Συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης

Γραμμές HVDC μεγάλης απόστασης που μεταφέρουν υδροηλεκτρισμό από το υδροηλεκτρικό έργο του ποταμού Νέλσον του Καναδά στον σταθμό μετατροπής HVDC, όπου μετατρέπεται σε AC για χρήση στο νότιο δίκτυο της Μανιτόμπα.

Ένα σύστημα μεταφοράς ηλεκτρικής ισχύος (electric power transmission ή power super highway ή electrical super highway) συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης (high-voltage, direct current ή HVDC) που χρησιμοποιεί συνεχές ρεύμα για τη μαζική μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος, σε αντίθεση με τα πιο συνηθισμένα συστήματα εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) . Για μεταφορές μεγάλων αποστάσεων, τα συστήματα HVDC μπορεί να είναι λιγότερο δαπανηρά και να υφίστανται μικρότερες ηλεκτρικές απώλειες. Για υποβρύχια καλώδια μεταφοράς ισχύος (underwater power cables), το HVDC αποφεύγει τα ισχυρά ρεύματα που απαιτούνται για τη φόρτιση και την εκφόρτιση της χωρητικότητας του καλωδίου σε κάθε κύκλο. Για πιο σύντομες αποστάσεις, το υψηλότερο κόστος του εξοπλισμού μετατροπής του συνεχούς ρεύματος μπορεί ακόμα να δικαιολογηθεί, λόγω άλλων πλεονεκτημάτων των συνδέσεων του συνεχούς ηλεκτρικού ρεύματος.

Το HVDC επιτρέπει τη μετάδοση ισχύος μεταξύ ασύγχρονων συστημάτων μεταφοράς AC. Επειδή η ροή ισχύος μέσω σύνδεσης HVDC μπορεί να ελέγχεται ανεξάρτητα από τη γωνία φάσης μεταξύ πηγής και φορτίου, μπορεί να σταθεροποιήσει ένα δίκτυο κατά διαταραχών που οφείλονται στις γρήγορες μεταβολές στην ισχύ. Το HVDC επιτρέπει επίσης τη μεταφορά της ισχύος μεταξύ συστημάτων δικτύου που τρέχουν σε διαφορετικές συχνότητες, όπως 50 Hz και 60 Hz. Αυτό βελτιώνει τη σταθερότητα και την οικονομία κάθε δικτύου, επιτρέποντας ανταλλαγή ισχύος μεταξύ ασύμβατων δικτύων.

Η σύγχρονη μορφή της μεταφοράς HVDC χρησιμοποιεί τεχνολογία που αναπτύχθηκε εκτεταμένα τη δεκαετία του 1930 στη Σουηδία από την Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget (ASEA) και στη Γερμανία. Οι πρώιμες εμπορικές εγκαταστάσεις περιελάμβαναν μια εγκατάσταση στη Σοβιετική Ένωση το 1951 μεταξύ Μόσχας και Kashira, καθώς και ένα σύστημα 100 kV, 20 MW μεταξύ Γκότλαντ και της ηπειρωτικής Σουηδίας το 1954. Η μεγαλύτερη σύνδεση HVDC στον κόσμο είναι η σύνδεση Rio Madeira στη Βραζιλία, που αποτελείται από δύο δίπολα ±600 kV, 3150 MW το καθένα, που συνδέει το Πόρτο Βέλιο στην πολιτεία Ροντόνια με την περιοχή του Σάο Πάολο. Το μήκος της γραμμής DC είναι 2.375 km.

Τον Ιούλιο του 2016, η ABB ανέλαβε ένα συμβόλαιο στην Κίνα για να κατασκευάσει ένα επίγειο καλώδιο συνεχούς ρεύματος πολύ υψηλής τάσης (UHVDC) με τάση 1100 kV, μήκους 3000 km και ισχύος 12 GW, που είναι νέα παγκόσμια επίδοση για την πιο υψηλή τάση, την μεγαλύτερη απόσταση και την πιο μεγάλη ικανότητα μεταφοράς.

  Υφιστάμενες συνδέσεις

  Υπό κατασκευή

  Προταθείσες

Πολλές από αυτές τις γραμμές HVDC μεταφοράς ισχύος το 2008 είναι από ανανεώσιμες πηγές όπως υδροηλεκτρικές και αιολικές

.

Μεταφορά υψηλής τάσης

Η υψηλή τάση χρησιμοποιείται για μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος για να μειώσει την απώλεια ενέργειας στην ηλεκτρική αντίσταση των καλωδίων. Για μια δεδομένη ποσότητα μεταφερόμενης ισχύος, ο διπλασιασμός της τάσης θα δώσει για την ίδια ισχύ μόνο το μισό ρεύμα. Αποδεικνύεται ότι ο διπλασιασμός της τάσης μειώνει τις απώλειες στη γραμμή ανά μονάδα παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος κατά έναν συντελεστή περίπου 4. Αν και η απώλεια ισχύος στη μεταφορά μπορεί επίσης να μειωθεί αυξάνοντας το μέγεθος του αγωγού, οι μεγαλύτεροι αγωγοί είναι πιο βαρείς και πιο δαπανηροί.

Η υψηλή τάση δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για φωτισμό ή για κινητήρες, έτσι οι τάσεις μεταφοράς πρέπει να μειωθούν για την τελική συσκευή χρήσης. Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται για να αλλάξουν τα επίπεδα τάσης στα κυκλώματα μεταφοράς εναλλασσομένου ρεύματος (AC). Επειδή οι μετασχηματιστές έκαναν πρακτικές τις αλλαγές τάσης και οι γεννήτριες εναλλασσομένου ήταν πιο αποτελεσματικές από αυτές που χρησιμοποιούν συνεχές, το εναλλασσόμενο επικράτησε μετά την εισαγωγή πρακτικών συστημάτων διανομής στην Ευρώπη το 1891 και η κατάληξη το 1892 του πολέμου των ρευμάτων, ενός ανταγωνισμού που διεξήχθη σε πολλά μέτωπα στις ΗΠΑ μεταξύ του συνεχούς ρεύματος του Τόμας Έντισον εναλλασσόμενου ρεύματος του George Westinghouse.

Η πρακτική μετατροπή της ισχύος μεταξύ εναλλασσομένου και συνεχούς έγινε εφικτή με την ανάπτυξη των συσκευών ηλεκτρονικών ισχύος όπως οι ανορθωτές (βαλβίδες) τόξου υδραργύρου (mercury-arc valves) και αρχίζοντας από τη δεκαετία του 1970, συσκευές ημιαγωγών όπως θυρίστορες, ενσωματωμένης πύλης-μεταγόμενοι θυρίστορες (integrated gate-commutated thyristors ή IGCTs), θυρίστορες ελεγχόμενοι από MOS (MOS-controlled thyristors ή MCTs) και διπολικές κρυσταλλολυχνίες (τρανζίστορ) μονωμένης πύλης (insulated-gate bipolar transistors ή IGBT).

Ιστορικό της τεχνολογίας HVDC

Ηλεκτρομηχανικά συστήματα (Thury)

Σχηματικό διάγραμμα του συστήματος μεταφοράς HVDC του Thury

HVDC το 1971: αυτός ο ανορθωτής τόξου υδραργύρου 150 kV μετέτρεπε εναλλασσόμενη τάση από υδραυλική ενέργεια για μεταφορά σε μακρινές πόλεις από υδροηλεκτρικές γεννήτριες της Μανιτόμπα.

Πυλώνες διπολικού συστήματος του βαλτικού καλωδίου HVDC στη Σουηδία

Η πρώτη μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος σε μεγάλη απόσταση επιδείχθηκε χρησιμοποιώντας συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα το 1882 στη διαδρομή Miesbach-Munich, αλλά μεταφέρθηκαν μόνο 1,5 kW. Μια πρώιμη μέθοδος μεταφοράς συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης αναπτύχθηκε από τον Ελβετό μηχανικό René Thury και η μέθοδος του τέθηκε σε εφαρμογή το 1889 στην Ιταλία από την εταιρεία Acquedotto De Ferrari-Galliera. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιούσε ομάδες μετατροπέων ηλεκτρικών ισχύος (motor-generator) συνδεμένους σε σειρά για να αυξήσουν την τάση. Κάθε ομάδα ήταν μονωμένη από ηλεκτρική γείωση και οδηγείτο από μονωμένους άξονες από οδηγό μονάδα. Η γραμμή μεταφοράς λειτουργούσε σε κατάσταση 'σταθερού ρεύματος', μέχρι 5.000 volts σε κάθε μηχανή, μερικές μηχανές είχαν διπλούς μεταγωγούς (commutators) για να μειώνουν τη τάση σε κάθε μεταγωγό. Αυτό το σύστημα μετέφερε 630 kW στα 14 kV DC σε απόσταση 120 km. Το σύστημα Moutiers–Lyon μετέφερε 8.600 kW υδροηλεκτρικής ισχύος σε απόσταση 200 km, συμπεριλαμβανόμενων 10 km υπόγειου καλωδίου. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιούσε οκτώ γεννήτριες συνδεμένες σε σειρά με διπλούς μεταγωγούς με συνολική τάση 150.000 volts μεταξύ του θετικού και του αρνητικού πόλου και λειτούργησε από το 1906 μέχρι το 1936. Δεκαπέντε συστήματα Thury λειτουργούσαν μέχρι το 1913. Άλλα συστήματα Thury λειτουργούσαν μέχρι 100 kV συνεχούς και λειτουργούσαν τη δεκαετία του 1930, αλλά τα περιστρεφόμενα μηχανήματα απαιτούσαν υψηλή συντήρηση και είχαν υψηλές απώλειες ενέργειας. Δοκιμάστηκαν διάφορες άλλες ηλεκτρομηχανικές συσκευές κατά το πρώτο μισό του 20ου αιώνα με μικρή εμπορική επιτυχία.

Μια τεχνική που δοκιμάστηκε για μετατροπή του συνεχούς ρεύματος από μεταφορά υψηλής τάσης σε χαμηλότερη τάση χρήσης ήταν η φόρτιση σε σειρά συνδεμένων μπαταριών, επανασύνδεση στη συνέχεια των μπαταριών παράλληλα για να εξυπηρετήσουν φορτίο κατανομής. Αν και τουλάχιστον δύο εμπορικές εγκαταστάσεις δοκιμάστηκαν στην αλλαγή του 20ου αιώνα, η τεχνική δεν ήταν γενικά χρήσιμη λόγω της περιορισμένης χωρητικότητας των μπαταριών, των δυσκολιών στην αλλαγή μεταξύ συνδέσεων εν σειρά και εν παραλλήλω και της εγγενούς ενεργειακής ανεπάρκειας του κύκλου φόρτισης/εκφόρτισης των μπαταριών.

