние месяцы Грузия возвращает часть электроэнергии, полученной из России в зимний период). 

В Приложении 2 приведены данные о международной торговле электроэнергией России.

ЕЭС России обладает возможностями для укрепления и развития связей с зарубежными энергосистемами на базе технологий ППТ, что обусловлено:

- наличием избыточных энергоресурсов, формирующих экспортный потенциал электроэнергетической отрасли;

- техническими сложностями объединения на переменном токе ЕЭС России и крупных зарубежных энергосистем;

- значительными расстояниями передачи, затрудняющими создание синхронных связей с энергосистемами государств, расположенных к югу от границ с Россией (страны Центральной и Средней Азии, Республика Корея, КНДР, Иран и др.);

- наличием широких водных преград;

- сложностями экономических взаиморасчетов при вовлечении в обменные перетоки мощности нескольких зарубежных энергосистем.

В таблице 3 приведены перспективные системы ПТ для создания связей с зарубежными энергосистемами.

Таблица 3. Перспективные передачи постоянного тока для связи ЕЭС России и зарубежных энергетических систем.

№п/п

Направление передачи

Тип и длина линии, км

Мощность, ГВт

1.

Россия (Смоленская обл.) - Белоруссия-страны Балтии-Россия (Калининградская обл.) - Польша-ФРГ

ВЛ, 2 тыс.

2-4

2.

Россия (Карелия)-Финляндия

ВЛ, 300

0,5

3.

Россия (Сибирь)-Монголия-КНР

ВЛ, 2-4 тыс.

6-7

4.

Россия (Якутия-о.Сахалин)-Япония

ВЛ и КЛ, 2,0-2,5 тыс.

5-10

5.

Россия (о.Сахалин)-Япония

ВЛ и КЛ, 1-2 тыс.

5

6.

Россия-Республика Корея

ВЛ, 1,0-1,5 тыс.

1-3

7.

Россия-Турция

КЛ, 400-500

1-2

8.

Россия-Иран

ВЛ, 500

1-2

Источник: Лозинова Н.Г., Мазуров М.И., «Передача постоянного тока», 2007 г., URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2007/46/06.php.

В нашей стране намечены пути развития технологий передачи электроэнергии.

В 2011 г. по заказу ОАО «ФСК ЕЭС» ОАО «НТЦ электроэнергетики» была выполнена работа по созданию «Концепции развития интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью», в подготовке которой участвовали ведущие отраслевые и академические институты: АОА «Институт «Энергосетьпроект», Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения РАН (ИСЭМ СО РАН), Институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН), Институт проблем управления РАН (ИПУ РАН), ГУ «Институт энергетической стратегии» (ГУ ИЭС), Высшая школа экономики, Московский энергетический институт, ОАО «Научно-исследовательский институт по передаче энергии постоянным током высокого напряжения» (НИИПТ). В указанном документе системы передачи постоянным током рассматриваются как один из ключевых элементов электроэнергетической сети нового поколения.

В 2016 г. ОАО «НИИПТ» предложил концепцию развития ППТ в России, в которой указаны области применения ППТ и ВПТ, обоснован перечень первоочередных проектных и исследовательских работ.

Выводы:


