Использование объектов постоянного тока в мировой электроэнергетике

В настоящее время в мире построено много линий и вставок постоянного тока для решения задач электроэнергетики, и их применение расширяется в значительной степени благодаря успехам силовой полупроводниковой техники.

Объекты постоянного тока делятся на две группы. К первой из них относятся электропередачи постоянного тока (ППТ), где электрическая энергия передается на какое-то расстояние. Неотъемлемой частью этих электропередач является воздушная или кабельная линия постоянного тока. Ко второй группе относятся так называемые вставки постоянного тока (ВПТ), где линия постоянного тока отсутствует. Все звено постоянного тока расположено на одной подстанции, на которую заходят линии переменного тока от связываемых систем. Схемы ППТ и ВПТ приводятся ниже.

Приведем краткий обзор наиболее мощных объектов постоянного тока в мировой электроэнергетике. В Европе существует высокая плотность электрических сетей переменного тока. Поэтому здесь нет электропередач постоянного тока, проложенных по суше. В то же время ряд стран Европы отделен от континента и друг от друга морскими проливами, отсюда — необходимость преодоления морских пространств. Поэтому здесь получили распространение в основном кабельные и гибридные ППТ. Под гибридными понимаются ППТ, где основная часть линии выполнена кабелем, а небольшие концевые участки — воздушными линиями.

В настоящее время все крупные энергосистемы континента объединены электропередачами и вставками постоянного тока, что позволяет говорить о трансъевропейской сети. Наиболее крупными из них являются:

· ППТ между Англией и Францией через пролив Ла-Манш, позволившая объединить энергосистемы этих стран; мощность двух цепей этой ППТ составляет 2000 МВт;

· связь между Данией и Норвегией через пролив Скагеррак, где проложено три цепи кабельной ППТ общей мощностью 1040 МВт;

· кабельная двухцепная электропередача между Данией и Швецией (670 МВт);

· ППТ между Финляндией и Швецией через Ботнический залив (500 МВт);

· вставка постоянного тока в г. Выборге между Россией и Финляндией (1400 МВт);

· трехподстанционная воздушно-кабельная ППТ 500 МВт Италия—Корсика—Сардиния;

· в Англии осуществлен глубокий ввод мощности 640 МВт в г. Лондон с помощью ППТ Кингснорт (устье р. Темзы) и двух подстанций в черте города.

Связи на постоянном токе между государственными электроэнергетическими системами Европы будут усиливаться. Уже введена в строй гибридная ППТ Италия—Греция, ведется сооружение кабельных линий между Норвегией и Нидерландами, Швецией и Германией, Северной Ирландией и Шотландией. Выполнен также проект ППТ Англия—Исландия.

В Северной Америке действует целый ряд мощных электропередач и вставок постоянного тока. Одна из них — двухцепная ППТ Нельсон Ривер—Виннипег (Канада) общей мощностью 3600 МВт и длиной 930 км. На западном побережье Канады сооружена кабельная ППТ на о-в Ванкувер мощностью 680 МВт, в восточной части страны имеются две ВПТ, служащие для несинхронной связи с энергосистемами северной части США. Одна из них ВПТ Ил Ривер (320 МВт), другая — ВПТ Шатегей (1000 МВт). Кроме того, в начале 1990-х годов была введена в работу многоподстанционная ППТ (МППТ) общей длиной 1486 км от ГЭС на р. ЛаТранд, впадающей в Гудзонов залив, до района г. Виннипег (Канада) и далее в район г. Бостон (США). Передаваемая мощность 2200 МВт. Эта электропередача имеет пять подстанций — три в Канаде и две в США — и является несинхронной управляемой связью между энергосистемами Канады (Квебек) и США (Новая Англия).

В США построен ряд передач и вставок постоянного тока. Крупней­шие из них — Тихоокеанская ППТ (3100 МВт, 1362 км), Интермаунтин (1600 МВт, 788 км), Сквер Бьют (500 МВт, 730 км). В США сооружено десять вставок постоянного тока, которые используются для управляемых несинхронных связей энергообъединений.

В Южной Америке в Бразилии построена самая мощная в настоящее время ППТ Итайпу, предназначенная для передачи мощности от ГЭС Итайпу на р. Парана в район г. Сан-Пауло. Эта передача состоит из двух цепей мощностью по 3150 МВт и длиной около 800 км каждая. Кроме того, энергосистема Бразилии (60 Гц) соединена с энергосистемами Парагвая и Аргентины (50 Гц) тремя ВПТ. Одна из них служит для связи с энергосистемой Парагвая, две — с энергосистемой Аргентины. Сум­марная мощность этих ВПТ составляет 1100 МВт. По одному из вариан­тов плана развития энергосистемы Бразилии предусматривается соору­жение еще нескольких ППТ от ГЭС, которые должны быть сооружены на притоках р. Амазонки.

