Високовольтна лінія постійного струму (ВЛПС; ) — система передавання електричної енергії, що використовує постійний струм на відміну від поширеніших систем змінного струму. Для передавання на великі відстані ВЛПС є дешевшою та має менші електричні втрати. Для підводних силових кабелів ВЛПС дозволяє уникнути великих струмів зарядки та розрядки ємності кабелю під час кожного циклу. Для коротких дистанцій, вища ціна обладнання для перетворення в постійний струм, порівняно зі змінним струмом, є досі виправданою, якщо брати до уваги переваги постійного струму. ВЛПС працюють на напругах від 100 кВ до 1100 кВ.

ВЛПС дозволяє передавати електроенергію між несинхронізованими системами. Оскільки потужність через ВЛПС ланку може контролюватися незалежно від різниці фаз між джерелом та навантаженням, це дозволяє стабілізувати мережу під час раптових змін в енергосистемі. ВЛПС також дозволяє передавати електроенергію між мережами з різними частотами, наприклад 50 Гц та 60 Гц. Це підвищує стабільність та ощадливість кожної енергомережі, дозволяючи обмін електроенергією між двома несумісними мережами.

Сучасна форма ВЛПС використовує технології розроблені в 1930 роки в Швеції (ASEA) та в Німеччині. Перші комерційні мережі включали в себе першу в Радянському Союзі систему, створену у 1951 між Москвою та Каширою, та систему (100 кВ, 20 МВт) між островом Готланд та континентальною Швецією (1954).Narain G. Hingorani in IEEE Spectrum magazine, 1996.

Системою з найвищою наприугою, навищою потужністю передачі та найбільшою довжиною є введена в роботу в 2019 році китайська лінія постійного струму надвисокої напруги 1100 кВ, довжиною 3324 км та потужністю 12 ГВт, встановивши рекорди у найбільшій напрузі, найбільшій дистанції та найбільшій потужності.Changji-Guquan UHVDC link.

Високовольтна передача Висока напруга використовується для передачі електричної енергії для зменшення енергетичних втрат через опір в дротах. Для певної потужності збільшення напруги вдвічі передає таку саму потужність при вдвічі меншому струмі. Трансформатори роблять напругу зручною для використання, а генератори змінного струму більш ефективні ніж генератори постійного струму. Ці переваги призвели до повного витіснення постійного струму в 20му столітті.

Зручне перетворення між постійним і змінним струмом стало можливим з розробкою таких пристроїв як ртутні випрямлячі і, починаючи з 1970рр, напівпровідникових пристроїв як тиристори, IGCT-тиристори, IGBT-транзистори.

Оскільки потужність, втрачена внаслідок нагрівання проводів, прямо пропорційна квадрату струму, подвоєння напруги зменшує втрати в лінії в 4 рази. Хоча втрати можуть бути зменшені за допомогою збільшення діаметру провідника, але це збільшить вагу провідника та ціну.

Висока напруга не може бути використана для освітлення та моторів, тому напруга повинна бути зменшена для кінцевого споживача.

Перетворення

Електромеханічні системи Першу передачу електроенергії на довгу дистанцію постійним струмом було продемонстровано у 1882 році на , але передано було тільки 1.5 кВт. Ранній метод передачі через ВЛПС було розроблено швейцарським інженером і його метод було реалізовано у 1889 році в Італії компанією Acquedotto De Ferrari-Galliera. Ця система використовувала послідовно з'єднані комплекти мотор-генераторів для збільшення напруги. Кожен комплект був ізольований від землі та приводився в дію ізольованим валом головного двигуна. Лінія передачі працювала з напругою до 5000 вольт на кожну машину, деякі машини мали по два комутатори для зменшення напруги на кожному. Ця система передавала 630 кВт при напрузі 14 кВ постійного струму на відстань 120 км. передавала 8600 кВт електроенергії з гідроелектростанції на дистанцію 200 км, включаючи 10 км підземного кабелю. Ця система використовувала 8 послідновно з'єднаних генераторів з подвійними комутаторами з загальною напругою в 150 кВ між мінусом і плюсом та працювала з 1906 до 1936 рік. До 1913 в роботі знаходилося вже 15 систем Турі. Інші системи Турі, що працювали з постійною напругою до 100 кВ, працювали до 1930рр, але механізми вимагали частого обслуговування і мали високі втрати. Різні інші тестувалися впродовж першої половини 20 століття з невеликим комерційним успіхом.

