YÜKSEK GERİLİM DC GÜÇ İLETİMİ (HVDC), GÜÇ SİSTEMLERİNDE AC'NİN YERİNİ ALMALI MI ?

 

YÜKSEK GERİLİM DC GÜÇ İLETİMİ  (HVDC), GÜÇ SİSTEMLERİNDE AC'NİN YERİNİ ALMALI MI ?

 

AC Enerji İletimi 21. Yüzyılın En Verimli Seçeneği Midir?

AC enerji iletimi, dünyadaki en yaygın enerji iletim şeklidir. DC iletimi yalnızca bazı özel uygulamalarda bulunabilir. HVDC enerji iletiminin avantaj ve dezavantajları detaylı olarak analiz edilmelidir. Ancak o zaman şu soruyu gündeme getirebiliriz: AC enerji iletimi 21. yüzyılın en verimli yolu mu?

Günümüzde iletim verimliliğinin ve güvenilirliğinin arttırılmasına yönelik çeşitli gereksinimler, alternatif akım (AC) iletim sistemlerinin kullanımını sorgulamamıza neden olabilir. AC gerilim sistemlerinin dezavantajlarının görünür hale gelmesi nedeniyle doğru akım (DC) sistemleri üzerine yoğun araştırmalar yapılmaktadır.

 

AC ve DC Sistemlerinin Tarihsel Arka Planı

İlk elektrik güç sistemi 19. yüzyılın sonlarında inşa edilmiş ve test edilmiştir. Başlangıçta öncelikle DC güç sistemleri kullanıldı. DC güç iletim sisteminin çeşitli sınırlamaları vardı. DC voltajın dönüştürülememesi, yüksek voltaj düşümü değerleri ve güç kayıpları olmadan enerjinin uzun mesafelere iletilemeyeceği anlamına gelir.

Thomas Alva Edison ve ekibi 1881 yılında DC jeneratörü, devre kesici ekipmanı, sigortaları, ampulleri ve ilk DC sistemlerini geliştirdi. DC sistemler, güç kayıplarını azaltmak için küçük izole sistemler olarak 110 volt ile çalışıyordu. Birkaç yıl sonra (1887'de) George Westinghouse, Tesla'nın AC sistemleriyle ilgili patentlerini satın aldı ve onu geliştirmeye devam etmesi için işe aldı.

Gerilimin bir seviyeden diğerine dönüşümü olasılığı, AC sistemlerini uzun mesafeli enerji iletimi için uygun hale getirdi. DC enerji sistemlerini geçmelerinin temel nedeni de buydu.

Günümüzde DC sistemleri telekomünikasyon sistemleri, araçlar, gemiler ve yüksek gerilim iletimi gibi bazı özel uygulamalarda kullanılmaktadır.

 

Üç Fazlı AC İletim Sistemlerinin Sınırlamaları

 

Üç fazlı AC iletim sistemlerinin geliştirilmesi, olanaklarının sınırlarına yaklaşıyor. Bu sınırlar şunları içerebilir:

• Kaçınılmaz reaktif güç aktarımından kaynaklanan iletim güç kayıpları
• Cilt etkisi nedeniyle artan güç kayıpları
• Ara bağlantının imkansızlığı, farklı bir nominal frekansa (50-60 Hz) veya farklı bir frekans düzenleme yöntemine sahip üç fazlı iletim sistemlerini ortaya çıkarmıştır.
• Kısa devre akım değerinin arttırılması (devre kesiciler hatalı akımları zorlukla keser; elektrikli ekipmanlarda önemli mekanik stres)
• Enine kapasite değerlerinin yüksek olması nedeniyle daha uzun kablo hatlarının (örn. denizaltı kabloları) kullanılmasının imkansızlığı

Bu AC iletim sistemi sınırlamaları nedeniyle, enerji iletim sistemlerinin geleceği, HVDC iletim sistemleri olarak bilinen güç elektroniği cihazlarının kullanımına dayalı teknolojilerde bulunabilir. Bu sistemin çalışma prensibi, AC gücün DC'ye dönüştürülmesi (doğrultucular kullanılarak), uzun mesafeli DC enerji nakil hatlarının ve DC gücün AC'ye dönüştürülmesi (invertörler kullanılarak) şeklindedir. Güç dönüşümü dönüştürücü istasyonlarında gerçekleştirilir.

