سیستم انتقال توان فشار قوی جریان مستقیم (HVDC)

فشار قوی جریان مستقیم یا انتقال به صورت جریان مستقیم با ولتاژ بالا (High-voltage direct current یا HVDC)، نوعی سیستم انتقال انرژی الکتریکی است. این روش راهی نوین برای انتقال انرژی الکتریکی در مقیاس‌های کلان است و در این زمینه جایگزین خوبی در مقابل روش سنتی (استفاده از جریان متناوب) به شمار می‌رود. این سیستم اولین بار در دهه 1930 میلادی در سوئد در شرکت ASEA به وجود آمد و اولین نصب تجاری آن در اتحاد جماهیر شوروی بین دو شهر مسکو و کاشیرا و نیز یک سیستم 10 تا 20 مگاواتی در گاتلند سوئد در سال 1954 انجام شد. بزرگ‌ترین خط انتقال HVDC در حال حاضر خط انتقال اینگا-شابا با ظرفیت انتقال ۶۰۰ مگاوات و با طول حدود ۱۷۰۰ کیلومتر در کنگو واقع شده است.

در انتقال توان الکتریکی، انتقال به روش DC بیش از آنکه یک قاعده باشد یک استثناست. محیط هایی وجود دارد که سیستم انتقال جریان مستقیم در آنها راه حل متعارف است مانند کابل های زیر دریا و در اتصالات بین سیستم های غیر سنکرون (با فرکانس های مختلف). اما برای اغلب شرایط موجود انتقال توان به صورت جریان متناوب کماکان مناسب است.

در تلاش های اولیه انتقال توان الکتریکی، از جریان مستقیم استفاده می شد. اما به هر حال در این دوران سیستم جریان متناوب برای انتقال توان بین نیروگاه ها و ماشین آلات استفاده کننده از این انرژی بر سیستم انتقال توان جریان مستقیم فائق آمد. مزیت اصولی سیستم جریان متناوب قابلیت استفاده از ترانسفورماتور برای انتقال موثر سطح ولتاژ به کار رفته در توان انتقالی بود. با توسعه ماشین های جریان متناوب موثر، مانند موتور القایی، استفاده از جریان متناوب معمول شد.

توانایی انتقال سطح ولتاژ یک امر مهم اقتصادی و فنی است که بایستی مد نظر قرار گیرد، با وجود اینکه ولتاژهای بالا سخت تر مورد استفاده واقع می شوند و خطرناک تر هستند، اما سطح جریان پایین تری که برای یک سطح توان معین در ولتاژ های بالا مورد نیاز است، منجر به استفاده از کابل های کوچکتر و تلفات توان کمتری به صورت گرما می شود. انتقال توان همچنین می تواند توسط ولتاژ حداکثر محدود شود.

یک خط جریان مستقیم که در ولتاژ حداکثری برابر یک خط جریان متناوب کار می کند، می تواند توان بسیار بیشتری را به نسبت جریان متناوب تحت این محدودیت ولتاژ حمل کند. اما هیچ وسیله معادلی برای ترانسفورماتور در جریان مستقیم وجود ندارد و بنابراین به کارگیری ولتاژ مستقیم بسیار مشکل تر است. 

بنابراین با وجود مناسب بودن ولتاژ بالا برای انتقال توان زیاد در خط جریان مستقیم،  استفاده از سیستم جریان متناوب بدلیل مناسب بودن ولتاژ پایین تر برای بهره برداری های صنعتی و داخلی و قابلیت تبدیل سطح ولتاژ آن به سطوح مختلف، برای انتقال توان رواج یافته است.

مزایای سیستم HVDC

بزرگ‌ترین مزیت سیستم جریان مستقیم, امکان انتقال مقدار زیادی انرژی در مسافت‌های زیاد است و با تلفات کمتر (در مقیسه با روش انتقال DC) است. بدین ترتیب امکان استفاده از منابع و نیروگاه‌های دور افتاده مخصوصا در سرزمین‌های پهناور به وجود می‌آید.