Ανορθωτές (βαλβίδες) τόξου υδραργύρου

Ο ελεγχόμενος από το δίκτυο ανορθωτής τόξου υδραργύρου (mercury-arc valve) -που πρωτοπροτάθηκε το 1914- έγινε διαθέσιμος για μεταφορά ισχύος κατά την περίοδο από το 1920 μέχρι το 1940. Ξεκινώντας από το 1932, η General Electric δοκίμασε ανορθωτές (βαλβίδες) ατμών υδραργύρου και μια γραμμή μεταφοράς 12 kV DC, που χρησίμευσε επίσης για να μετατρέπει την παραγόμενη συχνότητα των 40 Hz σε φορτία των 60 Hz, στη Mechanicville της Νέας Υόρκης. Το 1941, σχεδιάστηκε σύνδεση υπόγειου καλωδίου 60 MW, ±200 kV, 115 km για την πόλη του Βερολίνου χρησιμοποιώντας ανορθωτές τόξου υδραργύρου (έργο Elbe), αλλά λόγω της κατάρρευσης της γερμανικής κυβέρνησης το 1945 το έργο δεν ολοκληρώθηκε ποτέ. Η δικαιολογία για το έργο ήταν ότι, κατά τη διάρκεια πολέμου, ένα υπόγειο καλώδιο θα ήταν λιγότερο ορατό ως στόχος βομβών. Ο εξοπλισμός μετακινήθηκε στη Σοβιετική Ένωση και μπήκε σε υπηρεσία εκεί ως σύστημα HVDC Μόσχας-–Kashira. Το σύστημα Μόσχας–Kashira και η σύνδεση το 1954 μεταξύ της ηπειρωτικής Σουηδίας και του νησιού Γκότλαντ σημείωσε την αρχή της σύγχρονης εποχής της μετάδοσης HVDC.

Οι ανορθωτές (βαλβίδες) τόξου υδραργύρου απαιτούν ένα εξωτερικό κύκλωμα για να εξαναγκάσει τον μηδενισμό του ρεύματος και συνεπώς να κλείσει τη βαλβίδα. Στις εφαρμογές HVDC, το ίδιο το σύστημα ισχύος του εναλλασσομένου παρέχει τα μέσα μεταγωγής του ρεύματος σε άλλη βαλβίδα στον μετατροπέα. Οι μετατροπείς με ενσωματωμένες βαλβίδες τόξου υδραργύρου είναι γνωστοί και ως μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής (line-commutated converters ή LCC). Οι LCCs απαιτούν περιστρεφόμενες σύγχρονες μηχανές στα συστήματα εναλλασσομένου στα οποία είναι συνδεμένα, καθιστώντας αδύνατη τη μεταφορά ισχύος σε παθητικό φορτίο.

Οι βαλβίδες τόξου υδραργύρου ήταν συνηθισμένες σε συστήματα που σχεδιάστηκαν μέχρι το 1972, με το τελευταίο τόξο υδραργύρου συστήματος HVDC (στη Μανιτόμπα του Καναδά) να μπαίνει σε λειτουργία σταδιακά από το 1972 μέχρι το 1977. Από τότε, όλα τα συστήματα τόξου υδραργύρου είτε έχουν κλείσει είτε έχουν μετατραπεί ώστε να χρησιμοποιούν συσκευής στερεής κατάστασης. Το τελευταίο σύστημα HVDC που χρησιμοποιούσε βαλβίδες τόξου υδραργύρου ήταν αυτό μεταξύ της Βόρειας και της Νότιας Νήσου στη Νέα Ζηλανδία, όπου εχρησιμοποιείτο σε έναν από τους δύο πόλους του. Οι βαλβίδες τόξου υδραργύρου παροπλίστηκαν στις 1 Αυγούστου 2012 και αντικαταστάθηκαν από μετατροπείς θυρίστορ.

Βαλβίδες θυρίστορ

Από το 1977, τα νέα συστήματα HVDC έχουν χρησιμοποιήσει μόνο συσκευές στερεής κατάστασης (solid-state devices), στις περισσότερες περιπτώσεις βαλβίδες θυρίστορ. Όπως και στις βαλβίδες τόξου υδραργύρου, οι θυρίστορες απαιτούν σύνδεση με εξωτερικό κύκλωμα εναλλασσομένου στις εφαρμογές HVDC για να τις ανοίγουν και να τις κλείνουν. HVDC που χρησιμοποιούν βαλβίδες θυριστόρων είναι γνωστές επίσης ως μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής (line-commutated converter ή LCC) HVDC.

Η ανάπτυξη των βαλβίδων για HVDC ξεκίνησε στο τέλος της δεκαετίας του 1960. Το πρώτο πλήρες σχήμα HVDC με βάση βαλβίδες θυριστόρων ήταν στον ποταμό Eel του Καναδά, που κατασκευάστηκε από την General Electric και μπήκε σε λειτουργία το 1972.

Μετατροπείς μεταγόμενου πυκνωτή (Capacitor-commutated converters ή CCC)

Οι μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής έχουν κάποιους περιορισμούς στη χρήση τους στα συστήματα HVDC. Αυτό είναι συνέπεια από την απαίτηση του εναλλασσομένου κυκλώματος να απενεργοποιεί το ρεύμα του θυρίστορα και της ανάγκης για σύντομη περίοδο 'αντίστροφης' τάσης στο φαινόμενο της απενεργοποίησης (χρόνος απενεργοποίησης (turn-off time)). Μια προσπάθεια αντιμετώπισης αυτών των περιορισμών είναι ο μετατροπέας μεταγόμενου πυκνωτή που έχει χρησιμοποιηθεί για μικρό αριθμό συστημάτων HVDC. Το CCC διαφέρει από ένα συμβατικό σύστημα HVDC στο ότι έχει σειρά εισηγμένων πυκνωτών στις συνδέσεις της γραμμής του εναλλασσόμενου, είτε στο πρωτεύον είτε στο δευτερεύον του μετασχηματιστή του μετατροπέα. Η σειρά των πυκνωτών αντισταθμίζει μερικώς την αυτεπαγωγή μεταγωγής (commutating inductance) του μετατροπέα και βοηθά στη μείωση ρευμάτων σφάλματος (fault currents). Αυτό επιτρέπει επίσης να χρησιμοποιηθεί μια μικρότερη γωνία σβέσης (extinction angle) με τον μετατροπέα/αντιστροφέα, μειώνοντας την ανάγκη για υποστήριξη άεργης ισχύος (reactive power). Όμως, οι CCC έχουν παραμείνει μόνο με περιορισμένη εφαρμογή λόγω της εμφάνισης των μετατροπέων πηγής τάσης (voltage-source converters ή VSC) που εξαφανίζουν πλήρως την ανάγκη για χρόνο σβέσης (turn-off).

Μετατροπείς πηγής τάσης (Voltage-source converters ή VSC)

Οι μετατροπείς πηγής τάσης χρησιμοποιούνται πλατιά στους κινητήρες μεταβλητής ταχύτητας από τη δεκαετία του 1980 και άρχισαν να εμφανίζονται στο HVDC το 1997 με το πειραματικό έργο HVDC Hellsjön–Grängesberg στη Σουηδία. Μέχρι το τέλος του 2011, αυτή η τεχνολογία έχει καταλάβει σημαντικό ποσοστό της αγοράς HVDC.

Η ανάπτυξη των υψηλότερα αξιολογούμενων διπολικών τρανζίστορ μονωμένης πύλης (insulated-gate bipolar transistors ή IGBTs), θυριστόρων σβέσης από την πύλη (gate turn-off thyristors ή GTOs) και ολοκληρωμένων θυριστόρων με μεταγωγή από την πύλη (integrated gate-commutated thyristors ή IGCTs), έκαναν τα πιο μικρά συστήματα HVDC οικονομικά. Ο κατασκευαστής ABB ονομάζει αυτο το προϊόν

DC (HVDC Light), ενώ η Siemens ονομάζει ένα παρόμοιο προϊόν Γενικό σύστημα σύνδεσης ισχύος HVDC (HVDC PLUS) (Power Link Universal System) και η Alstom ονομάζει τα δικά της προϊόντα με βάση αυτήν την τεχνολογία HVDC MaxSine. Η χρήση του HVDC έχει επεκταθεί μέχρι ομάδες μερικών δεκάδων μεγαβάτς (MW) και σε γραμμές μερικών χιλιομέτρων εναέριας γραμμής. Υπάρχουν αρκετές διαφορετικές παραλλαγές της τεχνολογίας VSC: οι περισσότερες εγκαταστάσεις που κατασκευάστηκαν μέχρι το 2012 χρησιμοποιούν διαμόρφωση πλάτους παλμού (pulse width modulation) σε κύκλωμα που είναι στην ουσία οδηγός κινητήρων υπερυψηλής τάσης (ultra-high-voltage motor drive). Οι τρέχουσες εγκαταστάσεις, που περιλαμβάνουν HVDC PLUS και HVDC MaxSine, βασίζονται σε παραλλαγές ενός μετατροπέα που ονομάζεται πολυεπίπεδος μετατροπέας βαθμίδων (Modular Multi-Level Converter ή MMC).

Οι πολυεπίπεδοι μετατροπείς έχουν το πλεονέκτημα ότι επιτρέπουν στις συσκευές φιλτραρίσματος αρμονικών να μειώνονται ή να εξουδετερώνονται ολότελα. Συγκριτικά τα φίλτρα αρμονικών εναλλασσομένου, τυπικών σταθμών μετατροπέων μεταγόμενης γραμμής καλύπτουν το μισό της περιοχής σταθμού του μετατροπέα.

Με την πάροδο του χρόνου, τα συστήματα μετατροπέων πηγής τάσης θα αντικαταστήσουν προφανώς όλα τα εγκατεστημένα απλά συστήματα με βάση τους θυρίστορες, συμπεριλαμβανομένων των εφαρμογών υψηλότατης μεταφοράς ισχύος συνεχούς ρεύματος.