 

HVDC Sistem Yapılandırması

Temel olarak yüksek gerilim doğru akım (HVDC) sisteminin iki ana unsuru vardır:

• İletim sisteminin uç noktalarındaki dönüştürücü istasyonlar
• İletim hatları (havai hatlar, kablolar)

Konverter istasyonları hem invertör hem de redresör olarak her iki rejimde de çalışabilmektedir. Bu özellik her iki yönde de enerji iletimini sağlar.

Dönüştürücü istasyonu, temel olarak HVDC sistem uygulamasını mümkün kılan yenilikçi bir çözümdür. Dönüştürücü istasyonunun en önemli parçaları köprü dönüştürücü ünitesi ve dönüştürücü transformatördür. Yarı iletken valf, köprü dönüştürücü ünitesinin ana bileşenidir. Kontrol edilemeyen bir yarı iletken valf diyotlardan yapılırken, kontrol edilebilir versiyon seri konfigürasyonda bağlanan tristörlerden yapılır.

Modern bir HVDC sistemine yerleştirilmiş yüksek performanslı tristörler, maksimum 4 kA akımla 5 inç'e (125 mm) kadar değişen bir disk çapına ve 8 kV'un üzerinde engelleme gerilimi kapasitesine sahiptir. Tristörler, 100 kV'un üzerindeki gerilimlerde daha yüksek engelleme kapasitesi elde etmek için seri konfigürasyonlarda bağlanabilir.

 

Modern HVDC sistemleri çoğunlukla on iki darbeli köprü dönüştürücüler kullanır. Aşağıda Şekil 1(a)'da görüldüğü gibi seri konfigürasyonda bağlanan iki adet tam kontrol edilebilir altı darbeli köprü dönüştürücü olarak tasarlanmıştır.  

Şekil 1. (a) İki transformatörlü ikincil tarafı (YY ve Y-Δ) ve  (b) PWM HV dönüştürücüsü olan on iki darbeli köprü dönüştürücü.

Darbe Genişliği Modülasyonu

IGBT gibi yüksek frekanslı bileşenlerin geliştirilmesi, PWM (darbe genişlik modülasyonu) teknolojisini kullanan HV dönüştürücü tasarımıyla sonuçlandı. PWM HV dönüştürücüler kullanılarak, PWM sinyallerini değiştirerek herhangi bir frekans ve genliği düzenlemek mümkündür.

PWM HV dönüştürücünün ana kısmı IGBT köprü dönüştürücüsüdür. Modern IGBT, maksimum 3,6 kA akım değeri ve onlarca kHz aralığında değişebilen bir anahtarlama frekansı ile 6,5 kV'luk bir engelleme voltajı kapasitesine sahiptir (ancak en son araştırmalar 8 kV'nin üzerine çıkmıştır). Bu IGBT dönüştürücüler Şekil 1(b)'de görüldüğü gibi 100 kV/μs'nin üzerindeki kritik dv/dt değerinde dayanıklıdır.

HVDC Transformatörleri

HVDC transformatörleri bir HVDC sisteminin önemli bir parçasıdır. Gerilimi bir AC sisteminden köprü dönüştürücü girişi için karşılık gelen bir AC voltaj değerine dönüştürmek için kullanılırlar. On iki darbeli köprü dönüştürücü, 30° kaydırılmış iki üç fazlı gerilim sistemi tarafından tasarlanan beslemeyi gerektirir. Bu, farklı sargı konfigürasyonlarına sahip iki üç fazlı transformatör (veya Şekil 1'de görüldüğü gibi iki ikincil tarafa sahip bir transformatör) kullanılarak gerçekleştirilir: biri YY'ye ve diğeri Y-Δ transformatör vektör grubuna bağlanır.

