Глобальная суперсеть

Война и казни

В конце XIX века, когда в мире шло бурное развитие электротехники, в США началась так называемая «война токов» – противостояние двух грандиозных умов того времени: великого инженера-изобретателя, основателя General Electric Томаса Эдисона, отстаивавшего применение постоянного тока, и мистического гения Николы Теслы, который в связке с промышленником Джорджем Вестингаузом пропагандировал технологии тока переменного.

Эффективных способов изменять напряжение постоянного тока в то время не существовало, поэтому в электростанциях Эдисона использовалось напряжение, близкое к потребительскому — от 100 В до 200 В. Такие сети не позволяли передавать потребителю большие объёмы электроэнергии на дальние расстояния – максимум до 1,5 км от электростанции.

Между тем, в 1881 году француз Люсьен Голар и англичанин Джон Гиббс изобретают первый трансформатор, пригодный для работы на высоких напряжениях, и 1885 году Вестингауз приобретает несколько таких установок. В том же году Эдисон отказывает в повышении зарплаты сербскому эмигранту Николе Тесле, которого с удовольствием берёт на работу Вестингауз. Он блестяще коммерциализирует созданную Теслой систему передачи электроэнергии многофазным переменным током, и постепенно эта технология получает всё большее распространение.

В ответ Эдисон развернул кампанию чёрного пиара. Сам он публично демонстрировал убийства животных переменным током, его соратник выдвинул идею аналогичной казни людей на электрическом стуле, и первую такую жуткую экзекуцию в подробностях описывали подкупленные газетчики, не стеснявшиеся заголовков вроде «Вестингауз казнил Кеммлера» (хотя сам Вестингауз нанял осуждённому Кеммлеру адвокатов, пытавшихся отменить приговор).

Конечно, остановить распространение технологий Теслы-Вестингауза это не могло, и в двадцатых годах прошлого века электростанции постоянного тока практически прекращают строиться. С исчезновением в Нью-Йорке последнего потребителя постоянного тока в ноябре 2007 года главный инженер компании Consolidated Edison перерезал символический кабель. Это положило конец «войне токов», но не конец использованию сетей постоянного тока.

Ренессанс

Применение технологий постоянного тока получило новый импульс относительно недавно по мере развития глобальной энергетики и необходимости усиления межсистемных связей. Чтобы соединить две асинхронные (то есть, работающие с разной частотой) энергосистемы, используются вставки постоянного тока – преобразовательные подстанции, в которых инверторы и выпрямители находятся в одном месте. Переменный ток преобразуется в постоянный и затем – снова в переменный, но уже с другой частотой.

Однако ещё более актуальным трендом становится соединение энергосистем благодаря линиям электропередачи постоянного тока, которые могут быть эффективнее традиционных электросетей. Различные решения в рамках технологии HVDC позволяют не только соединять асинхронные системы, но и передавать электроэнергию на дальние расстояния (благодаря высоким напряжениям, меньшим реостатным потерям и большей ёмкости ЛЭП), эффективно интегрировать в сеть возобновляемые источники энергии, а также увеличить устойчивость системы, препятствуя каскадному распространению аварии с одного участка на другой.

рис. 1. Тиристоры на подстанции (LCC)

Наиболее яркий пример – регулярно появляющиеся новости о новых проектах подводных кабелей, которые соединят острова, полуострова и даже континенты. Потенциальный объём рынка HVDC эксперты Alstom Grid оценивают в 50 млрд долларов до 2020 года.

Чудеса под напряжением

В рамках HVDC существует два основных технических решения. Первое – это системы на основе преобразователей с линейной коммутацией (LCC) – магистрали высокого и сверхвысокого напряжения (до 800 кВ). Строительство таких сетей оптимально для передачи электроэнергии на дальние расстояния (более 700 км). Например, когда крупный генерирующий объект (скажем, ГЭС, построенная в подходящей для этого географической точке) расположен вдалеке от конечных потребителей. Такие системы носят название «двухточечных» HVDC (point-to-point).

Ещё более современное решение – системы на преобразователях напряжения (VSC). Такие сетевые объекты имеют гораздо меньшие габариты по сравнению с LCC, что делает их оптимальным решением для подключения к магистральным сетям ветропарков на морских платформах. Это особенно актуально в случае, когда расстояние до берега превышает 50 км. Дело в том, что в любом силовом кабеле, предназначенном для передачи переменного тока на большое расстояние, рассеивается реактивная мощность, которая ограничивает дальность передачи. При длине глубоководного кабеля примерно 50 км или более его зарядный ток создает полную нагрузку и не оставляет возможности для передачи полезной мощности. Постоянный ток, напротив, таких ограничений не накладывает, поэтому HVDC остается безальтернативной технологией для подводных кабелей.

«При добавлении линий постоянного тока к существующей сети переменного тока, благодаря возможности передачи энергии на сверхдальние расстояния и соединения асинхронных систем, мы можем получить глобальные «суперсети», одна из которых, европейская, может объединять и офшорные ветропарки в Северном море, и ГЭС в Скандинавии, и гигантские солнечные электростании в Сахаре, – отмечает в разговоре с «Перетоком» старший вице-президент Alstom Grid по силовой электронике и автоматизации Патрик Плас. – В этой ситуации ВИЭ будут сбалансированы. Когда солнце светит и ветер дует, эту энергию можно использовать по максимуму, накапливая воду в хранилищах ГЭС, как зарядку аккумулятора. А если погода изменится – нагрузить уже ГЭС».

Больше проводов

Сегодня в мире реализуется множество проектов HVDC, крупнейшим из которых выглядит, пожалуй, строительство в Бразилии самой длинной в мире ЛЭП постоянного тока Rio Madeira протяжённостью 2375 км. Линия напряжением 600 кВ и мощностью 3150 МВт позволит передавать электроэнергию с двух ГЭС в Амазонии на побережье в Сан-Пауло.

В Индии для поставок электроэнергии от ГЭС в районы интенсивного потребления проектируются магистраль ±800 кВ Чампа-Курукшетра. А в Китае в ближайшие пять лет может быть введено порядка десяти линий постоянного тока 500-800 кВ.

Самый грандиозный проект по интеграции в сеть офшорных ветропарков – платформа DolWin в Северном море более чем в 100 км от побережья Германии, выдача мощности с которой должна осуществляться по трём кабелям DolWin 1,2,3 по 800-900 МВт каждый (последний должен быть введён в 2017 году).

Уже в следующем году ожидается открытие второго подводного кабеля между Эстонией и Финляндией EstLink2 мощностью 650 МВт (кабель EstLink1 мощностью 300 МВт уже в работе).

Проекты HVDC – недешёвое удовольствие. Так, в рамках индийского проекта только строительство двух преобразовательных подстанций обойдётся в 400 млн долл., а кабель Dolwin3 – около 1 млрд долл. Впрочем, по словам Патрика Пласа, при длине воздушных ЛЭП свыше 700 км, а подводных кабелей – более 50 км, линии постоянного тока являются более экономически эффективными, чем традиционные сети.