Πλεονεκτήματα του HVDC ως προς τη μεταφορά εναλλασσομένου ρεύματος

Τα σχήματα μεταφοράς HVDC σημείο προς σημείο σε μεγάλες αποστάσεις έχουν γενικά πιο χαμηλό γενικό κόστος επένδυσης και πιο χαμηλές απώλειες από τα ισοδύναμα σχήματα μεταφοράς εναλλασσομένου. Ο εξοπλισμός μετατροπής του HVDC στους τερματικούς έχει κόστος, αλλά τα συνολικά κόστη της γραμμής μεταφοράς συνεχούς ρεύματος σε μεγάλες αποστάσεις είναι πιο μικρό από τις γραμμές εναλλασσομένου για την ίδια απόσταση. Το HVDC απαιτεί λιγότερους αγωγούς ανά μονάδα απόστασης από ότι το εναλλασσόμενο, επειδή δεν υπάρχει ανάγκη υποστήριξης τριών φάσεων και δεν υπάρχει επιδερμικό (επιφανειακό) φαινόμενο (skin effect).

Ανάλογα με το επίπεδο τάσης και τις λεπτομέρειες κατασκευής, οι απώλειες μεταφοράς του HVDC ανέρχονται σε περίπου 3,5% ανά 1,000 km, που είναι 30 – 40% λιγότερο από τις γραμμές εναλλασσομένου, για τα ίδια επίπεδα τάσης. Αυτό συμβαίνει επειδή το συνεχές ρεύμα μεταφέρει μόνο ενεργή ισχύ και συνεπώς προκαλεί πιο μικρές απώλειες από το εναλλασσόμενο, που μεταφέρει και ενεργή και άεργη ισχύ.

Η μεταφορά HVDC μπορεί επίσης να επιλεγεί για άλλα τεχνικά πλεονεκτήματα. Το HVDC μπορεί να μεταφέρει ισχύ μεταξύ ξεχωριστών δικτύων εναλλασσομένου. Η ροή ισχύος HVDC μεταξύ ξεχωριστών συστημάτων εναλλασσομένου μπορεί να ελεγχθεί αυτόματα για να υποστηρίξει κάθε δίκτυο κατά τη διάρκεια των προσωρινών συνθηκών, αλλά χωρίς τον κίνδυνο ότι μια σημαντική διακοπή ισχύος (Power outage) σε ένα δίκτυο θα οδηγήσει σε κατάρρευση το δεύτερο. Το HVDC βελτιώνει την ελεγξιμότητα των συστημάτων, με τουλάχιστον μία σύνδεση HVDC ενσωματωμένη σε ένα δίκτυο εναλλασσομένου—στο απορρυθμισμένο περιβάλλον, το γνώρισμα της ελεγξιμότητας είναι ιδιαίτερα χρήσιμο όπου απαιτείται έλεγχος των συναλλαγών ενέργειας.

Τα συνδυασμένα οικονομικά και τεχνικά πλεονεκτήματα της μεταφοράς HVDC μπορούν να το καταστήσουν κατάλληλη επιλογή για τη σύνδεση ηλεκτρικών πηγών που είναι τοποθετημένες μακριά από τους κύριους χρήστες.

Ιδιαίτερες εφαρμογές όπου η τεχνολογία μετάδοσης HVDC παρέχει πλεονεκτήματα περιλαμβάνει:

• Σχήματα μετάδοσης με υποθαλάσσια καλώδια (Undersea cables) (π.χ., το 580 km NorNed καλώδιο μεταξύ Νορβηγίας και Κάτω Χωρών, το 420 km καλώδιο SAPEI μεταξύ Σαρδηνίας και της ηπειρωτικής Ιταλίας, το 290 km Basslink μεταξύ ηπειρωτικής Αυστραλίας και της Τασμανίας, καθώς και το 250 km Baltic Cable μεταξύ Σουηδίας και Γερμανίας).
• Μαζική μεταφορά ισχύος ακραίου σημείου σε ακραίο σημείο μεγάλης απόστασης (Endpoint-to-endpoint long-haul bulk power transmission) χωρίς ενδιάμεσους 'ρευματοδότες (taps)', συνήθως για τη σύνδεση μιας απομακρυσμένης εγκατάστασης παραγωγής με το κύριο δίκτυο, π.χ. το σύστημα μεταφοράς συνεχούς στον ποταμό Νέλσον (Nelson River DC Transmission System) στον Καναδά.
• Αύξηση της χωρητικότητας υφιστάμενου ηλεκτρικού δικτύου σε περιπτώσεις όπου η προσθήκη καλωδίων είναι δύσκολη ή δαπανηρή για εγκατάσταση.
• Μεταφορά ισχύος και σταθεροποίηση μεταξύ ασύγχρονων δικτύων εναλλασσομένου, με πιο ακραίο παράδειγμα τη δυνατότητα μεταφοράς ισχύος μεταξύ χωρών που χρησιμοποιούν εναλλασσόμενο σε διαφορετικές συχνότητες. Επειδή αυτή η μεταφορά μπορεί να συμβεί και στις δύο κατευθύνσεις, αυξάνει τη σταθερότητα και των δύο δικτύων επιτρέποντας τους να αλληλοαντλούν ισχύ σε περιπτώσεις ανάγκης ή σε αστοχίες.
• Σταθεροποίηση κύριου ηλεκτρικού δικτύου εναλλασσομένου, χωρίς αύξηση ανώμαλων επιπέδων (προσδοκώμενο ρεύμα βραχυκύκλωσης (prospective short circuit current)).
• Ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών όπως ο άνεμος στο κύριο δίκτυο μεταφοράς. Εναέριες γραμμές HVDC για έργα ενσωμάτωσης παράλιων ανέμων και καλώδια HVDC για υπεράκτια έργα έχουν προταθεί για τη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη για τεχνικούς και οικονομικούς λόγους. Τα δίκτυα συνεχούς με πολλαπλούς μετατροπείς πηγής τάσης (VSCs) είναι μια από τις τεχνικές λύσεις για συγκέντρωση υπεράκτιας αιολικής ενέργειας και μεταφοράς της για να χρησιμοποιηθεί σε κέντρα που είναι μακριά από την ακτή.

Συστήματα καλωδίων

Τα μεγάλα υποθαλάσσια / υπόγεια καλώδια υψηλής τάσης έχουν υψηλή ηλεκτρική χωρητικότητα συγκρινόμενα με τα εναέρια καλώδια μετάδοσης, επειδή οι ηλεκτροφόροι αγωγοί μέσα στο καλώδιο περιβάλλονται από μια σχετικά λεπτή στρώση μόνωσης (το διηλεκτρικό) και ένα μεταλλικό περίβλημα. Η γεωμετρία είναι όπως ενός μεγάλου ομοαξονικού πυκνωτή. Η συνολική χωρητικότητα αυξάνει με το μήκος του καλωδίου. Αυτή η χωρητικότητα είναι σε ένα παράλληλο κύκλωμα (parallel circuit) με το φορτίο. Όπου χρησιμοποιείται εναλλασσόμενο ρεύμα για μεταφορά ισχύος, πρέπει να ρέει πρόσθετο ρεύμα στο καλώδιο για να φορτώσει αυτήν την χωρητικότητα του καλωδίου. Αυτή η πρόσθετη ροή ρεύματος προκαλεί ενεργειακή απώλεια μέσω του διασκορπισμού θερμότητας στους αγωγούς του καλωδίου, αυξάνοντας τη θερμοκρασία του. Πρόσθετες ενεργειακές απώλειες συμβαίνουν επίσης ως αποτέλεσμα των απωλειών διηλεκτρικού στην μόνωση του καλωδίου.

Όμως, αν χρησιμοποιηθεί συνεχές ρεύμα, η καλωδιακή χωρητικότητα φορτίζεται μόνο όταν το καλώδιο πρωτοενεργοποιείται ή εάν το επίπεδο τάσης αλλάζει· δεν απαιτείται πρόσθετο ρεύμα. Για ένα αποτελεσματικό μεγάλο καλώδιο εναλλασσομένου, η συνολική ικανότητα μεταφοράς ρεύματος του αγωγού θα χρειαζόταν για να δώσει μόνο το ρεύμα φόρτισης. Αυτό το πρόβλημα χωρητικότητας του καλωδίου περιορίζει το μήκος και την ικανότητα μεταφοράς ισχύος των καλωδίων με εναλλασσόμενο ρεύμα. Τα καλώδια με συνεχές ρεύμα περιορίζονται μόνο από την αύξηση της θερμοκρασία τους και τον νόμο του Ωμ. Αν και κάποιο ρεύμα διαρροής ρέει μέσα από τον μονωτή του διηλεκτρικού, αυτό είναι μικρό συγκρινόμενο με το ρεύμα του καλωδίου.

Συστήματα εναερίων γραμμών

Το χωρητικό φαινόμενο των μεγάλων υπόγειων και υποθαλάσσιων καλωδίων στις εφαρμογές μεταφοράς εναλλασσομένου ρεύματος ισχύει ισχύει επίσης και για τις εναέριες γραμμές του εναλλασσομένου, αν και σε πολύ μικρότερη έκταση. Παρόλα αυτά, για μεγάλες εναέριες γραμμές μεταφοράς εναλλασσομένου ρεύματος, το ρεύμα που χρησιμοποιείται απλώς για να φορτώσει απλώς τη χωρητικότητα της γραμμής μπορεί να είναι σημαντικό και αυτό μειώνει την ικανότητα της γραμμής να μεταφέρει ενεργό ρεύμα στο απομακρυσμένο άκρο. Ένας άλλος παράγοντας που μειώνει τη μεταφορική ικανότητα του ενεργού ρεύματος στις γραμμές εναλλασσομένου ρεύματος είναι το επιδερμικό φαινόμενο (skin effect), που προκαλεί ανομοιόμορφη κατανομή του ρεύματος στη διατομή του αγωγού. Οι γραμμές που χρησιμοποιούν με συνεχές ρεύμα δεν υφίστανται κανέναν από αυτούς τους δύο περιορισμούς. Συνεπώς, για τις ίδιες απώλειες δεδομένου αγωγού, ο αγωγός μπορεί να μεταφέρει περισσότερο ρεύμα κατά τη λειτουργία με HVDC παρά με εναλλασσόμενο ρεύμα.