Bu çözüm, AC tarafındaki beşinci ve yedinci harmoniklerin, DC tarafındaki altıncı harmoniklerin iptal edilmesine yardımcı olur ve bu da harmonik filtrelerinde önemli bir tasarruf sağlar.

Dönüştürücü istasyonlarında AC filtreler, DC filtreler, parafudrlar, ayırıcılar vb. gibi diğer önemli ekipmanlar bulunur.

 

HVDC İletim Sistemleri

HVDC iletim sisteminin avantajları şunları içerir:

• Azalan güç kayıpları (hatların parazitik endüktansının etkisi önemsizdir)
• Aktif güç iletimi için neredeyse tam iletim kapasitesi kullanıldı
• Aynı miktarda enerjinin iletilmesi için daha az sayıda hat
• Daha düşük bir çizgi kesit değeri (önemsiz dış görünüm etkisi)
• Daha az sayıda hat nedeniyle daha ucuz bir kule ve iletim yolu (aşağıdaki Şekil 2'de gösterildiği gibi)
• Düşük çapraz kapasite değerlerinden dolayı denizaltı uzun mesafe enerji iletimi

 

Şekil 2. HVDC iletim kuleleri daha az yer kaplıyor.

Öte yandan HVDC iletim sistemleri aşağıdaki gibi bazı dezavantajlarla karşı karşıyadır:

• İnvertör işlemleri ağda önemli düzeyde yüksek harmonikler üretir ve güç kalitesiyle ilgili sorunlara neden olur
• Ayrıca güç elektroniği telekomünikasyon sinyallerinde gürültü üretir. Bu, bu tür dezavantajların etkisinin azaltılmasına yardımcı olan filtrelerin geliştirilmesiyle hafifletilebilir.
• Dönüştürücü istasyonları pahalı bir güç elektroniği bileşeni olan çok sayıda tristörden oluşur.
• Tristörün çalışması sırasında da önemli güç kayıpları vardır.

Ayrıca elektrik altyapısının ve enerji tüketicilerinin neredeyse tamamının AC güce adapte olduğu ve geçiş gerektirdiğini de unutmamak gerekiyor.

 

HVDC İletim Sistemlerinin Ekonomik Boyutu

HVDC iletim sistemlerinin maliyet etkinliği çeşitli faktörlere bağlıdır.

Ana faktör iletim mesafesidir. İletim mesafesinin daha kısa olması durumunda HVAC iletim sistemlerinin kurulması verimli olur. Ancak uzun mesafeli hatlar için HVDC sistemleri uygun maliyetlidir. HVDC sistem kurulumunun haklı olacağı kritik mesafeyi bulmak zordur. Sadece yönlendirme amacıyla, havai enerji iletim sistemi için kritik mesafe, 2000 MW iletim gücüyle 300 ila 500 mil arasındadır.

İletim sistemi uç noktalarına dönüştürücü istasyon kurulumu nedeniyle HVDC sisteminin maliyeti yüksektir. HVAC sisteminin maliyeti bu sistem parçalarında önemli ölçüde daha düşüktür.

HVDC iletim sistemi lehine bir kararın verilebileceği bazı varsayımsal durumlar şunlardır:

• HVDC iletim sistemi, üç fazlı HVAC sistemine kıyasla uygun maliyetli olduğunda (örneğin, yüksek iletim gücü, uzun güç iletim mesafesi)
• HVAC sistemi mümkün olmadığında (örneğin, asenkron üç fazlı AC güç ağının ara bağlantıları, denizaltı güç iletimi olarak uzun kablo hatları)
• HVAC iletimi uygun maliyetli olsa bile güç regülasyonu ve güç akışı kontrolü gerektiğinde

Güç sistemleriyle ilgili deneyiminiz nedir? AC ve DC sistemlerine ilişkin bu değerlendirmeye katılıyor musunuz? Uzmanlığınızı aşağıdaki yorumlarda paylaşın.

 

KAYNAK: ALL ABOUT CIRCUITS