برخی از شرایطی که استفاده از سیستم HVDC به‌صرفه‌تر از انتقال AC است عبارت‌اند از:

- کابل‌های زیرآبی, به ویژه زمانی که به علت بالا بودن میزان توان خازنی(capacitance), تلفات در سیستم AC بیش از حد زیاد می‌شود. (برای مثال شبکه کابلی دریای بالتیک به طول ۲۵۰ کیلومتر بین آلمان و سوئد) 
- انتقال در مسافت‌های طولانی و در مکان‌های بن‌بست به طوری که در یک مسیر طولانی شبکه فاقد هیچگونه اتصال به مصرف کننده‌ها یا دیگر تولید کننده‌ها باشد. 
- افزایش ظرفیت شبکه‌ای که به علت برخی ملاحظات امکان افزایش سیم در آن پر هزینه یا غیر ممکن است. 
- اتصال دو شبکه AC ناهماهنگ که در حالت AC امکان برقراری اتصال در آنها وجود ندارد. 
- کاهش دادن سطح مقطع سیم مصرفی و همچنین دیگر تجهیزات لازم برای برپاکردن یک شبکه انتقال در یک توان مشخص. 
- اتصال نیروگاه‌های دور افتاره مانند سدها به شبکه الکتریکی. 
- خطوط طولانی زیرآبی دارای ظزفیت خازنی زیادی هستند. در سیستم DC این ظرفیت خازنی تأثیر کمی بر روی عملکرد شبکه دارد اما از انجایی که در مدارهای AC, خازن در مدار تقریباً به صورت یک مقاومت عمل می‌کند ظرفیت خازنی در خطوط زیرآبی موجب ایجادشدن تلفات اضافی در مدار می‌شود و این استفاده از جریان DC را رد خطوط زیر آبی به صرفه می‌کند.

- در حالت کلی نیز جریان DC قادر به جابجایی توان بیشتری نسبت به جریان AC است چراکه ولتاژ ثابت در DC از ولتاژ پیک در AC کمتر است و بدین ترتیب نیاز به استفاده از عایق‌بندی کمتر و همچنین فاصله کمتر در بین هادی‌ها است که این عمر موجب سبک شدن هادی و کابل و همچنین امکان استفاده از هادی‌های بیشتر در یک محیط مشخص می‌شود و همچنین هزینه انتقال به صورت DC کاهش می‌یابد.

- خطوط HVDC به عایق‌بندی کمتری نسبت به HVAC نیاز دارند.

- تلفات کرونا و تداخل رادیویی در HVDC کمتر از HVAC است.

- افزایش پایداری شبکه؛ از آنجایی که سیستم HVDC به دو شبکه ناهماهنگ AC امکان می‌دهد تا بهم اتصال یابند, این سیستم می‌تواند موجب افزایش ثبات در شبکه شود و از ایجاد پدیده‌ای به نام «آبشار خطاها» (Cascading failure) جلوگیری کند. این پدیده زمانی به وجود می‌آید که به علت بروز خطا در قسمتی از شبکه کل یا قسمتی از بار این بخش به بخش دیگری انتقال داده می‌شود و این بار اضافه موجب ایجاد خطا در قسمت دیگر شده و یا این بخش را در خطر قرار می‌دهد که به این ترتیب بار این بخش هم به قسمت دیگری انتقال داده می‌شود و این حالت ادامه پیدا می‌کند. مزیت شبکه HVDC دراین است که تغییرات در بار که موجب ناهماهنگی در شبکه‌های AC می‌شود تأثیرات مشابهی را بروی شبکه HVDC نمی‌گذارد, چراکه توان و مسیر جاری شدن آن در سیستم HVDC قابل کنترل است و در صورت نیاز قابلیت کنترل اضافه بار در شبکه AC را دارد. این یکی از دلایل مهم تمایل برای ساخت این گونه شبکه‌هاست.

- کنترل‌پذیری جریان برق در HVDC نسبت به HVAC بیشتر است. در HVDC سطح مسیر نیروی برق را می‌توان بسیار دقیق و وسیع کنترل نمود.