Τελικά, ανάλογα με τις περιβαλλοντικές συνθήκες και την απόδοση της μόνωσης της εναέριας γραμμής που λειτουργεί με HVDC, μπορεί να είναι δυνατό για μια δεδομένη γραμμή μεταφοράς να λειτουργεί με σταθερή τάση HVDC που είναι περίπου η ίδια με την κορυφή τάσης του εναλλασσομένου για το οποίο είναι σχεδιασμένο και μονωμένο. Η παραδιδόμενη ισχύς σε ένα σύστημα εναλλασσομένου ορίζεται από την ενεργό τιμή (root mean square ή RMS) μιας εναλλασσόμενης τάσης, αλλά αυτή είναι μόνο το περίπου 71% της τάσης κορυφής. Συνεπώς, εάν η γραμμή HVDC μπορεί να λειτουργήσει συνεχώς με τάση HVDC που είναι η ίδια με την τάση κορυφής της ισοδύναμης γραμμής εναλλασσομένου, τότε για ένα δεδομένο ρεύμα (όπου το ρεύμα HVDC είναι το ίδιο με την ενεργό τιμή ρεύματος στη γραμμή εναλλασσομένου), η δυνατότητα μεταφοράς ισχύος κατά τη λειτουργία με HVDC είναι κατά περίπου 40% πιο υψηλή από τη δυνατότητα λειτουργίας με εναλλασσόμενο.

Ασύγχρονες συνδέσεις

Επειδή το HVDC επιτρέπει τη μεταφορά ισχύος μεταξύ ασύγχρονων συστημάτων διανομής εναλλασσομένου, μπορεί να βοηθήσει στην αύξηση της σταθερότητας του συστήματος, αποτρέποντας τη διάδοση αλυσιδωτών καταρρεύσεων (cascading failures) από ένα τμήμα ενός ευρύτερου δικτύου μεταφοράς ισχύος σε ένα άλλο. Οι αλλαγές στο φορτίο που μπορούν να προκαλέσουν σε τμήματα ενός δικτύου εναλλασσομένου να γίνει ασύγχρονο και να διαχωριστεί, δεν επηρεάζουν ένα δίκτυο συνεχούς και η ροή ισχύος μέσω σύνδεσης συνεχούς τείνει να σταθεροποιήσει το δίκτυο εναλλασσομένου. Ο βαθμός και η κατεύθυνση της ροής ισχύος μέσω σύνδεσης εναλλασσόμενου μπορεί να ελεγχθεί άμεσα και να αλλαχθεί όπως απαιτείται για να υποστηρίξει δίκτυα εναλλασσομένου σε κάθε άκρο της σύνδεσης συνεχούς. Αυτό έχει προκαλέσει σε πολλούς διαχειριστές συστημάτων να σκεφτούν πιο πλατιά χρήση της τεχνολογίας HVDC για τα πλεονεκτήματα σταθερότητας του.

Μειονεκτήματα

Τα μειονεκτήματα του HVDC είναι στην μετατροπή, στην μεταλλαγή, στον έλεγχο, στη διαθεσιμότητα και στη συντήρηση.

Το HVDC είναι λιγότερο αξιόπιστο και έχει πιο μικρή διαθεσιμότητα από τα συστήματα εναλλασσομένου ρεύματος, κυρίως λόγω του πρόσθετου εξοπλισμού μετατροπής. Τα μονοπολικά συστήματα έχουν διαθεσιμότητα περίπου 98,5%, με το ένα τρίτο περίπου του απρογραμμάτιστου χρόνου διακοπής λειτουργίας να οφείλεται σε βλάβες. Η ανοχή σε σφάλματα διπολικών συστημάτων δίνουν μεγάλη διαθεσιμότητα για το 50% της χωρητικότητας σύνδεσης, αλλά η διαθεσιμότητα της πλήρους χωρητικότητας είναι περίπου 97% με 98%.

Οι απαιτούμενοι σταθμοί μετατροπής είναι δαπανηροί και έχουν περιορισμένη δυνατότητα υπερφόρτωσης. Σε πιο μικρές αποστάσεις μεταφοράς, οι απώλειες στους σταθμούς μετατροπείς μπορεί να είναι πιο μεγάλες από ότι σε μια γραμμή μεταφοράς εναλλασσομένου για την ίδια απόσταση. Το κόστος των μετατροπέων μπορεί να μην αντισταθμίζεται από τις μειώσεις του κόστους στη γραμμή κατασκευής και τις πιο χαμηλές απώλειες γραμμής.

Η λειτουργία ενός σχήματος HVDC απαιτεί τη διατήρηση πολλών ανταλλακτικών, συχνά αποκλειστικά για ένα σύστημα, επειδή τα συστήματα HVDC είναι λιγότερο τυποποιημένα από τα συστήματα εναλλασσομένου και η τεχνολογία αλλάζει πιο γρήγορα.

Αντίθετα με τα συστήματα εναλλασσομένου, η πραγματοποίηση πολυτερματικών συστημάτων είναι περίπλοκη (ιδιαίτερα με μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής), επειδή επεκτείνονται υφιστάμενα σχήματα σε πολυτερματικά συστήματα. Ο έλεγχος της ροής ισχύος σε πολυτερματικό σύστημα συνεχούς απαιτεί καλή επικοινωνία μεταξύ των τερματικών· η ροή ισχύος πρέπει να ρυθμιστεί ενεργά από το σύστημα ελέγχου μετατροπέα αντί να βασίζεται στις ιδιότητες εγγενούς εμπέδησης και της γωνίας φάσης γραμμής μεταφοράς εναλλασσομένου. Τα πολυτερματικά συστήματα είναι σπάνια. Μέχρι το 2012 μόνο δύο είναι σε χρήση: στο Υδροηλεκτρικό Κεμπέκ – Νέας Αγγλίας και το μεταξύ Σαρδηνίας και ηπειρωτικής Ιταλίας που τροποποιήθηκε το 1989 για να δίνει ισχύ και στην Κορσική.

Διακόπτης κυκλώματος συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης

Οι διακόπτες κυκλώματος (circuit breaker]) HVDC είναι δύσκολο να κατασκευαστούν επειδή πρέπει να περιληφθεί κάποιος μηχανισμός στον διακόπτη κυκλώματος που θα εξαναγκάσει τον μηδενισμό του ρεύματος, αλλιώς το βολταϊκό τόξο και η φθορά επαφής θα ήταν υπερβολικά μεγάλες για να επιτρέψουν αξιόπιστη μεταλλαγή. Τον Νοέμβριο του 2012, η ABB ανακοίνωσε την ανάπτυξη του πρώτου διακόπτη κυκλώματος HVDC παγκοσμίως.

Ο διακόπτης ABB περιέχει περιέχει τέσσερα στοιχεία μεταγωγής, δύο μηχανικά (ένα υψηλής ταχύτητας και ένα χαμηλής) και δύο ημιαγωγούς (έναν υψηλής τάσης και έναν χαμηλής). Κανονικά, η ισχύς ρέει μέσω του μηχανικού διακόπτη χαμηλής ταχύτητας, του μηχανικού διακόπτη υψηλής ταχύτητας και του διακόπτη ημιαγωγού χαμηλής τάσης. Οι δύο τελευταίοι διακόπτες είναι παράλληλοι με τον διακόπτη ημιαγωγού υψηλής τάσης.

Αρχικά, όλοι οι διακόπτες είναι κλειστοί. Επειδή ο διακόπτης του ημιαγωγού υψηλής τάσης έχει πολύ μεγαλύτερη αντίσταση από τον μηχανικό διακόπτη συν τον διακόπτη ημιαγωγού χαμηλής τάσης, το η ροή ρεύματος από μέσα του είναι χαμηλή. Για να αποσυνδεθεί, ανοίγει πρώτα ο διακόπτης ημιαγωγού χαμηλής τάσης. Αυτό εκτρέπει το ρεύμα μέσα από τον διακόπτη ημιαγωγού υψηλής τάσης. Λόγω της σχετικά υψηλής αντίστασής του, αρχίζει να θερμαίνεται πολύ γρήγορα. Στη συνέχεια ανοίγει ο μηχανικός διακόπτης υψηλής ταχύτητας. Αντίθετα προς τον διακόπτη ημιαγωγού χαμηλής τάσης, που μπορεί να απομακρύνει μόνο την πτώση τάσης του κλειστού διακόπτη ημιαγωγού υψηλής τάσης, αυτός μπορεί να απομακρύνει την πλήρη τάση. Επειδή δεν ρέει κανένα ρεύμα μέσα από αυτόν τον διακόπτη όταν ανοίγει, δεν υφίσταται ζημιά από το βολταϊκό τόξο. Στη συνέχεια, ανοίγει ο διακόπτης ημιαγωγού υψηλής τάσης. Αυτό στην ουσία αποκόπτει την ισχύ. Όμως, δεν είναι πλήρως 100%. Ένας τελικός μηχανικός διακόπτης χαμηλής ταχύτητας αποσυνδέει το υπολειπόμενο ρεύμα.

Η διαδικασία μετατροπής

Μετατροπέας

Στην καρδιά ενός σταθμού μετατροπής HVDC, ο εξοπλισμός που εκτελεί τη μετατροπή μεταξύ εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος αναφέρεται ως μετατροπέας. Σχεδόν όλοι οι μετατροπείς HVDC είναι εγγενώς ικανοί να μετατρέπουν από εναλλασσόμενο σε συνεχές (ανόρθωση) και από συνεχές σε εναλλασσόμενο (αντιστροφέας), μέσω πολλών συστημάτων HVDC, το σύστημα ως σύνολο βελτιστοποιείται για ροή ισχύος μόνο σε μια κατεύθυνση. Ανεξάρτητα από το πώς σχεδιάζεται ο ίδιος ο μετατροπέας, ο σταθμός που λειτουργεί (σε μια δεδομένη χρονική στιγμή) με ροή ισχύος από εναλλασσόμενο σε συνεχές αναφέρεται ως ανορθωτής και ο σταθμός που λειτουργεί με ροή ισχύος από συνεχές σε εναλλασσόμενο αναφέρεται ως αντιστροφέας (αναστροφέας).

Τα πρώτα συστήματα HVDC χρησιμοποιούσαν ηλεκτρομηχανική μετατροπή (το σύστημα Thury), αλλά όλα τα συστήματα HVDC που κατασκευάστηκαν από τη δεκαετία του 1940 χρησιμοποιούν ηλεκτρονικούς μετατροπής (στατικούς, στερεής φάσης). Οι ηλεκτρονικοί μετατροπείς για HVDCδιαιρούνται σε δύο κύριες κατηγορίες:

• Μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής (Line-commutated converters ή LCC)
• Μετατροπείς πηγής τάσης, ή μετατροπείς πηγής ρεύματος.

Μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής

Τα περισσότερα συστήματα HVDC εν λειτουργία σήμερα βασίζονται σε μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής.

