گاهی وقتها پیشرفتهای فنی نه در یک حوزه جدید بلکه برای بهبود تکنولوژی هایی است که در دسترس می باشند. اگرچه جریان های مستقیم و متناوب مانند دو تکنولوژی رقیب آغاز به کار کردند، اما آنها واقعا مکمل هم هستند و این متأسفانه واقعیتی است که از چشم بسیاری به دور مانده است.
به صورت عجیبی داستان این دو در هنگام شروع گسترش صنعت برق شبیه قسمتهایی از فیلم هری پاتر است. یک نبرد حماسی بین دو جادو برای افزایش حوزه نفوذشان وجود داشت؛ جادوی منلوپارک ( جریان مستقیم توماس ادیسون) و جادوی غرب (جریان متناوب نیکلا تسلا). تضادها به جایی رسید که حتی ادیسون یک فیل را به برق متصل کرد تا خطرناک بودن جریان متناوب را نسبت به جریان مستقیم ثابت کند. نتیجه، بکارگیری صندلی الکتریکی برای مجازات محکومین به اعدام بود.
زمان همه چیز است
اولین دیناموی تجاری ،ژنراتور مستقیم، تقریبا همان زمان با اختراع لامپ الکتریکی توسط ادیسون وارد بازار شد و ثابت شد که اختراع جدید به خوبی با آن همساز است. در نتیجه، ادیسون تعداد زیادی از وسایلی که با جریان مستقیم کار می کردند را اختراع کرد یا بهبود بخشید و در نتیجه حق انحصاری جریان مستقیم را به دست آورد. در زمانی کوتاه بیشتر از ۲۰۰ کارخانه برق در شمال آمریکا بکار افتادند که همگی از جریان مستقیم استفاده می کردند و ناچار بودند که به ادیسون حق امتیاز بپردازند.
ادیسون با گسترش امپراطوری برقی اش یک مهندس جوان از اروپا را استخدام کرد تا تجهیزات توزیع انرژی الکتریکی را بهبود بخشد. نام این جوان نیکلا تسلا بود. تسلا دینامو را بهبود داد و همچنین بعضی از افکار پیشروی خود درباره تکنولوژی جدید ،برق متناوب، را با ادیسون درمیان گذاشت. لازم به ذکر نیست که ادیسون کمتر هواخواه تسلا و جریان متناوبش بود و غرق در جریان مستقیم شده بود.
نیاز سیستم جریان مستقیم به سیم های جداگانه برای سطوح ولتاژ مختلف سبب شده بود تا شهرها به صورت شبکه ای از تارعنکبوتها به نظر برسند
جادوگرها راهشان را از یکدیگر جدا کردند و برای افزایش حوزه نفوذشان به رقابت با یکدیگر برخواستند. تسلا برای نشان داد تکنولوژی جدید یک سیستم کامل از جریان متناوب را ایجاد کرد. او ۷ حق امتیاز در آمریکا برای موتورهای جریان چند فاز متناوب و تجهیزات انتقال و توزیع برق متناوب به دست آورد. در همین زمان جرج وستنیگهاوس وارد معرکه شد. او به جریان متناوب ایمان داشت و قراردادی با تسلا منعقد کرد و حق امتیازهایش را از وی خرید. “جنگ جریان ها” ، آنگونه که تاریخ نگاران آن را نام نهاده اند، در حال آغاز بود.
اقتصادی
نهادن نام “جنگ” بر روی این رقابت شاید اندکی خیال پردازانه باشد اما وضعیت را به خوبی نمایش می دهد. زمانی که سیستم متناوب وستینگهاوس-تسلا برای برق رسانی نمایشگاه بین المللی ۱۸۹۳ شیکاگو انتخاب شد غوغایی برخواست. سیستم تولید و انتقال متناوب تسلا در حدود نصف قیمت سیستم جریان مستقیم هزینه در بر داشت و زیرساخت های کمتری را می طلبید.
رقابت بین جریان مستقیم و متناوب در سال ۱۸۹۳ برای روشن کردن نمایشگاه جهانی شیکاگو با پیروزی جریان متناوب وستینگهاوس-تسلا خاتمه یافت.
از این نقطه به بعد، بیش از ۸۰ درصد تجهیزات الکتریکی در آمریکا از جریان متناوب استفاده می کردند. درحالی که جریان متناوب به عنوان بهترین راه انتقال انرژی الکتریکی در جهان معرفی می شد، جریان مستقیم هیچ گاه عرصه رقابت را خالی نکرد. از همان ابتدای رقابت مهندسین فهمیده بودند که این دو جریان بیشتر از اینکه رقیب هم باشند می توانند مکمل همدیگر باشند اما یک توافق بزرگ بین آن لازم بود.
