העברת אנרגיה נקייה בקנה מידה גדול היא הבעיה העיקרית שיש לפתור במערכת החשמל החדשה
יש "קו Hu Huanyong" בחלוקת האנרגיה הנקייה ובביקוש לחשמל של ארצי. בשל גורמים כמו אקלים, פיתוח פריון, כלכלה פוליטית היסטורית וגורמים נוספים, ההתפתחות הכלכלית בין אזורים בארצנו אינה מאוזנת. "קו Hu Huanyong" (המכונה גם קו Heihe-Tengchong) שהוצע ב-1935 הוא תיאור אופייני לתופעה זו: השטח שממזרח לקו Hu Huanyong תופס כ-36% משטחה של המדינה ותופס יותר מ-95%. מאוכלוסיית המדינה (בנתונים של שנות ה-30 באותה תקופה). יש גם "קו Hu Huanyong" בחלוקת האנרגיה הנקייה של סין ובביקוש לחשמל. המזרחי של קו Hu Huanyong צורך 86.5 אחוז מהחשמל, בעוד שהמערב צורך רק 13.5 אחוז . עם זאת, במונחים של חלוקת אנרגיה נקייה, ניתן לראות מהתפלגות משאבי הרוח ומשאבי האור בסין שמערב קו Hu Huanyong גבוה בהרבה ממזרח קו Hu Huanyong. מלבד משאבי כוח רוח ימיים, משאבי רוח איכותיים אחרים נמצאים רחוק מאזורים עתירי עומס ויש להם צרכי פריסת חשמל עצומים.
אנרגיית רוח ימית היא מקור אנרגיה נקייה חשוב לאורך החוף, וזו המגמה של הזמן לצאת מהחוף ולהגדיל את ההיקף. כוח הרוח הימי של סין מתפתח במהירות. בשנת 2020, ההספק המותקן של אנרגיית הרוח הימית של סין תגיע ל-3.1GW, ותעלה על אירופה לראשונה והפכה לשוק כוח הרוח הימי הגדול בעולם, עם קיבולת חדשה שהותקנה עולה על מחצית מהכלל בעולם. בשנת 2021, קיבולת כוח הרוח הימית המותקנת בסין תהיה 16.9GW, שיא שיא. עם זאת, עם ביטול הסובסידיות של המדינה לאנרגיה ימית ב-2022, כוח הרוח הימי תיכנס לעידן השוויון, והיכולת המותקנת תחזור לרמות הרגילות. אנרגיית הרוח הימית קרובה למרכז העומס, דבר המתאים לצריכה, ותפוקת כוח הרוח הימית יציבה יחסית, ושעות הניצול גבוהות. זוהי האנרגיה הנקייה הטובה ביותר באזורי החוף. על פי תכנון כוח הרוח הימי של גואנגדונג, ג'יאנגסו ומקומות אחרים, בשילוב עם מגמת הפיתוח של אנרגיית רוח ימית זרה, ים עמוק וקנה מידה גדול הם המגמה הכללית.
UHV DC הוא הפתרון הטוב ביותר להעברת כוח בקנה מידה גדול בין אזורים
UHV כולל שידור UHV AC ו-UHV DC. UHV AC מתייחס לפרויקטי שידור AC ברמת מתח של 1000kV, ו-UHVDC מתייחס לפרויקטים של שידור DC ברמת מתח של ±800kV ומעלה. העקרונות הטכניים והיגיון הפיתוח של השניים שונים לחלוטין. UHV DC הוא פרויקט העברת כוח טיפוסי מנקודה לרשת. העיקרון הבסיסי שלו הוא להשתמש בשסתום ממיר כדי להמיר כוח AC למתח DC, ולאחר מכן להמיר את כוח DC למתח AC לאחר הובלתו ליעד, ולאחר מכן לחבר אותו לרשת החשמל AC. המטרה העיקרית היא העברת אנרגיה חשמלית. בנוסף להעברת אנרגיה חשמלית, AC UHV לוקחת על עצמה גם את התפקיד של שיפור מבנה הרשת ושיפור יציבות הרשת. טכנולוגיית שידור DC היא טכנולוגיית העברת כוח המבוססת על טכנולוגיית אלקטרוניקת כוח. בשל היתרונות של טופולוגיה פשוטה, שינוי מתח קל ועלות ציוד נמוכה, העברת AC הפכה לטכנולוגיית העברת הכוח הנפוצה ביותר במדינות ברחבי העולם, והיא עדיין החלק החשוב ביותר ברשת החשמל של סין. טכנולוגיית שידור DC היא מסלול טכני שפותח יחד עם לידתה של טכנולוגיית האלקטרוניקה הכוחנית.
