Wielkoobszarowe sieci synchroniczne

Zadaniem systemu elektroenergetycznego jest wytwarzanie energii w elektrowniach, przesyłanie jej za pomocą sieci elektroenergetycznych i rozdział pomiędzy odbiorców. Choć możliwe jest istnienie niepołączonych ze sobą systemów, posiadających tylko jedną elektrownię i sieć, to ich niezawodność i efektywność jest bardzo ograniczona. W celu zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego oraz poprawy ekonomii działania systemów elektroenergetycznych dąży się do łączenia ich ze sobą. W tym artykule przyjrzymy się obszarom synchronicznym sieci elektroenergetycznych. Wyjaśnimy też, jak kable HVDC pozwalają na tworzenie połączeń między sieciami asynchronicznymi.

Skutki istnienia połączeń między sieciami elektroenergetycznymi

Już od przełomu XIX i XX w. rozwijane były technologie umożliwiające przesyłanie energii na duże odległości. Później zaczęto wykorzystywać je do tworzenia połączeń między sieciami elektroenergetycznymi. Dzięki temu możliwe było zwiększenie niezawodności sieci, zmniejszenie indywidualnej zdolności generacyjnej poszczególnych jednostek i wyrównanie obciążenia sieci. Efektywność ekonomiczna również wzrosła, dzięki efektowi skali oraz dzięki możliwości generacji energii z najmniej kosztownych źródeł dostępnych w danym momencie. Połączenia między sieciami elektroenergetycznymi umożliwiają też szersze wykorzystanie źródeł odnawialnych. Można je budować na najbardziej odpowiednich do tego celu terenach, a wytworzoną energię dystrybuować na dalej położonych obszarach.

Sieci synchroniczne

Wielkoobszarowa sieć synchroniczna to trójfazowa sieć elektroenergetyczna o takiej samej częstotliwości napięcia i standardzie działania, umożliwiających tworzenie połączeń między wchodzącymi w jej skład sieciami w normalnych warunkach pracy. Poniższa mapa przedstawia główne obszary synchroniczne systemu elektroenergetycznego.

Największą pod względem wytwarzanej mocy wielkoobszarową siecią synchroniczną jest obszar synchroniczny Europy kontynentalnej. 39 operatorów systemów przesyłowych z 35 europejskich krajów należących do tego obszaru zrzeszonych jest  w ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity – Europejska Sieć Operatorów Systemów Przesyłowych Energii Elektrycznej). Oprócz nich do tego obszaru synchronicznego należą Albania, a od niedawna Ukraina i Mołdawia. Kraje afrykańskie Maroko, Algieria i Tunezja również stanowią część obszaru synchronicznego Europy kontynentalnej dzięki połączeniu podmorskim kablem przebiegającym przez Cieśninę Gibraltarską.

Jeżeli systemy elektroenergetyczne mają zbliżoną częstotliwość (dla nominalnej częstotliwości 50 Hz może ona wynosić między 48,5 a 51,5 Hz), możliwe jest połączenie ich kablem prądu przemiennego wysokiego napięcia (HVAC). Zaletą takiego połączenia jest brak skomplikowanych urządzeń przetwarzających energię. Wadę stanowi natomiast fakt, że zakłócenia w jednej części obszaru synchronicznego, takie jak wahania częstotliwości, mają wpływ na jego pozostałą część.

Sieci asynchroniczne

Gdy częstotliwości sieci są różne, lub ich praca nie jest zsynchronizowana, to mamy do czynienia z sieciami asynchronicznymi. Zazwyczaj w obrębie jednego kraju występuje jedna częstotliwość, dzięki czemu całe jego terytorium należy do jednego obszaru synchronicznego. W niektórych krajach jednak występują różne częstotliwości. Przykładem takiego państwa jest Japonia, której wschodnia część zasilana jest prądem o częstotliwości 50 Hz, a zachodnia 60 Hz. Przy tym na terenie kraju występują aż cztery obszary synchroniczne.

W takim wypadku sieci nie można połączyć w sposób bezpośredni, za pomocą kabli HVAC. Istnieje jednak technologia pozwalająca na tworzenie połączeń między sieciami asynchronicznymi – kable prądu stałego HVDC.

Kable HVDC

Kable wysokiego napięcia prądu stałego (HVDC) mogą pośredniczyć w przesyłaniu mocy zarówno między sieciami synchronicznymi, jak i asynchronicznymi. Za pomocą przekształtników i innych urządzeń prąd przemienny konwertowany jest na stały, a po przesłaniu następuje odwrotna konwersja. Zaletą przesyłania energii elektrycznej w ten sposób jest brak konieczności synchronizacji systemów, między którymi przesyłana jest moc. Istnieje możliwość przekazywania jej również między sieciami o częstotliwościach 50 i 60 Hz. Poza tym, przy takim połączeniu zakłócenia w działaniu jednej z sieci nie mają wpływu na działanie drugiej. Przesyłanie energii na duże odległości jest bardziej opłacalne przy napięciu stałym. Ten sposób przesyłu energii ma jednak wady. Należy do nich przede wszystkim bardziej skomplikowana budowa stosowanych przekształtników. Wiążą się z nią większe koszty inwestycyjne, a także większa podatność na awarie. Mimo to, kable HVDC stanowią rozpowszechnioną metodę łączenia sieci elektroenergetycznych i, jak można odczytać z poniższej mapy, wciąż powstają nowe inwestycje w tym kierunku.