تحقیق و توسعه
قبل از اینکه جریان مستقیم بتواند جریان متناوب را تکمیل کند لازم است تا با جریان متناوب سازگار شود. طرفداران جریان مستقیم می دانستند که بهترین راه برای موفقیت جریان مستقیم این است که آن را با جریان متناوب به صورت یکپارچه درآوردند. تحقیقات آغازشد و احتمالا بزرگترین موفقیت زمانی حاصل شد که گروهی از مهندسی شرکت ABB توانستند زیر نظر دکتر انو لام یک یکسوساز قوسی-جیوه ای را تکمیل کنند.
یکسوساز قوسی-جیوه ای توانست جریان مستقیم فشار قوی (HVDC) را به ارمغان آورد. این یکسوسازها برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم و برعکس بکارگرفته شدند. از این پس انرژی به صورت جریان مستقیم با ولتاژ بالا انتقال می یافت و سپس دوباره به صورت متناوب تبدیل می شد و کاهش می یافت تا مصرف کنندگان بتوانند از آن استفاده کنند.
اولین یکسوساز قوسی-جیوه ای تجاری جهان در جزیره ژوتلند ۱۹۵۴
ABB یکسوسازهای قوسی-جیوه ای را با کابلهای زیرآبی ترکیب کرد تا جزیره ژوتلند را به خاک اصلی سوئد وصل نماید و اولین تجهیزات با تکنولوژی جدید را معرفی کند. فاصله ژوتلند تا سوئد ۹۷ کیلومتر و دورتر از آن بود که یک خط انتقال متناوب بتواند برای آن بکار برود اما برای خط انتقال HVDC متناسب بود. این خط ظرفیتی برابر با ۲۰ مگاوات داشت. از این نقطه (۱۹۵۰ تا اواخر دهه ۱۹۷۰) به بعد یکسوسازهای قوسی-جیوه ای به صورت اسب باری خطوط انتقال مستقیم درآمدند.
تولیدکنندگان دیگر مزایای این سیستم جدید انتقال را دریافتند اما نیاز به رقابت در حوزه صنعت داشتند. ABB این نیاز را دریافت و حق امتیاز خود را به دیگر تولیدکنندگان تجهیزات الکتریکی واگذار کرد. از این به بعد تکنولوژی جدید تبدیل به کسب و کار جدید شد.
وضعیت جامد
در میانه دهه ۱۹۵۰ دانشمندان آلمانی کارخانه زیمنس در حال کار بر روی نیمه هادی های سیلکونی بودند. اندکی بعد، این مواد راه خود را به آزمایشگاه های شرکت جنرال الکتریک در آن سوی اقیانوس بازکردند. در نتیجه این انتقال، تریستور ساخته شد: یک نیمه هادی دو قطبی یکسوساز که قابل کنترل بود. در حقیقت، تریستور یک کلید یکسوساز بود. تریستور امکان ساختن یکسوسازهای کنترل شونده سیلیکونی را فراهم کرد و الکترنیک قدرت بر پایه قطعات وضعیت جامد متولد شد.
زمانی که نیمه هادی ها وارد معرکه شدند تریستورها نیز در خطوط HVDC بکارگرفته شدند. یکسوسازهای قوسی-جیوه ای پردردسر و برای ساخت بسیار پیچیده بودند. در ضمن، آنها نیاز به نگهداری و مراقبت زیادی داشتند تا عملیاتی بمانند. با توسعه تریستورها همه چیز ساده شد و خطوط HVDC در جهان بیشتر گسترش یافت. اما یکبار دیگر تولید کنندگان نیاز به رقابت داشتند و این بار جنرال الکتریک بود که حق امتیاز خود را به دیگر شرکتها واگذار کرد.
کنورتر ساخت زیمنس با استفاده از تریستور
اولین تجهیزات HVDC با استفاده از تریستور توسط ABB در ژوتلند ساخته شد تا ۱۰ مگاوات توان را انتقال دهد. این تکنولوژی با ساخت اولین ایستگاه تبدیل ۳۲۰ مگاواتی تمام تریستوری توسط جنرال الکتریک در ال ریور دنبال شد.
پایه های HVDC
قبل از اینکه بخواهیم بحث را بیشتر ادامه بدهیم لازم است که مروری بر تکنولوژی HVDC داشته باشیم. به صورت ساده توان متناوب چیزی است که برای تغذیه کنورترها بکار می رود. یکسوسازها این جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کنند و به همین دلیل آنها را کنورتر می نامند.