  1. Развитие электроэнергетики базировалось на технологии передачи электроэнергии преимущественно переменным током. С расширением промышленного производства происходило удаление источников генерации от центров концентрированного спроса на электроэнергию по техническим, социально-экономическим и иным причинам. В настоящее время в странах (объединениях государств), располагающихся на протяженной территории, имеется потребность в передаче крупных мощностей на дальние расстояния и интеграции энергетических систем.
  2. Передача постоянным током, в отличие от переменного, не связана с волновыми электромагнитными процессами, поэтому ППТ обладает качественно иными характеристиками. Физические свойства постоянного тока позволяют (1) передавать значительные мощности на дальние и сверхдальние расстояния с минимальными потерями, (2) создавать линии, эффективно преодолевающие широкие водные преграды, (3) объединять разнородные энергосистемы, (4) строить интеллектуальные, гибкие, экономичные, надежные и безопасные сети мега-регионального и трансконтинентального масштаба (активно-адаптивные сети), (5) снизить нагрузку на окружающую среду. В отдельных случаях применение ПТ не имеет альтернативы по техническим и экономическим причинам.
  3. С точки зрения потребления энергии развитию систем постоянного тока способствуют увеличение протяженности железнодорожных и других контактных путей, рост числа бортовых (автомобильных, корабельных, авиационных и др.), внутренних (внутри зданий, предприятий, и др.) и специальных сетей, внедрение оборудования с импульсными блоками питания, промышленных и бытовых механизмов, оборудованных двигателями постоянного тока.
  4. В секторе передачи электроэнергии область рационального применения систем ППТ определяется путем сопоставления затрат на их создание с аналогичным показателем для линий электропередачи переменного тока той же протяженности и пропускной способности. При длине линии в несколько сотен километров стоимость ППТ с воздушной ЛЭП оказывается выше из-за применения дорогостоящего оборудования (выпрямителя и инвертора) и выключателей постоянного тока (в линиях с промежуточными отборами). С увеличением длины линии ценовые показатели передачи переменным и постоянным током сближаются, но следует учитывать, что на экономический паритет влияют и другие технические и экономические характеристики проекта: мощность, количество цепей, схема передачи, стоимость оборудования и работ\услуг, затраты на транспортировку, цена электроэнергии в месте приема. Критическая длина для воздушных линий оценивается в 700-1100 км, кабельных линий – 60-80 км.
  5. В ходе развития количество проектов и мощность систем ПТ неуклонно увеличивались. Первые ППТ высокого напряжения начали создаваться в середине прошлого века. К концу 80-х годов было построено 28 систем суммарной мощностью 12 ГВ. В начале текущего десятилетия эти показатели выросли до 140 ед. и 100 ГВт. Через четыре-пять лет количество новых систем ПТ может достичь 80, а передаваемая мощность - увеличиться на 250 ГВт.
  6. Техника постоянного тока непрерывно совершенствуется, темпы ее развития ускоряются. В 2000-х годах произошло качественное изменение параметров оборудования: кратно снизились потери, увеличились надежность и пропускная способность преобразователей тока и напряжения.
  7. В современных системах ПТ применяются новейшие знания и технологии из различных областей. Развитие сектора оказывает мультипликационный эффект на экономику страны. Мировой рынок оборудования постоянного тока стабильно расширяется. В текущем десятилетии годовой оборот сектора ПТ оценивается в 10-15 млрд. долл. США, темпы прироста – 8%-12%.
  8. В глобальном секторе передачи постоянным током высокого напряжения (HVDC) лидирует Китай, создающий национальную сеть нового поколения. На внешних рынках в данном сегменте энергетические компании КНР обладают высокой конкурентоспособностью.
  9. Россия опирается на уникальный опыт и задел, сформированный во времена СССР, проводит соответствующие НИОКР, развивает производство. В настоящее время имеются предпосылки для осуществления рывка в секторе ППТ. Высокую эффективность ДЭП определяет географический фактор.
  10. Наша страна располагает возможностями по разработке и изготовлению преобразовательных устройств для передачи ПТ и ВПТ мощностью 50-3500 МВт на отечественной элементной базе. Для стимулирования развития этих технологий требуются инновационные проекты, нацеленные на расширение локальных и магистральных электрических сетей, как внутри страны, так и в международном формате.
  11. Видится, что в среднесрочной перспективе развитие ЕЭС России будет происходить путем совершенствования и расширения сетей преимущественно переменного тока. Технологии передачи постоянным током будут использоваться (1) в сфере дальних и сверхдальних передач крупных объемов электроэнергии, (2) для усиления связей между региональными энергосистемами, (3) с целью развития межгосударственных связей и увеличения экспорта электроэнергии, (4) при решении отдельных технических задач по транспортировке электроэнергии (например, через широкие водные преграды для энергообеспечения морских добывающих платформ).
  12. На внешних рынках перспективы развития отечественного сектора ППТ связаны с укреплением действующих и созданием новых связей с зарубежными энергетическими системами стран ЕАЭС, государств объединенной Европы, Ирана, Турции, Монголии, Республики Корея, Японии, Китая.
  13. В долгосрочной перспективе конкуренцию технологиям ППТ могут составить сверхпроводники. Уже созданы опытные образцы комнатнотемпературных сверхпроводников. Для КТСП не требуется охлаждение до сверхнизких и низких температур, что существенно снижает стоимость линий и оборудования на их основе, позволяет решать технические проблемы, ограничивающие использование переменного тока.

Ссылка на источник обязательна!






Нет комментариев
Добавить комментарий