על פי המכשירים והפונקציות האלקטרוניות השונות, ניתן לחלק אותו לשני מסלולים: זרם ישר רגיל (LCC) וזרם ישר גמיש (VSC):
(1) זרם ישר קונבנציונלי (LCC) הוא טכנולוגיית שידור זרם ישר המשתמשת ברכיבים אלקטרוניים מבוקרים למחצה כגון תיריסטורים כמרכיבי הליבה של שסתום הממיר. היתרונות שלו הם קיבולת שידור גדולה ועלות נמוכה, אך היא דורשת תמיכה חזקה ברשת AC. כמות ההרמוניות גדולה, ויש לספוג כוח תגובתי מהרשת, ולכן יש להגדיר מספר רב של ציוד סינון DC וסינון AC.
(2) גמיש DC (VSC) היא טכנולוגיית שידור DC המשתמשת ברכיבים אלקטרוניים מבוקרים מלאים כגון IGBT כרכיבי הליבה של שסתום הממיר. היתרון שלו הוא שהוא יכול ליצור זרם חילופין קרוב מאוד לגל הסינוס הסטנדרטי באמצעות טכנולוגיה רב-שכבתית מודולרית, וניתן לכוונן את ההספק הפעיל וההספק התגובתי באופן עצמאי ללא ציוד סינון או תמיכה ברשת AC. החיסרון הוא שהעלות גבוהה ויכולת האספקה קטנה.
מנקודת המבט של העברת חשמל למרחקים ארוכים, ל-DC UHV יש יתרונות ברורים על פני AC UHV: הדפוס הכללי של פעולה מחולקת של רשת החשמל של ארצי לא ישתנה. התפעול של רשת החשמל של ארצי מתבצע על ידי שלושה מפעילים עיקריים, תאגיד הרשת המדינתי של סין, תאגיד רשת החשמל הדרומי של סין וחברת החשמל של מונגוליה הפנימית. ישנן 7 רשתות חשמל סינכרוניות אזוריות, וקיים רק קשר חלש בין רשתות החשמל האזוריות, ורוב ייצור וצריכת החשמל מופקים בתוך האזור.
על פי נתוני מועצת החשמל של סין, בשנת 2021, 687.6 מיליארד קילוואט-שעה של חשמל יועברו על פני אזורים ברחבי המדינה, המהווים רק כ-8.3 אחוזים מצריכת החשמל של החברה כולה, והחיבורים בין האזורים הם יחסית חלש. הרחבת רשת החשמל עלולה לגרום לסיכון של רשת החשמל לעלות במקום ליפול. על פי חוות הדעת המייעצת של האקדמיה הסינית להנדסה של האקדמיה הסינית להנדסה 2018, "הדעה המייעצת של ארצי העתידית של רשתות החשמל (2020), אנחנו צריכים להמשיך לדבוק במבנה עם שש רשתות החשמל האזוריות הגדולות כגוף העיקרי (ההשקעה בפרויקט צ'ונגצ'ינג-הוביי לשנת 2019 רשת החשמל הדרום-מערבית ורשת החשמל המרכזית של סין יופרדו לאחר ההובלה). לכן, AC UHV אינו יכול להעביר כוח בין אזורים, והוא יכול לשחק תפקיד רק במצבים ספציפיים, כגון נוכחות של משאבי רוח ושמש איכותיים וביקוש גדול לחשמל באותה רשת חשמל, והמרחק בין השניים ארוך יחסית.
שידור DC הוא חיבור הרשת האזורי הטוב ביותר. עם זאת, בשל הבדלים בהקצאת משאבים בין האזורים, למדינה שלי יש ביקוש גדול יחסית להולכת חשמל בין-אזורית. לשידור DC יש את שלושת היתרונות הבאים, מה שהופך אותו לפתרון הטוב ביותר עבור העברת כוח בין-אזורית:
(1) לשידור DC יש חסכון יוצא מן הכלל בהעברת כוח למרחקים ארוכים. העלות של תחנות ממירי DC גבוהה מזו של תחנות משנה AC, אך מכיוון שלשידור DC אין אפקט עור וכוח טעינה, קצב הניצול של קווי ההולכה גבוה יותר. לכן, כאשר מרחק השידור ארוך מספיק, הכלכלה שלו תעלה על זו של שידור AC.
(2) זה יכול לשמש לחיבור רשת אסינכרוני. חיבור רשת AC מחייב את התדירות של הרשת כולה להיות עקבית, ולכן לא ניתן להשתמש בו לחיבור רשת אסינכרוני. שידור כוח DC מתקן תחילה את הספק AC למתח DC ולאחר מכן הופך אותו למתח AC, אשר ניתן להחיל על חיבור רשת אסינכרוני.