توان متناوب از طریق یک رسانا ،کابل یا باس بار، به کنورتر دوم منتقل می شود. این کنورتر به عنوان اینورتر عمل می کند و دارای خروجی متناوب است. توان خروجی اینورتر با فرکانس و فاز مصرف کننده هماهنگ است.
بدون اینکه بخواهیم وارد جزئیات بحث بشویم باید بدانیم که ۳ پیکربندی اساسی برای کنورترهای HVDC وجود دارد:
· تک قطبی
· دو قطبی
· پشت به پشت
سیستم HVDC تک قطبی عموما شامل یک یا چند پل تمام موج ۳ فاز با نام “پل ۶ پالس” یا “پل گراتز” در مرحله انتهایی است. جریان توسط یک رسانا منتقل می شود و از طریق زمین مدار خود را می بندد.
پیکربندی دو قطبی ترکیب دو سیستم تک قطبی می باشد. قطبها از یک یا چند پل ۱۲ پالسی به صورت سری یا موازی ساخته شده اند. این پیکربندی را می توان به همراه بازگشت از طریق زمین ،یک مسیر بازگشت با هادی اختصاصی، یا بدون مسیر اختصاصی بازگشت استفاده شده برای عملیات تک قطبی طراحی کرد.
کنورتر پشت به پشت یک انطباق مخصوص اتصال تک قطبی است بدون خط انتقال مستقیم. یکسوساز و اینورتر هر دو در یکجا واقع شده اند و توسط باس بار به هم متصل می باشند. این پیکربندی عمدتا برای اتصال دو شبکه متناوب با فرکانسهای متفاوت بکار می رود.
مزایا و معایب
به دلیل اینکه ترانسفورماتورهای جریان متناوب به سادگی در دسترس می باشند جریان متناوب برای انتقال در خطوط قدرت بیشتر ترجیح داده می شود. ترانسفورماتور اجازه می دهد تا توان تولید شده در ولتاژهای پایین را برای انتقال دادن به ولتاژهای بالاتر تبدیل شود و دوباره این ولتاژ را برای استفاده مصرف کننده کاهش دهند. اما این روش انتقال هم هزینه هایی در بر دارد.
متأسفانه، جریان متناوب دارای بعضی مشکلات ذاتی است که آن را برای شبکه های انتقال نامناسب می سازد. عناصر رآکتیو (سلف و خازن) ظاهرشده در خطوط انتقال و کابلها ظرفیت خطوط انتقال را کاهش می دهند. همچنین این خطوط به وسایل جبران کننده ای ماننده خازنهای سری و رآکتورهای موازی نیز نیازمند هستند.
علاوه بر همه اینها، اتصال چند شبکه برق متناوب خود به خود مشکل زاست. همیشه بین این شبکه ها اختلاف فاز وجود دارد. حتی اگر شبکه ها دارای فرکانس مشابه باشند اتصال آنها به یکدیگر مسبب مشکلاتی چون ناپایداری، افزایش جریان اتصال کوتاه و پخش بار نامطلوب خواهدشد.
خطوط HVDC این مشکلات را برطرف می کنند و چند مزایای دیگر نیز در بردارند. توان منتقل شده از طریق این خطوط را می توان کنترل کرد و به صورت دقیق اندازه گرفت. قابل کنترل بودن پخش بار خود یک مزیت بسیار بزرگ است. تراکم بالای توان منتقل شده می تواند با توانایی تزریق توان به نقطه ای که مورد نیاز است نادیده گرفته شود.
مورد دیگری که باید مد نظر باشد تأثیر HVDC بر روی کیفیت توان است. از آنجاییکه HVDC قادر است تا ولتاژ و فرکانس خروجی متناوب را کنترل کند می تواند کیفیت توان شبکه متناوب را بهبود بخشد. این مسئله همچنین مسئله ای که به عنوان “چشمک زدن” شناخته می شود را کاهش می دهد. چشمک زدن می تواند بر روی سیستمهای روشنایی تأثیر منفی بگذارد و در تجهیزات الکترونیکی والکتریکی تلفات حرارتی ایجادکند.
مزیت دیگر بکارگیری شبکه های HVDC استفاده از سیستمهای چند ترمینالی است. این سیستمها بسیار پیچیده تر از سیستمهای نقطه به نقطه هستند اما در عوض مزایای بیشماری دارد. اولین سیستم چندترمینالی بین سالهای ۱۹۸۷ تا ۱۹۹۲ به همراه تکنولوژی مبدل کموتاتور خط (LCC) در آمریکا ساخته شد. این سیستم یک خط انتقال ۲۰۰۰ مگاوات است که در اصل دارای ۵ خروجی متصل به بار در کانادا و آمریکا می باشد.