Η βασική ρύθμιση LCC χρησιμοποιεί έναν τριφασικό ανορθωτή γέφυρας (bridge rectifier) ή γέφυρα έξι παλμών (six-pulse bridge), που περιέχει έξι ηλεκτρονικούς διακόπτες, που καθένας τους συνδέει τις τρεις φάσεις με μία από τις γραμμές συνεχούς. Ένα πλήρες στοιχείο διακόπτη αναφέρεται συνήθως ως βαλβίδα (valve), ανεξάρτητα από την κατασκευή του. Όμως, με αλλαγή φάσης μόνο κάθε 60°, παράγεται σημαντική αρμονική παραμόρφωση και στα δύο τερματικά συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος όταν χρησιμοποιείται αυτή η διάταξη.

Ανορθωτής γέφυρας δώδεκα παλμών

Μια βελτίωση αυτής της διάταξης χρησιμοποιεί δώδεκα βαλβίδες σε γέφυρα δώδεκα παλμών. Το εναλλασσόμενο διαιρείται σε δύο ξεχωριστές παροχές τριών φάσεων πριν τον μετασχηματισμό. Ένα από τα σύνολα των παροχών ρυθμίζεται τότε ώστε να έχει έναν δευτερεύοντα αστέρα, το άλλο ένα δευτερεύοντα δέλτα, δημιουργώντας διαφορά φάσης 30° μεταξύ των δύο συνόλων των τριών φάσεων. Με δώδεκα βαλβίδες να συνδέουν καθένα από τα δύο σύνολα των τριών φάσεων με τις δύο γραμμές συνεχούς, υπάρχει αλλαγή φάσης κάθε 30° και οι αρμονικές μειώνονται αισθητά. Για αυτόν τον λόγο το σύστημα δώδεκα παλμών έχει γίνει τυπικό στους περισσότερους μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής συστημάτων HVDC που κατασκευάστηκαν από τη δεκαετία του 1970.

Με τους μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής, ο μετατροπέας έχει μόνο έναν βαθμό ελευθερίας – τη γωνία έναυσης (firing angle), που παριστάνει τη χρονική καθυστέρηση μεταξύ της τάσης σε μια βαλβίδα που γίνεται θετική (στο σημείο που η βαλβίδα αρχίζει να άγει εάν κατασκευάστηκε από διόδους) και της ενεργοποίησης των θυριστόρων. Η τάση εξόδου συνεχούς ρεύματος του μετατροπέα γίνεται διαρκώς λιγότερο θετική καθώς αυξάνεται η γωνία έναυσης: οι γωνίες έναυσης μέχρι 90° αντιστοιχούν σε ανόρθωση και καταλήγουν σε θετικές τάσης συνεχούς, ενώ γωνίες έναυσης πάνω από 90° αντιστοιχούν σε αναστροφή και καταλήγουν σε αρνητικές τάσης συνεχούς. Το πρακτικό ανώτερο όριο για τη γωνία έναυσης είναι περίπου 150–160° επειδή πάνω από αυτή τη γωνία, η βαλβίδα θα έχει ανεπαρκή χρόνο διακοπής.

Τα πρώτα συστήματα LCC χρησιμοποιούσαν βαλβίδες τόξου υδραργύρου (mercury-arc valves), που ήταν ανθεκτικές, αλλά απαιτούσαν μεγάλη συντήρηση. Λόγω αυτού, πολλά συστήματα HVDC τόξου υδραργύρου κατασκευάστηκαν με διακόπτες παράκαμψης σε κάθε γέφυρα έξι παλμών έτσι ώστε το σχήμα HVDC να μπορεί να λειτουργήσει σε κατάσταση έξι παλμών για σύντομες περιόδους συντήρησης. Το τελευταίο σύστημα τόξου υδραργύρου έκλεισε το 2012.

Η βαλβίδα θυρίστορ πρωτοχρησιμοποιήθηκε σε συστήματα HVDC το 1972. Ο θυρίστορ είναι μια συσκευή στερεής κατάστασης ημιαγωγού παρόμοια με τη δίοδο, αλλά με ένα πρόσθετο τερματικό ελέγχου που χρησιμοποιείται για την ενεργοποίηση της συσκευής σε μια συγκεκριμένη στιγμή κατά τη διάρκεια του κύκλου εναλλασσομένου ρεύματος. Λόγω των τάσεων σε συστήματα HVDC, μέχρι 800 kV σε κάποιες περιπτώσεις, που υπερβαίνουν κατά πολύ τις τάσεις κατάρρευσης (breakdown voltages) των χρησιμοποιούμενων θυριστόρων, οι βαλβίδες θυριστόρων HVDC κατασκευάζονται με τη χρήση μεγάλου αριθμού θυριστόρων σε σειρά. Πρόσθετα παθητικά στοιχεία όπως εξομάλυνση πυκνωτών και αντιστατών απαιτούν σύνδεση εν παραλλήλω με κάθε θυρίστορα για να διασφαλίσουν ότι η τάση κατά μήκος της βαλβίδας μοιράζεται ομοιόμορφα μεταξύ των θυριστόρων. Ο θυρίστορας συν τα κυκλώματα εξομάλυνσής του και άλλος βοηθητικός εξοπλισμός είναι γνωστός ως επίπεδο θυρίστορα (thyristor level).

Στοίβες βαλβίδων θυριστόρων για το Pole 2 της διασύνδεσης HVDC (HVDC Inter-Island) μεταξύ του Βόρειου και του Νότιου Νησιού της Νέας Ζηλανδίας. Ο άνθρωπος στη βάση της εικόνας δίνει τη κλίμακα για το μέγεθος των βαλβίδων.

Κάθε βαλβίδα θυρίστορα θα περιέχει συνήθως δεκάδες ή εκατοντάδες επίπεδα θυριστόρων, που το καθένα λειτουργεί σε διαφορετικό (υψηλό) δυναμικό ως προς τη γη. Η πληροφορία της εντολής ενεργοποίησης των θυριστόρων συνεπώς δεν μπορεί απλώς να αποσταλεί χρησιμοποιώντας σύνδεση καλωδίου –απαιτείται να μονωθεί. Η μέθοδος μόνωσης μπορεί να είναι μαγνητική, αλλά είναι συνήθως οπτική. Χρησιμοποιούνται δύο οπτικές μέθοδοι: έμμεση και άμεση οπτική ενεργοποίηση. Στη μέθοδο της έμμεσης οπτικής ενεργοποίησης, ηλεκτρονικά στοιχεία ελέγχου χαμηλής τάσης στέλνουν παλμούς φωτός μέσω οπτικών ινών στα ηλεκτρονικά στοιχεία ελέγχου υψηλής πλευράς (high-side), που παράγουν την ισχύ τους από την τάση μέσω κάθε θυρίστορα. Η εναλλακτική μέθοδος άμεσης οπτικής ενεργοποίησης με τα περισσότερα ηλεκτρονικά υψηλής πλευράς, χρησιμοποιεί παλμούς φωτός από τα ηλεκτρονικά στοιχεία ελέγχου για να αλλάξει τους θυρίστορες με έναυση φωτός (light-triggered thyristors ή LTTs), αν και μια μικρή μονάδα ηλεκτρονικής παρακολούθησης μπορεί ακόμα να χρειάζεται για την προστασία της βαλβίδας.

Σε έναν μετατροπέα μεταγόμενης γραμμής, το συνεχές ρεύμα (συνήθως) δεν μπορεί να αλλάξει κατεύθυνση· ρέει μέσα από μεγάλη αυτεπαγωγή και μπορεί να θεωρηθεί σχεδόν σταθερό. Στην πλευρά του εναλλασσομένου, ο μετατροπέας συμπεριφέρεται σχεδόν ως πηγή ρεύματος, εγχέοντας και τη συχνότητα δικτύου και αρμονικές στο δίκτυο εναλλασσομένου. Για αυτόν το λόγο, ένας μετατροπέας μεταγόμενης γραμμής για HVDC θεωρείται επίσης ως αναστροφέας πηγής ρεύματος (current-source inverter).

Μετατροπείς με πηγή τάσης

Επειδή οι θυρίστορες μπορούν μόνο να ενεργοποιηθούν (και όχι να απενεργοποιηθούν) με ενέργεια ελέγχου, το σύστημα ελέγχου έχει μόνο έναν βαθμό ελευθερίας – πότε θα ενεργοποιήσει τον θυρίστορα. Αυτός είναι ένας σημαντικός περιορισμός σε κάποιες περιπτώσεις.

Με κάποιους άλλους τύπους συσκευών ημιαγωγών όπως τα διπολικά τρανζίστορ μονωμένης πύλης (insulated-gate bipolar transistor ή IGBT), και η ενεργοποίηση και η απενεργοποίηση μπορούν να ελεγχθούν, δίνοντας έναν δεύτερο βαθμό ελευθερίας. Ως αποτέλεσμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κατασκευάσουν αυτομεταγόμενους μετατροπείς (self-commutated converters). Σε τέτοιους μετατροπείς, η πολικότητα της τάσης του συνεχούς είναι συνήθως σταθερή και η τάση συνεχούς, που εξομαλύνεται από μεγάλη χωρητικότητα, μπορεί να θεωρηθεί σταθερή. Γι'αυτό, ένας μετατροπέας HVDC που χρησιμοποιεί IGBTs αναφέρεται συνήθως ως μετατροπέας με πηγή τάσης (voltage sourced converter). Η πρόσθετη ελεγξιμότητα δίνει πολλά πλεονεκτήματα, ιδιαίτερα τη δυνατότητα ενεργοποίησης και απενεργοποίησης των IGBTs πολλές φορές ανά κύκλο για να βελτιώσει την αρμονική απόδοση. Όντας αυτομεταγόμενος, ο μετατροπέας δεν βασίζεται πια σε σύγχρονες μηχανές στο σύστημα εναλλασσομένου για τη λειτουργία του. Ένας μετατροπέας με πηγή τάσης μπορεί συνεπώς να παρέχει ισχύ σε ένα δίκτυο εναλλασσομένου που αποτελείται μόνο από παθητικά φορτία, κάτι που είναι αδύνατο με το LCC HVDC.

Τα συστήματα HVDC με βάση μετατροπείς με πηγή τάσης χρησιμοποιούν κανονικά τη σύνδεση έξι παλμών επειδή ο μετατροπέας παράγει πολύ μικρή αρμονική παραμόρφωση από τον αντίστοιχο LCC και η σύνδεση δώδεκα παλμών είναι περιττή.