Положительный опыт Северной Америки в создании межсистемных несинхронных связей используется и в других странах, имеющих боль­шую территорию. Особый интерес в этом отношении представляет план развития энергосистемы Индии, в соответствии с которым предполага­ется изначальное разделение энергосистемы страны на несколько несин­хронно работающих частей, связанных между собой электропередачами и вставками постоянного тока. С этой целью была построена одна меж­системная ППТ и введены в эксплуатацию четыре ВПТ общей мощно­стью 2500 МВт. Эти ВПТ связывают между собой северную, западную и южную энергосистемы. Строятся еще три межсистемные ППТ и четыре межсистемные ППТ проектируются. Кроме того, внутри региональных систем построены три ППТ и планируется сооружение еще трех передач. Все эти ППТ в совокупности должны создать системообразующую сеть постоянного тока, что позволит обеспечить высокую управляемость и высокую живучесть энергосистемы страны.

Близкий к этому подход принят и в Китае, где после ввода в эксплуа­тацию ГЭС «Три ущелья» предполагается приступить к созданию единой энергосистемы. Для этой цели в дополнение к двум действующим ППТ будет сооружен ряд новых длиной 1700—2300 км и передаваемой мощ­ностью 5—6 ГВт. Это наряду с созданием системообразующей сети постоянного тока обеспечит и передачу значительной мощности от ГЭС в удаленные регионы страны.

Несколько мощных протяженных ППТ имеются в Африке и Азии. В Африке построены две такие электропередачи: одна из них от ГЭС Кабора Басса (Мозамбик) в ЮАР (1920 МВт, 1400 км), другая — Инга-Шаба (Заир, 1120 МВт, 1700 км). На экспертном уровне ведутся обсужде­ния по возможности сооружения электропередачи от нескольких ГЭС, которые можно построить на р. Конго в районе водопадов Ливингстона, в Европу (предполагаемая передаваемая мощность до 30 ГВт).

Как уже отмечалось, электропередачи и вставки постоянного тока могут использоваться для связи систем с различной номинальной частотой. Такие ППТ и ВПТ работают в Японии и Южной Америке, где исторически сло­жились энергообъединения, работающие на различных частотах.

В Японии граница между системами, работающими на различных час­тотах, проходит по о-ву Хонсю. В северной части острова принята час­тота 50 Гц, в южной — 60 Гц. Связь между этими системами осуществ­ляется с помощью трех ВПТ общей мощностью 1200 МВт. Кроме того, в южной части острова между двумя системами, работающими с одной номинальной частотой, есть ВПТ, которая используется для регулирова­ния межсистемных перетоков мощности. В Японии работают также гиб­ридные и кабельные ППТ. Одна из них является несинхронной связью между энергосистемами о-вов Хоккайдо и Хонсю, другая служит для выдачи мощности крупных электростанций, расположенных на неболь­шом острове. Кроме того, ведется предварительная проработка проекта трехподстанционной ППТ для выдачи мощности от тепловой электро­станции на о-ве Сахалин (Россия) на о-ва Хоккайдо и Хонсю.

В Новой Зеландии и Австралии также построено несколько ППТ и ВПТ. В Новой Зеландии гибридная ППТ объединяет энергосистемы г. Вашингтона, поддерживает в ней постоянную частоту и демпфирова­ние колебаний. В Австралии существует одна ВПТ и одна ППТ (200 МВт, длиной 180 км).

На основании изложенного можно сделать вывод о том, что объекты постоянного тока достаточно широко используются для решения ряда задач мировой электроэнергетики.

Далее рассмотрим перспективы применения объектов постоянного тока в России. Географическое положение, природные условия, протя­женность территории, неравномерное распределение ископаемых ресур­сов страны, развитая промышленность, наличие крупных энергообъеди­нений, расположенных на значительных расстояниях друг от друга, делают Россию страной, где объекты постоянного тока могут найти широкое применение.

В России длительное время, начиная с первых послевоенных лет, ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию оборудования для ППТ и ВПТ. Ведущую роль в этих работах играют НИИПТ (Санкт-Петербург), ВЭИ (Москва), а также ряд производ­ственных предприятий. Эти работы позволили построить опытно-про­мышленную ППТ Волгоград—Донбасс (800 кВ, 900 МВт) и создать обо-

рудование для ППТ Экибастуз—Тамбов ( 6000 МВт, 2400 км), которое по ряду параметров превосходило зарубежные аналоги. К сооружению этой электропередачи приступили в 80-х годах XX в. К 1990 г. была построена часть линии, закончена строительная часть подстанций в Тамбове и Эки-бастузе, начался монтаж оборудования, однако эти работы не были завер­шены. По замыслу разработчиков эта ППТ должна быть лишь первым звеном мощной межсистемной связи, охватывающей основные энергопро­изводящие регионы страны: Сибирь— Урал—-Центр. Предполагалось в дальнейшем эту передачу продлить от Экибастуза до Итатского месторо­ждения энергетических углей и впоследствии в Сибирь, а также создать ответвление на Урал.