معایب سیستم HVDC

مهم‌ترین عیب این سیستم گران بودن مبدل‌ها و همچنین محدودیت آنها در مقابل اضافه بارها است همچنین در خطوط کوتاه تلفات به وجود آمده در مبدل‌ها از یک شبکه AC با همان طول بیشتر است, بنابر این این سیستم در مسافت‌های کوتاه کاربردی ندارد و یا ممکن است صرفه جویی به وجود آمده در تلفات نتواند هزینه بالای نصب مبدل‌ها را جبران کند. در مقایسه با سیستم‌های AC, کنترل این سیستم در قسمت‌هایی که شبکه دارای اتصالات زیادی است خیلی پیچیده‌ است. کنترل توان جاری در یک شبکه پر اتصال DC نیازمند ارتباط قوی بین تمامی اتصال‌هاست چراکه همواره باید توان جاری در شبکه کنترل شود.

هم چنین عیب دیگر سیستم HVDC، ایجاد هارمونیک است. ایجاد هارمونیک توسط کانورترها در ولتاژها و جریان‌ها، ممکن است موجب اضاقه حرارت خازن‌ها و ژنراتورهای نزدیک شود. از این رو در هر دو طرف جریان متناوب و مستقیم از فیلتر استفاده می‌گردد. 

اتصالات AC

خطوط انتقال AC تنها می‌توانند به خطوط AC که دارای فرکانس برابر و تطابق زمانی یا فازی هستند متصل شوند. خیلی از شبکه‌هایی که به ایجاد اتصال تمایل دارند (مخصوصا شبکه‌های متعلق به دو کشور متفاوت) دارای شبکه‌های ناهماهنگ هستند. شبکه سراسری انگلستان و دیگر کشورهای اروپایی با فرکانس ۵۰ هرتز کار می‌کنند اما هماهنگ نیستند یا برای مثال در کشوری مثل ژاپن شبکه‌ها ۵۰ یا ۶۰ هرتز هستند. در سراسر جهان مثال‌های زیادی از این دست وجود دارد. در این حالت اتصال شبکه‌ها به صورت AC غیرممکن یا پرهزینه است, اما در سیستم HVDC امکان ایجاد اتصال بین شبکه‌های این چنینی وجود دارد.

این امکان وجود دارد که ژنراتورهای وصل شده به یک شبکه انتقال بلند AC دچار بی‌ثباتی شده و موجب اختلال در هماهنگی شبکه شوند. سیستم HVDC استفاده از ژنراتورهای نصب شده در مناطق دورافتاده را عملی می‌کند. ژنراتورهای بادی مستقر در مناطق دور افتاده با استفاده از این سیستم می‌توانند بدون اینکه خطر ایجاد ناهماهنگی در شبکه به وجود آورند به شبکه اتصال یابند.

به طورکلی گرچه HVDC امکان اتصال دو شبکه متفاوت AC را فراهم می‌کند اما هزینه ماشین‌آلات و تجهیزات مبدل از AC به DC و برعکس واقعاً قابل توجه است, بنابراین استفاده از این سیستم بیشتر در شبکه‌هایی که توجیه اقتصادی داشته باشد انجام می‌گیرد (مسافت دارای توجیه پذیری اقتصادی در سیستم HVDC برای خطوط زیر آبی در حدود ۵۰ کیلومتر و برای شبکه‌های هوایی بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر است).

جمع بندی

قابلیت کنترل پذیری عبور جریان از طریق یک سو سازها و اینورتورهای HVDC ، کاربرد آنها در اتصالات بین شبکه های غیر سنکرون و کاربرد آنها در کابل های کارای زیر دریا به این معنی است که کابل های HVDC اغلب در مرزهای ملی و برای مبادلات توان به کار می روند. 
نیرو گاه های بادی داخل آب نیز نیازمند کابل های زیر دریا هستند و توربین های آنها نیز غیر سنکرون اند. از خطوط انتقال HVDC می توان در برقراری اتصالات بسیار بلند بین تنها دو نقطه استفاده کرد، برای مثال اطراف اجتماعات دور افتاده سیبری، کانادا و شمال اسکاندیناوی که در این صورت کاربرد این سیستم که دارای هزینه های کمتر از خطوط معمولی است منطقی به نظر می رسد.