Однією з технік, яку спробували для перетворення постійного струму високої напруги у низьку напругу було заряджання послідовно з'єднаних батарей. Потім перемикання батарей в паралель для роботи. Хоча принаймні дві комерційні установки були випробувані приблизно на рубежі 20-го століття, ця технологія, як правило, не була корисною через обмежену ємність батарей, труднощі з перемиканням між послідовним і паралельним з'єднанням, а також притаманну енергетичну неефективність циклу розряду/заряду акумуляторів. (Сучасні акумуляторні електростанції включають трансформери та інвертори для зміни струму зі змінного на постійний з потрібною напругою.)

Ртутні випрямлячі Вперше запропонований у 1914 роціRissik, H., Mercury-Arc Current Converters, Pitman. 1941, chapter IX., керований мережевий ртутно-дуговий вентиль став доступним у період з 1920 по 1940 рік для виконання функцій випрямляча та інвертора, пов'язаних із передачею постійного струму. Починаючи з 1932 року General Electric випробовувала ртутні випрямлячі та ЛЕП постійного струму 12 кВ, які також служили для перетворення струму 40 Гц від генераторів для живлення навантаження на частоті 60 Гц в Механіквіллі, Нью-Йорк. У 1941 році було розроблене підземне кабельне з'єднання 60 МВт, ±200 кВ, 115 км для міста Берлін з використанням ртутно-дугових вентилів, відоме як , але через крах німецького уряду в 1945 році проект так і не був завершений. Номінальним обґрунтуванням проекту було те, що під час війни заглиблений кабель буде менш помітним як мета бомбардування. Обладнання було перевезено до Радянського Союзу та введено в експлуатацію як система .IEEE — IEEE History Center Система Москва–Кашира та з'єднання 1954 року групою в АСЕА між материковою частиною Швеції та островом Готланд ознаменували початок сучасної ери високовольтних ліній постійного струму.

Ртутно-дугові випрямлячі були звичайними в системах, розроблених до 1972 року, остання ртутно-дугова система високовольтна лінія постійного струму (система у Манітобі, Канада) була введена в експлуатацію поетапно між 1972 і 1977 роками.Cogle, T.C.J, The Nelson River Project — Manitoba Hydro exploits sub-arctic hydro power resources, Electrical Review, 23 November 1973. Відтоді всі системи з ртутно-дуговими вентилями були або закриті, або переведені на використання твердотільних пристроїв. Останньою системою високовольтних ліній постійного струму, яка використовує ртутно-дугові вентилі, була між Північним і Південним островами Нової Зеландії, яка використовувала їх на одному з двох полюсів. Дугові ртутні вентилі були виведені з експлуатації 1 серпня 2012 року перед введенням в експлуатацію тиристорних перетворювачів.

Тиристорні випрямлячі Розробка тиристорних вентилів для ВЛПС почалася наприкінці 1960-х років. Першою повною тиристорною схемою перетворювальною підстанцією була схема у Канаді, яка була побудована компанією General Electric і була введена в експлуатацію в 1972 році.

З 1977 року в нових системах ВЛПС використовуються твердотільні пристрої, в більшості випадків тиристори. Як і ртутно-дугові вентилі, тиристори потребують підключення до зовнішнього кола змінного струму в системах ВЛПС для їх увімкнення та вимкнення. ВЛПС з використанням тиристорів також відомі як лінійно-комутований перетворювач (LCC) HVDC.

15 березня 1979 р. був заживлений перетворювач постійного струму на базі тиристорів потужністю 1920  МВт між та Йоганнесбургом (1410 км). Обладнання для перетворення було виготовлено в 1974 році компанією Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft AG (AEG), а Brown, Boveri & Cie (BBC) і Siemens були партнерами в проекті. Кілька років перерви в роботі були наслідком громадянської війни в Мозамбіку. Напруга передачі ±533 кВ була найвищою на той час у світі.