Актуальность подобной межсистемной связи не утрачена и в настоя­щее время. Такая связь постоянного тока, будучи наложенной на сущест­вующие и перспективные межсистемные связи переменного тока, за счет своей высокой управляемости позволит демпфировать колебания в этих связях, возникающие при аварийных нарушениях работы той или иной энергосистемы, осуществлять при необходимости несинхронную связь между ними, иными словами, позволит повысить надежность и живу­честь Единой энергосистемы страны.

Освоение богатейших гидроэнергетических ресурсов сибирских рек также требует применения электропередач постоянного тока. Так, напри­мер, выдача энергии ГЭС Ангаро-Енисейского каскада суммарной мощ­ностью свыше 36 ГВт при дальности передачи до 3000 км по трассам высокой сложности целесообразна при использовании передач постоян­ного тока.

В настоящее время все более проявляется тенденция, связанная с уве­личением использования угля для производства электроэнергии и одно­временным снижением применения природного газа. В этой связи целе­сообразно рассматривать передачу электроэнергии от тепловых электро­станций Кане ко-Ачинского угольного бассейна в район Урала, где наряду с электропередачами переменного тока могут быть использованы и пере­дачи постоянного тока. Этот вопрос требует достаточно глубоких тех­нико-экономических исследований.

Из других направлений транспорта электроэнергии внутри России следует отметить связь ОЭС Сибири с Якутией и Дальним Востоком. В данном случае речь может идти о линиях мощностью 1—3 ГВт и дли­ной 1000—1500 км. Здесь ППТ будут иметь преимущества за счет боль­шой протяженности линий и прохождения трасс этих линий в доста­точно сложных условиях. Кроме того, следует также учитывать высокую управляемость таких связей и возможность несинхронной работы связы­ваемых систем.

В более отдаленной перспективе целесообразно рассматривать воз­можность использования ППТ при передаче электроэнергии от прилив­ных электростанций (ПЭС), которые могут быть сооружены в России. На территории нашей страны имеется несколько перспективных морских заливов, где возможно строительство мощных ПЭС. Эти заливы располо-

жены на побережье Белого и Охотского морей. В связи с малой населен­ностью этих мест и, следовательно, отсутствием достаточно мощных местных потребителей, вырабатываемую ПЭС энергию надо передавать в центры потребления на расстояния 1000 км и более. Очевидно, что для этой цели целесообразно использовать электропередачи постоянного тока, особенно если учесть специфику ПЭС, о чем говорилось выше.

Следует также отметить использование постоянного тока при связях островных энергосистем, например о-ва Сахалин, о-ва Валаам в Ладож­ском озере, Соловецких о-вов в Белом море и др., с системами, располо­женными на материке. Что же касается межгосударственных электро­энергетических связей России с приграничными государствами, то здесь применение постоянного тока также имеет большие перспективы. На западном направлении возможно сооружение многоподстанционной передачи постоянного тока ±500 кВ мощностью до 4 ГВт Россия—Бела­русь—Польша—Германия. Эта передача исключает известные трудности синхронной работы связываемых систем, исключаются технические трудности транзита мощности через сети других государств при исполь­зовании объединения на переменном токе.

На северо-западном направлении возможно усиление связей с Фин­ляндией и Норвегией за счет расширения существующей ВПТ в г. Выборге, сооружение новой ППТ Россия—Финляндия с прокладкой кабеля по дну Финского залива, создание связей (ППТ или ВПТ) между Карельской энергосистемой и Норвегией.

В южном и юго-восточном направлениях применение постоянного тока представляется предпочтительным из-за больших расстояний (более 1000 км), затрудняющих создание синхронных связей с энергосистемами стран, расположенных к югу от границ России. Наиболее перспектив­ными в этом направлении являются связи с Китаем. Имеется несколько вариантов электропередач Сибирь—Китай. Передаваемая мощность по этим связям может составить несколько гигаватт, расстояние около 2000 км. В настоящее время реализация таких связей возможна только на постоян­ном токе.

В восточном направлении возможно создание связей Россия—Япония и Россия—Корея. Поскольку Япония является островным государством, то создание таких связей возможно только с помощью кабельных линий, что предполагает применение постоянного тока. Здесь возможно соору­жение следующих электропередач:

в Японию от специально сооруженной на о-ве Сахалин тепловой элек­тростанции;

в Японию через о-в Сахалин от ГЭС на притоках р. Лены в Якутии; в этом случае необходимо также сооружение линии через Татарский про­лив; сооружение такой линии постоянного тока в настоящее время не встречает технических трудностей;

связь с Кореей может быть выполнена воздушными линиями из рай­она Приморья.