Τα περισσότερα συστήματα VSC HVDC που κατασκευάστηκαν μέχρι το 2012 βασίζονταν στον μετατροπέα δύο επιπέδων, που μπορεί να θεωρηθεί ως μια γέφυρα έξι παλμών στην οποία οι θυρίστορες έχουν αντικατασταθεί από IGBTs με αντιπαράλληλες διόδους (inverse-parallel diodes) και τα πηνία εξομάλυνσης συνεχούς (smoothing reactors) έχουν αντικατασταθεί από πυκνωτές εξομάλυνσης συνεχούς. Τέτοιοι μετατροπείς παίρνουν το όνομά τους από τα διακριτά, δύο επίπεδα τάσης στην έξοδο εναλλασσομένου κάθε φάσης που αντιστοιχεί στα ηλεκτρικά δυναμικά του θετικού και του αρνητικού ακροδέκτη συνεχούς. Η διαμόρφωση πλάτους παλμών (Pulse-width modulation ή PWM) χρησιμοποιείται συνήθως για να βελτιώσει την αρμονική παραμόρφωση του μετατροπέα.

Μερικά συστήματα HVDC έχουν κατασκευαστεί με μετατροπείς τριών επιπέδων (three level converters), αλλά σήμερα τα περισσότερα νέα VSC HVDC κατασκευάζονται με κάποια μορφή πολυεπίπεδου μετατροπέα (multi-level converter), με πιο συνηθισμένο τον πολυεπίπεδο μετατροπέα βαθμίδων (Modular Multi-Level Converter ή MMC), στον οποίο κάθε βαλβίδα αποτελείται από έναν αριθμό ανεξάρτητων υπομονάδων μετατροπέα, που η καθεμιά τους περιέχει τον δικό της πυκνωτή αποθήκευσης. Τα IGBTs σε κάθε υπομονάδα είτε παρακάμπτουν τον πυκνωτή, είτε τον συνδέουν στο κύκλωμα, επιτρέποντας στη βαλβίδα να συνθέσει μια βηματική τάση με πολύ χαμηλά επίπεδα αρμονικής παραμόρφωσης.

Μετασχηματιστές μετατροπέων

Μονοφασικός, τριπλής περιέλιξης μετασχηματιστής μετατροπέα. Τα μεγάλα χιτώνια περιέλιξης βαλβίδας, που προεξέχουν από τα τοιχώματα της αίθουσας βαλβίδων (valve hall), εμφανίζονται στα αριστερά. Το χιτώνιο της περιέλιξης γραμμής προεξέχει κάθετα προς τα πάνω στο κέντρο και δεξιά

Στην πλευρά εναλλασσομένου κάθε μετατροπέα, μια ομάδα μετασχηματιστών, συχνά τρεις ξεχωριστούς μονοφασικούς μετασχηματιστές, μονώνουν το σταθμό από την παροχή εναλλασσομένου, για να παράσχουν μια τοπική γείωση, και να εξασφαλίσουν τη σωστή τελικά τάση συνεχούς. Η έξοδος αυτών των μετασχηματιστών συνδέεται τότε με τον μετατροπέα.

Οι μετασχηματιστές μετατροπέων για σχήματα LCC HVDC είναι αρκετά εξειδικευμένοι λόγω του υψηλού επιπέδου των αρμονικών ρευμάτων που ρέουν μέσα τους και επειδή η δευτερογενής μόνωση της περιέλιξης αντιμετωπίζει μια μόνιμη τάση συνεχούς ρεύματος, που επηρεάζει τη σχεδίαση της μονωτικής δομής (η πλευρά της βαλβίδας απαιτεί περισσότερη στερεή μόνωση) μέσα στην δεξαμενή. Σε συστήματα LCC, οι μετασχηματιστές χρειάζεται επίσης να παρέχουν τη μετατόπιση φάσης 30° που απαιτείται για αρμονική απόσβεση.

Οι μετασχηματιστές μετατροπέων για συστήματα VSC HVDC είναι συνήθως πιο απλοί και πιο συμβατικοί σε σχεδίαση από αυτούς για συστήματα LCC HVDC.

Άεργη ισχύς

Ένα μεγάλο μειονέκτημα των συστημάτων HVDC που χρησιμοποιούν μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής είναι ότι οι μετατροπείς καταναλώνουν εγγενώς άεργη ισχύ. Το εναλλασσόμενο ρεύμα που ρέει στον μετατροπέα από το σύστημα εναλλασσομένου μένει πίσω από την τάση εναλλασσομένου έτσι ώστε, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση ροής της ενεργής ισχύος, ο μετατροπέας να απορροφά πάντα άεργη ισχύ, συμπεριφερόμενος με τον ίδιο τρόπο όπως ένας αντιδραστήρας διακλάδωσης (shunt reactor). Η απορροφούμενη άεργη ισχύς είναι τουλάχιστον 0,5 MVAr/MW κάτω από ιδανικές συνθήκες και μπορεί να είναι υψηλότερη από αυτήν την τιμή όταν ο μετατροπέας λειτουργεί σε μεγαλύτερη από τη συνηθισμένη γωνία έναυσης ή σβέσης, ή σε μειωμένη τάση συνεχούς ρεύματος.

Αν και σε κάποιους σταθμούς μετατροπής HVDC που συνδέονται απευθείας με τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (power stations), κάποια από την άεργη ισχύ μπορεί να παρέχεται από τις ίδιες τις γεννήτριες, στις περισσότερες περιπτώσεις η καταναλωμένη ισχύς από τον μετατροπέα πρέπει να παρέχεται από ομάδες πυκνωτών διακλάδωσης συνδεμένους στα εναλλασσόμενα τερματικά του μετατροπέα. Οι πυκνωτές χωρητικότητας συνδέονται συνήθως απευθείας με το δίκτυο τάσης, αλλά σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να συνδέονται με χαμηλότερη τάση μέσω μιας τριτοταγούς περιέλιξης στον μετασχηματιστή μετατροπέα.

Επειδή η άεργη καταναλισκόμενη ισχύς εξαρτάται από την ενεργή ισχύ που μεταφέρεται, οι πυκνωτές διακλάδωσης (shunt capacitors) πρέπει συνήθως να υποδιαιρούνται σε έναν αριθμό μεταβαλλόμενων ομάδων (συνήθως 4 ανά μετατροπέα) για να αποτρέψει τη δημιουργία πλεονάσματος άεργης ισχύος σε χαμηλή μεταφερόμενη ισχύ.

Οι πυκνωτές διακλάδωσης σχεδόν πάντα παρέχονται με πηνία συντονισμού (tuning reactors) και όπου χρειάζεται, με αντιστάτες απόσβεσης (damping resistors), έτσι ώστε να μπορούν να επιτελέσουν έναν διπλό ρόλο ως αρμονικά φίλτρα.

Οι μετατροπείς πηγής τάσης, από την άλλη, μπορούν είτε να παραγάγουν είτε να καταναλώσουν άεργη ισχύ κατ' αίτηση, με αποτέλεσμα να μην χρειάζονται συνήθως ξεχωριστοί πυκνωτές διακλάδωσης (πέρα από αυτούς που απαιτούνται καθαρά για φιλτράρισμα).

Αρμονικές και φιλτράρισμα

Όλοι οι μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος δημιουργούν κάποιο βαθμό αρμονικής παραμόρφωσης σε συστήματα εναλλασσομένου και συνεχούς ρεύματος με τα οποία συνδέονται, και οι μετατροπείς HVDC δεν αποτελούν εξαίρεση.

Με τον πρόσφατα ανεπτυγμένο πολυεπίπεδο μετατροπέα βαθμίδων (MMC), τα επίπεδα της αρμονικής παραμόρφωσης μπορεί να είναι πρακτικά αμελητέα, αλλά με τους μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής και τους πιο απλούς τύπους μετατροπέων με πηγή τάσης, μπορεί να παραχθεί σημαντική παραμόρφωση και στις δυο πλευρές εναλλασσόμενου και συνεχούς ρεύματος του μετατροπέα. Ως αποτέλεσμα, απαιτούνται σχεδόν πάντα αρμονικά φίλτρα στους τερματικούς εναλλασσομένων τέτοιων μετατροπέων και σε σχήματα μεταφοράς HVDC ή χρήση εναέριων γραμμών, μπορεί επίσης να απαιτείται από την πλευρά του συνεχούς ρεύματος.

Φίλτρα για μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής

Το βασικό θεμέλιο μετατροπέα HVDC επαγόμενης γραμμής είναι η γέφυρα έξι παλμών. Αυτή η διάταξη παράγει πολύ υψηλά επίπεδα αρμονικής παραμόρφωσης δρώντας ως πηγή ρεύματος εγχέοντας αρμονικά ρεύματα της τάξης 6n±1 στο σύστημα εναλλασσομένου ρεύματος και δημιουργώντας αρμονικές τάσης της τάξης 6n που υπερτίθενται στην τάση του συνεχούς ρεύματος.

Στοιχίζει πολύ η χρήση αρμονικών φίλτρων ικανών να καταστέλλουν τέτοιες αρμονικές, έτσι μια παραλλαγή γνωστή ως γέφυρα δώδεκα παλμών (που αποτελείται από δύο γέφυρες έξι παλμών σε σειρά με μετατόπιση φάσης 30° μεταξύ τους) χρησιμοποιείται σχεδόν πάντα. Με τη διάταξη δώδεκα παλμών, οι αρμονικές εξακολουθούν να παράγονται, αλλά μόνο σε τάξεις 12n±1 στην πλευρά του εναλλασσομένου και 12n στην πλευρά του συνεχούς. Η εργασία καταστολής τέτοιων αρμονικών είναι ακόμα μια πρόκληση, αλλά είναι διαχειρίσιμη.

Οι μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής για HVDC παρέχονται συνήθως με συνδυασμούς αρμονικών φίλτρων που σχεδιάστηκαν να αντιμετωπίζουν την 11η και τη 13η αρμονική στην πλευρά του εναλλασσόμενου και τη 12η αρμονική στην πλευρά του συνεχούς ρεύματος. Μερικές φορές, τα υψιπερατά φίλτρα μπορεί να παρέχονται για να αντιμετωπίσουν την 23η, 25η, 35η, 37η... στην πλευρά του εναλλασσόμενου και τις 24η, 36η... στην πλευρά του συνεχούς. Μερικές φορές, τα φίλτρα εναλλασσομένου μπορεί επίσης να χρειάζονται να αποσβένουν σε χαμηλότερη τάξη, "μη χαρακτηριστικές" αρμονικές όπως η 3η και η 5η αρμονική.