مزایای زیست محیطی
از دید محیط زیست، شبکه های HVDC مزایایی چون نیاز به زمین کمتر، آلودگی کمتر و نگهداری کمتر دارد. البته ایستگاه های تبدیل نیاز به زمین دارند اما یک خط انتقال HVDC می تواند توان بیشتری را نسبت به خطوط متناوب انتقال دهد.
یک شبکه انتقال نوعی ۶۰۰۰ مگاوات ۵۰۰ کیلوولت به ۷ خط انتقال نیاز دارد. این مقدار توان را می توان با تنها دو خط ۶۰۰ کیلوولت یا یک خط ۸۰۰کیلوولت HVDC انتقال داد که مقدار زیادی صرفه جویی در پی دارد. به علاوه، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط خطوط HVDC نسبت به میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط خطوط انتقال متناوب قابل چشم پوشی هستند.
طراحی ایستگاه های HVDC
امروزه برای طراحی یک شبکه HVDC چند توپولوژی وجود دارد که دو تا از شایع ترین آنها مبدل کموتاتور خط (LCC) و مبدل منبع ولتاژ خودکموتاتور (VSC) می باشند. LCC به عنوان یک طراحی کلاسیک محسوب می شود که از تریستور در آن استفاده می شود.
در این روش از پل ۱۲ پالس به همراه ولتاژ کنترل شده و جریان یکسوشده (جریان بدون توجه به جهت پخش بار در یک جهت جاری می شود) استفاده می شود. متأسفانه، LCC توان رآکتیو مصرف می کند اما نمی تواند این توان را منتقل کند.
یک ایستگاه کنورتر HVDC نوعی به همراه اجزای آن
این طرح همچنین ایجاد هارمونیک در شکل موج خروجی می کند و نیاز به فیلترهایی به جهت از بین بردن
این هارمونیکها دارد. به علاوه، LCC به ترانسفورماتورهای مبدل مخصوصی نیاز دارد که عایق بندی قوی برای جریان ایجاد شده داشته باشند. بزرگترین مزیت LCC توانایی آن در انتقال توانهای خیلی زیاد در طول خطوط انتقال است.
از سوی دیگر، ایستگاه های VSC از تکنولوژی “ترانزیستورهای دو قطبی با گیت عایق شده” استفاده می کند. این دو تکنولوژی خیلی شبیه به یکدیگر هستند اما VSC انعطاف پذیری بیشتری نسبت به LCC دارد. یکی از مزایای بزرگ اصلی طرح VSC توانایی انتقال توان رآکتیو و ساده بودن تغییر جهت جریان در پخش بار است. از آنجایی که ایستگاه VSC به هیچ سیستم راه انداز ولتاژی نیاز ندارد توانایی خودراه اندازی دارد.
شرکت ABB تکنولوژی VSC را در دهه ۱۹۹۰ توسعه داد. اولین خط انتقال VSC در سال ۱۹۹۹ با اتصال یک نیروگاه بادی در جنوب جزیره ژوتلند به شهر ویسبی به شبکه پیوست. این طراحی با یک طرح پشت به پشت ۳۶ مگاوات که شبکه مکزیک را به آمریکا وصل می کرد دنبال شد.
توسعه فعلی HVDC
شبکه های HVDC از اولین روزها بحثهای زیادی را درباره نقش شان در شبکه های انتقال ایجادکرده اند. از دیدگاه تاریخی HVDC عملکردی جذاب داشته است. این تکنولوژی از توفق به رکود و از رکود به فراز رسیده است.
ممکن است که HVDC اولین نوع انتقال بوده باشد اما شبکه های متناوب جایگزین آن شدند و علاقه به آنها کاهش یافت. به هرحال، در سالهای اخیر مزایای این تکنولوژی جرقه هایی از علاقه را به وجود آورده است. این تکنولوژی اکنون به نقطه ای رسیده است که با افزایش دانش درباره توانایی های بالقوه آن می تواند سهم مهمی در انتقال انرژی بازی کند.
به علاوه، چند بازار رو به توسعه، مانند منابع تجدید پذیر یکپارچه، شبکه های انتقال طولانی و پیوند دهنده ها سبب شده اند تا توجه بیشتری به HVDC معطوف شود.