Конденсаторно-комутовані перетворювачі Лінійно-комутовані перетворювачі мають деякі обмеження щодо використання в системах ВЛПС. Це є результатом необхідності періоду зворотної напруги, щоб вплинути на вимкнення. Спробою усунути ці обмеження є конденсаторно-комутований перетворювач (CCC). CCC має послідовні конденсатори, вставлені в з'єднання лінії змінного струму. CCC залишився лише нішевим застосуванням через появу перетворювачів джерела напруги (VSC), які більш безпосередньо вирішують проблеми вимикання.

Перетворювачі-джерела напруги

Широко використовувані в з 1980-х років перетворювачі-джерела напруги (VSC) почали з'являтися в ВЛПС у 1997 році під час експериментального проекту у Швеції. До кінця 2011 року ця технологія захопила значну частку ринку ВЛПС.

Розробка біполярних транзисторів з ізольованим затвором (IGBT), запірних тиристорів (GTO) та (IGCT) з більшою потужністю зробила системи ВЛПС більш економічними та надійними. Це пов'язано з тим, що сучасні IGBT включають режим короткого замикання при відмові, при якому, якщо IGBT виходить з ладу, він механічно замикається. Тому сучасні розроблені з достатнім резервуванням, щоб гарантувати роботу протягом усього терміну служби. Виробник ABB Group називає цю концепцію HVDC Light, тоді як Siemens називає подібну концепцію HVDC PLUS (Power Link Universal System), а Alstom називає свій продукт на основі цієї технології HVDC MaxSine. Вони розширили використання ВЛПС до блоків потужністю кілька десятків мегават і повітряних ліній довжиною всього кілька десятків кілометрів. Існує кілька різних варіантів технології VSC: більшість установок, побудованих до 2012 року, використовують широтно-імпульсну модуляцію в схемі, яка фактично є драйвером надвисокої напруги. Більш пізні інсталяції, включаючи HVDC PLUS і HVDC MaxSine, базуються на варіантах перетворювача під назвою Модульний багаторівневий перетворювач (MMC).

Багаторівневі перетворювачі мають ту перевагу, що вони дозволяють зменшити або повністю виключити обладнання для фільтрації гармонік. Для порівняння, фільтри гармонік змінного струму типових мережно-комутованих перетворювальних станцій покривають майже половину площі перетворювальної станції.

З часом системи перетворювача напруги, ймовірно, замінять усі встановлені прості системи на основі тиристорів, включаючи найвищі програми для передачі електроенергії постійного струму.

Порівняння з змінним струмом

Переваги

Кабелі Довгі підводні або підземні мають високу електричну ємність порівняно з повітряними лініями електропередачі, оскільки провідники під напругою всередині кабелю оточені відносно тонким шаром ізоляції (діелектрика) і металевою оболонкою. Геометрія схожа на довгий коаксіальний конденсатор. Загальна ємність збільшується разом із довжиною кабелю. Ця ємність знаходиться в паралельному ланцюзі з навантаженням. Якщо для передачі по кабелю використовується змінний струм, в кабелі повинен протікати додатковий струм, щоб зарядити цю ємність. Цей додатковий потік струму спричиняє додаткові втрати енергії через розсіювання тепла в провідниках кабелю, підвищуючи його температуру. Додаткові втрати енергії також виникають внаслідок діелектричних втрат в ізоляції кабелю. Для достатньо довгого кабелю змінного струму буде потрібна вся пропускна здатність провідника для забезпечення зарядного струму. Ця проблема з ємністю кабелю обмежує довжину та потужність кабелів живлення змінного струму.Donald G. Fink, H. Wayne Beatty, Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Edition, McGraw Hill, 1978, , pages 15-57 and 15-58

Однак, якщо використовується постійний струм, ємність кабелю заряджається лише при першому включенні кабелю або при зміні рівня напруги; додатковий струм не потрібен. Кабелі живлення постійного струму обмежені лише підвищенням температури та законом Ома. Хоча деякий струм витоку протікає через діелектричний ізолятор, цей ефект також присутній у системах змінного струму та є невеликим порівняно з номінальним струмом кабелю.