Η εργασία σχεδίασης των αρμονικών φίλτρων εναλλασσομένου για σταθμούς μετατροπέων HVDC είναι σύνθετη και υπολογιστικά εντατική, επειδή πέρα από την διασφάλιση ότι ο μετατροπέας δεν παράγει απαράδεκτο επίπεδο παραμόρφωσης τάσης στο σύστημα εναλλασσομένου, πρέπει να διασφαλιστεί ότι τα φίλτρα αρμονικών δεν συντονίζονται με κάποιο στοιχείο κάπου αλλού στο σύστημα εναλλασσομένου. Απαιτείται λεπτομερής γνώση της "αρμονικής εμπέδησης" του συστήματος εναλλασσομένου, σε ευρεία περιοχή συχνοτήτων για να σχεδιαστούν τα φίλτρα εναλλασσομένου.

Φίλτρα συνεχούς ρεύματος απαιτούνται μόνο για τα συστήματα μεταφοράς HVDC που περιλαμβάνουν εναέριες γραμμές. Η παραμόρφωση τάσης δεν είναι πρόβλημα από μόνο του, επειδή οι καταναλωτές δεν συνδέονται απευθείας με τα τερματικά συνεχούς ρεύματος του συστήματος, έτσι το κύριο κριτήριο σχεδίασης για τα φίλτρα συνεχούς είναι η διασφάλιση ότι τα αρμονικά ρεύματα που ρέουν στις γραμμές συνεχούς δεν επάγουν παρεμβολή με τα κοντινά γυμνά καλώδια των τηλεφωνικών γραμμών. Με την αύξηση των ψηφιακών κινητών συστημάτων τηλεπικοινωνιών, που είναι πολύ λιγότερο ευάλωτα σε παρεμβολές, τα φίλτρα συνεχούς ρεύματος γίνονται λιγότερο σημαντικά για τα συστήματα HVDC.

Φίλτρα για μετατροπείς πηγής τάσης

Μερικοί τύποι μετατροπέων πηγής τάσης μπορούν να παραγάγουν τόσο χαμηλά επίπεδα αρμονικής παραμόρφωσης που δεν χρειάζονται καθόλου φίλτρα. Όμως, τύποι μετατροπέων όπως ο μετατροπέας δύο επιπέδων, που χρησιμοποιείται με την διαμόρφωση πλάτους παλμών (pulse-width modulation ή PWM), εξακολουθούν να απαιτούν ακόμα κάποιο φιλτράρισμα, αν και λιγότερο από τα συστήματα μετατροπής μεταγόμενης γραμμής.

Με τέτοιους μετατροπείς, το αρμονικό φάσμα μετατοπίζεται γενικά προς πιο υψηλές συχνότητες από τους μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής. Αυτό επιτρέπει στον εξοπλισμό φίλτρων να είναι πιο μικρός. Οι επικρατούσες αρμονικές συχνότητες είναι πλευρικές ζώνες (sidebands) της συχνότητας PWM και πολλαπλασίων αυτού. Σε εφαρμογές HVDC, η συχνότητα PWM είναι συνήθως γύρω στα 1–2 kHz.

Διαμορφώσεις

Μονοπολική

Σχηματικό διάγραμμα ενός μονοπολικού συστήματος με γείωση

Σε μια συνηθισμένη διαμόρφωση, που λέγεται μονοπολική, ένα από τα άκρα του ανορθωτή συνδέεται με το έδαφος . Το άλλο άκρο, με υψηλό δυναμικό πάνω ή κάτω από το δυναμικό της γης, συνδέεται με γραμμή μεταφοράς. Το γειωμένο άκρο μπορεί να συνδεθεί με την αντίστοιχη σύνδεση στον σταθμό αναστροφής μέσω ενός δεύτερου αγωγού.

Μονόπολα και επιστροφή μέσω γης

Εάν δεν έχει εγκατασταθεί μεταλλικός αγωγός, το ρεύμα ρέει στη γη και/ή στη θάλασσα μεταξύ δύο ειδικά σχεδιασμένων ηλεκτροδίων γείωσης. Αυτή η διάταξη είναι ένας τύπος συστήματος μονοσύρματης επιστροφής μέσω γης (single-wire earth return).

Τα ηλεκτρόδια τοποθετούνται συνήθως κάποιες δεκάδες χιλιόμετρα από τους σταθμούς και συνδέονται με τους σταθμούς μέσω μιας γραμμής ηλεκτροδίου (electrode line) μεσαίας τάσης. Η σχεδίαση των ηλεκτροδίων εξαρτάται από το εάν βρίσκονται στην ξηρά, στην ακτή ή στη θάλασσα. Για τη μονοπολική διαμόρφωση με επιστροφή μέσω γης, η ροή του ρεύματος γείωσης είναι μονοκατευθυντήρια, που σημαίνει ότι η σχεδίαση του ενός ηλεκτροδίου (της καθόδου) μπορεί να είναι σχετικά απλή, αν και η σχεδίαση του ηλεκτροδίου της ανόδου είναι αρκετά σύνθετη.

Για μετάδοση σε μεγάλες αποστάσεις, η επιστροφή μέσω γης μπορεί να είναι σημαντικά πιο φθηνή από εναλλακτικές λύσεις που χρησιμοποιούν αποκλειστικό ουδέτερο αγωγό, αλλά μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα όπως:

• Ηλεκτροχημική διάβρωση των μεγάλων θαμμένων μεταλλικών αντικειμένων όπως η μεταφορά με αγωγούς
• Τα υποθαλάσσια ηλεκτρόδια με επιστροφή μέσω γης σε θαλάσσιο νερό μπορούν να παραγάγουν χλώριο ή αλλιώς να επηρεάσουν τη χημεία του νερού.
• Μια μη εξισορροπημένη διαδρομή ρεύματος μπορεί να καταλήξει σε καθαρό μαγνητικό πεδίο, που μπορεί να επηρεάσει τις μαγνητικές πυξίδες της ναυσιπλοΐας για τα πλοία που περνάνε πάνω από το υποθαλάσσιο καλώδιο

Μονοπολική και μεταλλική επιστροφή

Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να εξουδετερωθούν με εγκατάσταση ενός μεταλλικού αγωγού επιστροφής μεταξύ των δύο άκρων της μονοπολικής γραμμής μεταφοράς. Επειδή το ένα άκρο των μετατροπέων συνδέεται με τη γη, ο αγωγός επιστροφής δεν χρειάζεται να μονωθεί για την πλήρη μεταφορά τάσης που την καθιστά λιγότερο δαπανηρή από τον αγωγό υψηλής τάσης. Η απόφαση εάν θα χρησιμοποιηθεί ή όχι μεταλλικός αγωγός επιστροφής βασίζεται σε οικονομικούς, τεχνικούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες.

Σύγχρονα μονοπολικά συστήματα για καθαρές εναέριες γραμμές μεταφέρουν συνήθως 1,5 GW. Εάν χρησιμοποιηθούν υπόγεια ή υποθαλάσσια καλώδια, η τυπική τιμή είναι 600 MW.

Τα περισσότερα μονοπολικά συστήματα σχεδιάζονται για μελλοντική διπολική επέκταση. Πύργοι γραμμών μεταφοράς (Transmission line towers) μπορούν να σχεδιαστούν για να μεταφέρουν δύο αγωγούς, ακόμα κι αν αρχικά χρησιμοποιείται μόνο ένας για το μονοπολικό σύστημα μεταφοράς. Ο δεύτερος αγωγός είτε δεν χρησιμοποιείται, χρησιμοποιείται ως γραμμή ηλεκτροδίου, είτε συνδέεται παράλληλα με τον άλλον (όπως στην περίπτωση του καλωδίου της Βαλτικής).

Συμμετρικό μονόπολο

Μια εναλλακτική είναι η χρήση δύο αγωγών υψηλής τάσης, που λειτουργούν στο ±μισό της τάσης του συνεχούς ρεύματος, με μόνο έναν μοναδικό μετατροπέα σε κάθε άκρο. Σε αυτήν τη διάταξη, γνωστή ως "συμμετρικό μονόπολο", οι μετατροπείς γειώνονται μόνο μέσω μιας υψηλής εμπέδησης και δεν υπάρχει ρεύμα γείωσης. Η διάταξη συμμετρικού μονόπολου είναι ασυνήθιστη με μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής (η διασύνδεση NorNed είναι ένα σπάνιο παράδειγμα), αλλά είναι πολύ συνηθισμένη με μετατροπείς πηγής τάσης όταν χρησιμοποιούνται καλώδια.

Διπολικό σύστημα

Σχεδιαστικό διάγραμμα διπολικού συστήματος που έχει επίσης επιστροφή μέσω γης

Στη διπολική μεταφορά χρησιμοποιείται ζεύγος αγωγών, καθένα σε υψηλό δυναμικό ως προς το έδαφος, με αντίθετη πολικότητα. Επειδή αυτοί οι αγωγοί πρέπει να είναι μονωμένοι για την πλήρη τάση, το κόστος της γραμμής μεταφοράς είναι πιο υψηλό από μονοπολικό σύστημα με αγωγό επιστροφής. Όμως, υπάρχουν κάποια πλεονεκτήματα στη διπολική μεταφορά που μπορούν να την καταστήσουν ελκυστική επιλογή.

• Κάτω από κανονικό φορτίο, υπάρχει αμελητέα ροή ρεύματος γείωσης, όπως στην περίπτωση της μονοπολικής μεταφοράς με μεταλλική επιστροφή γείωσης. Αυτό μειώνει την απώλεια επιστροφής μέσω γης και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
• Όταν αναπτύσσεται σφάλμα σε γραμμή, με ηλεκτρόδια επιστροφής μέσω γης εγκατεστημένα σε κάθε άκρο της γραμμής, περίπου το μισό της ονομαστικής ισχύος μπορεί να συνεχίσει να ρέει χρησιμοποιώντας τη γη ως διαδρομή επιστροφής, που λειτουργεί σε μονοπολική κατάσταση.
• Επειδή για μια δεδομένη συνολική ονομαστική ισχύ κάθε αγωγού μιας διπολικής γραμμής μεταφέρεται μόνο το μισό του ρεύματος των μονοπολικών γραμμών, το κόστος του δεύτερου αγωγού μειώνεται συγκριτικά με μια μονοπολική γραμμή ίδιου επιπέδου.
• Σε πολύ δυσμενή εδάφη, ο δεύτερος αγωγός μπορεί να μεταφέρεται σε ανεξάρτητο σύνολο πύργων μεταφοράς, έτσι ώστε κάποια ισχύς να μπορεί να συνεχίσει να μεταφέρεται ακόμα κι αν η μια γραμμή έχει βλάβη.