(3) הוא תורם לבידוד תאונות רשת ואינו מרחיב את הסיכון לתאונות רשת. ניתן להתייחס לשידור UHV DC כמקור כוח הניתן לשליטה למרחקים ארוכים של רשת הקצה המקבלת. הרשתות בשני הקצוות אינן מחוברות, וניתן לבודד את הרשתות בשני הקצוות. במקרה של תאונת רשת חשמל חמורה, UHV DC יכול לבודד את התאונה מבלי להרחיב את הסיכון לתאונות רשת חשמל. תרחיש יישום טיפוסי נוסף של UHV AC הוא חיזוק רשת החשמל. כאשר העברת הזרם הישר בקנה מידה גדול של המדינה שלי נכנסת לצפון סין, מזרח סין, סין המרכזית ודרום מערב סין, החוזק של רשת החשמל AC קובע את הבטיחות של מערכת החשמל כולה, והביקוש ל-AC UHV עולה בהתאם.
התפקיד החשוב של DC גמיש במערכות חשמל חדשות
זרם ישר גמיש מתאים במיוחד להולכה של אנרגיית רוח ימית בקנה מידה גדול בים רחוקים. נכון להיום, שיטת העברת כוח הרוח הימית המרכזית היא העברת מתח גבוה AC, כלומר, טורבינות רוח ימיות מחוברות לתחנות דחף ימיות, מוגברות לרמות מתח של 220kV או גבוהות יותר, ולאחר מכן נשלחות לרשתות חשמל ביבשות. מכיוון שלשידור DC אין כוח טעינה, ההשקעה ויעילות ההעברה של כבלים תת ימיים טובים יותר מאשר שידור AC. באופן כללי, כאשר מרחק השידור גדול מכ-80 ק"מ, הכלכלה של שידור DC תעלה על זו של שידור AC. בנוסף, מכיוון ש-DC קונבנציונלי דורש תמיכה חזקה ברשת AC, וחוות רוח בים הינן מערכות AC חלשות המורכבות מטורבינות רוח, שאינן יכולות לעמוד בדרישות העברת הכוח של DC קונבנציונלי, DC גמיש הפך לפתרון החסכוני והמעשי היחיד. מסלול הטכנולוגיה ההיברידית LCC-VSC פותר ביעילות את הבעיה של כשל בהעברת UHV DC באזורים עם נקודות ירידה DC צפופות. לאחר עשרות שנים של בנייה, המדינה שלי בנתה 32 פרויקטים של העברת זרם ישר עם העברת כוח למרחקים ארוכים כפונקציה העיקרית, מתוכם יותר מ-10 פרויקטים ממוקמים בדלתא של נהר היאנגצה או במחוז גואנגדונג, והמיקום הצפוף מוביל לזרם ישר שידור בין שני המקומות. הסיכון לכשל במעבר עולה, והסכנה הנסתרת של תאונות רשת החשמל עולה. ה-DC הגמיש יכול לתמוך באופן עצמאי במתח ללא סיכון של כשל במעבר, והוא הפתרון הטוב ביותר להמשך הזנת DC לשני המקומות הנ"ל. נכון לעכשיו, China Southern Power Grid השלימה את פרויקט ההולכה DC Wudongde, ורשת המדינה בונה גם את פרויקט ההולכה של Baihetan-Jiangsu UHV DC, ששניהם יישמו טכנולוגיית DC גמישה. אבל הפתרונות הטכניים של שני הפרויקטים שונים.
חיבור DC גמיש מגביר את יכולת העזרה ההדדית של רשת החשמל ומשפר את האמינות והיעילות של אספקת החשמל. בנוסף לערכת העברת החשמל הקונבנציונלית למרחקים ארוכים בין רשתות חשמל אזוריות במדינה שלי, ניתן להשתמש בנתיבי DC גמישים גב אל גב לחיבור הדדי בצומת של רשתות חשמל אזוריות. מה שנקרא גב-גב גמיש DC מתייחס לבניית תחנת מיישר ותחנת מהפך ביחד ללא קו DC. טכנולוגיית DC גמישה גב אל גב יכולה לשפר את יכולת ההספק ההדדית בין רשתות חשמל אזוריות מבלי להרחיב את היקף תאונות רשת החשמל. בנוסף, רשתות החשמל של 500kV בגואנגדונג, ג'יאנגסו ובמקומות אחרים בסין כבר גדולות מאוד, עם מבנים מורכבים ובעיות בולטות של זרם קצר חשמלי מוגזם. הוספת DC גמיש גב אל גב כדי "להתיר" את רשת החשמל יכולה גם לפתור ביעילות את הבעיות הנ"ל. פרויקט גב אל גב צ'ונגצ'ינג-הוביי ופרויקט החיבור בין פוג'יאן-גואנגדונג שנמצאים בשלבי בנייה הם יישומים אופייניים של פרויקטים גמישים ישרים גב אל גב.