Ένα διπολικό σύστημα μπορεί επίσης να εγκατασταθεί με μεταλλικό αγωγό επιστροφής μέσω γης.

Τα διπολικά συστήματα μπορούν να μεταφέρουν μέχρι 4 GW σε τάσεις ±660 kV με έναν μοναδικό μετατροπέα ανά πόλο, όπως στο έργο Ningdong–Shandong στην Κίνα. Με ονομαστική ισχύ 2000 MW ανά μετατροπέα δώδεκα παλμών, οι μετατροπείς για αυτό το έργο ήταν (μέχρι το 2010) οι πιο ισχυροί μετατροπείς HVDC που κατασκευάστηκαν μέχρι τότε. Ακόμα μεγαλύτερη ισχύς μπορεί να επιτευχθεί συνδέοντας δύο ή περισσότερους μετατροπείς δώδεκα παλμών σε σειρά σε κάθε πόλο, όπως χρησιμοποιείται στο έργο ±800 kV συστήματος HVDC μεταξύ Xiangjiaba–Shanghai στην Κίνα, που χρησιμοποιεί δύο γέφυρες μετατροπέων δώδεκα παλμών σε κάθε πόλο, που καθένας είναι στα 400 kV συνεχούς και 1600 MW.

Οι υποβρύχιες εγκαταστάσεις καλωδίων που λειτουργούσαν αρχικά ως μονοπολικές μπορούν να αναβαθμιστούν με πρόσθετα καλώδια και να λειτουργήσουν ως διπολικές.

Σχεδιαστικό διάγραμμα διπολικού συστήματος μεταφοράς HVDC, μεταξύ δύο σταθμών A καιB. AC – αναπαριστά ένα δίκτυο εναλλασσόμενου ρεύματος, CON – αναπαριστά μια βαλβίδα μετατροπέα, είτε ανορθωτή, είτε μετατροπέας, TR αναπαριστάνει μετασχηματιστή, DCTL είναι ο αγωγός γραμμής μεταφοράς συνεχούς ρεύματος, DCL είναι πηνίο φίλτρου συνεχούς ρεύματος, BP αναπαριστά τον διακόπτη παράκαμψης και το PM αναπαριστά διόρθωση του συντελεστή ισχύος και απαιτούνται δίκτυα αρμονικών φίλτρων και στα δύο άκρα της σύνδεσης. Η γραμμή μεταφοράς συνεχούς ρεύματος μπορεί να είναι πολύ μικρή σε σύνδεση πλάτη με πλάτη, ή να επεκτείνεται χιλιάδες χιλιόμετρα εναέρια, υπόγεια, ή υποθαλάσσια. Ένας αγωγός γραμμής συνεχούς ρεύματος μπορεί να αντικατασταθεί με συνδέσεις στη γείωση.

Ένα διπολικό σχήμα μπορεί να υλοποιηθεί έτσι ώστε η πολικότητα ενός ή και των δύο πόλων να μπορεί να αλλαχθεί. Αυτό επιτρέπει τη λειτουργία ως δύο παράλληλων μονόπολων. Εάν αποτύχει ο ένας αγωγός, η μετάδοση μπορεί να συνεχίσει ακόμα με μειωμένη χωρητικότητα. Οι απώλειες μπορεί να αυξηθούν εάν τα ηλεκτρόδια και οι γραμμές γείωσης δεν είναι σχεδιασμένες για το πρόσθετο ρεύμα σε αυτήν την κατάσταση. Για να μειωθούν οι απώλειες σε αυτήν την περίπτωση, μπορεί να εγκατασταθούν ενδιάμεσοι σταθμοί εναλλαγής, στους οποίους τμήματα της γραμμής μπορούν να απενεργοποιηθούν ή να γίνουν παράλληλα. Αυτό έγινε στο HVDC Inga–Shaba .

Σταθμός πλάτη με πλάτη (Back to back station)

Ένας σταθμός πλάτη με πλάτη (back-to-back station ή B2B) είναι μια εγκατάσταση στην οποία και οι δύο μετατροπείς είναι στην ίδια περιοχή, συνήθως στο ίδιο κτήριο. Το μήκος της γραμμής συνεχούς ρεύματος κρατιέται όσο πιο μικρό γίνεται. Αυτοί οι σταθμοί HVDC χρησιμοποιούνται για:

• σύζευξη ηλεκτρικών δικτύων διαφορετικών συχνοτήτων (όπως στην Ιαπωνία και τη Νότια Αμερική και στη διασύνδεση GCC μεταξύ Ηνωμένων Αραβικών Εμιράτων [50 Hz] και της Σαουδικής Αραβίας [60 Hz] που ολοκληρώθηκε το 2009)
• σύζευξη δύο δικτύων της ίδιας ονομαστικής συχνότητας αλλά χωρίς σταθερή σχέση φάσης (όπως μέχρι το 1995/96 στα Etzenricht, Dürnrohr, Βιένη και το σχήμα Vyborg HVDC).
• σύζευξη δύο δικτύων της ίδιας ονομαστικής συχνότητας και με σταθερή σχέση μετατόπισης φάσης (π.χ., στην Αμερική το δίκτυο Hydro-Quebec (60 Hz) που έχει διαφορά φάσης 90 μοιρών με τα δίκτυα IESO (Οντάριο), Νέας Υόρκης και Νέας Αγγλίας (60 Hz))
• διαφορετική συχνότητα και αριθμό φάσης (π.χ., ως αντικατάσταση για εγκαταστάσεις μετατροπέων ρεύματος κίνησης (traction current converter plants)

Η τάση συνεχούς ρεύματος στο ενδιάμεσο κύκλωμα μπορεί να επιλεγεί ελεύθερα στα σταθμούς HVDC πλάτη με πλάτη (HVDC back-to-back stations) λόγω του μικρού μήκους του αγωγού. Η τάση του συνεχούς ρεύματος επιλέγεται συνήθως να είναι όσο το δυνατό πιο χαμηλή, ώστε να δημιουργηθεί μικρή αίθουσα βαλβίδων (valve hall) και να μειωθεί ο αριθμός των συνδεμένων θυριστόρων σε σειρά με κάθε βαλβίδα. Για αυτόν τον λόγο στους σταθμούς HVDC πλάτη με πλάτη (HVDC back-to-back stations), χρησιμοποιούνται βαλβίδες με το μέγιστο διαθέσιμο ονομαστικό ρεύμα (σε κάποιες περιπτώσεις μέχρι 4,500 A).

Πολυτερματικά συστήματα

Η πιο συνηθισμένη διαμόρφωση ενός δικτύου HVDC αποτελείται από δύο σταθμούς μετατροπής συνδεμένους με εναέρια ή υποθαλάσσια καλώδια.

Οι πολυτερματικές συνδέσεις HVDC, που συνδέουν περισσότερα από δύο σημεία, είναι σπάνιες. Η διαμόρφωση των πολλαπλών τερματικών μπορεί να είναι σε σειρά, παράλληλα ή υβριδική (ανάμειξη σειριακής και παράλληλης). Η παράλληλη διαμόρφωση τείνει να χρησιμοποιείται για σταθμούς μεγάλης χωρητικότητας και η σειριακή για σταθμούς χαμηλότερης χωρητικότητας. Ένα παράδειγμα αποτελεί το 2,000 MW σύστημα μεταφοράς Quebec - New England που ξεκίνησε το 1992.

Τα πολυτερματικά συστήματα είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας μετατροπείς μεταγόμενης γραμμής, επειδή οι αντιστροφές της ισχύος επηρεάζονται από την αντιστροφή της πολικότητας της τάσης του συνεχούς ρεύματος, που επηρεάζει όλους τους συνδεμένους μετατροπείς στο σύστημα. Με μετατροπείς με πηγή τάσης, η αντίστροφη ισχύς With Voltage Sourced Converters, η αντιστροφή ισχύος επιτυγχάνεται με αντιστροφή της κατεύθυνσης του ρεύματος, καθιστώντας τα πολυτερματικά συστήματα με παράλληλη σύνδεση πολύ πιο εύκολα ελέγξιμα. Για αυτόν το λόγο, τα πολυτερματικά συστήματα αναμένεται να γίνουν πολύ πιο συνηθισμένα στο κοντινό μέλλον.

Η Κίνα επεκτείνει το δίκτυο της για να συμβαδίσει με την αυξημένη ζήτηση ισχύος, ενώ παράλληλα πρέπει να αντιμετωπίσει τα περιβαλλοντικά προβλήματα. Το δίκτυο China Southern Power Grid ξεκίνησε ένα πιλοτικό έργο VSC HVDC με τρία τερματικά το 2011. Το έργο έχει σχεδιαστεί με ονομαστικές τιμές ±160 kV/200 MW-100 MW-50 MW και θα χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά αιολικής ισχύος που παράγεται στο νησί Nanao στο ηπειρωτικό δίκτυο ισχύος Guangdong μέσω 32 km συνδυασμού γραμμών επίγειων, θαλάσσιων και εναέριων καλωδίων HVDC. Το έργο αυτό τέθηκε σε λειτουργία στις 19 Δεκεμβρίου 2013.

Στην Ινδία, το πολυτερματικό έργο Βόρειου-Ανατολικού Άγκρα που σχεδιάζεται να λειτουργήσει το 2015-2017. Έχει ισχύ 6000 MW και την μεταφέρει με διπολική γραμμή ±800 kV από δύο σταθμούς μετατροπής, στο Biswanath Chariali και το Alipurduar, στα ανατολικά σε έναν μετατροπέα στο Άγκρα, μια απόσταση 1728 km.

Τριπολικό σύστημα

ένα σχήμα με ευρεσιτεχνία το 2004 προορίζεται για μετατροπή υφιστάμενων γραμμών μεταφοράς εναλλασσομένου ρεύματος σε HVDC. Δύο από τα τρία κυκλώματα αγωγών λειτουργούς ως δίπολο. Ο τρίτος αγωγός χρησιμοποιείται ως παράλληλο μονόπολο, εφοδιασμένο με βαλβίδες αντιστροφής (ή παράλληλες βαλβίδες συνδεμένες με αντίστροφη πολικότητα). Το παράλληλο μονόπολο εκτονώνει περιοδικά ρεύμα από έναν πόλο σε έναν άλλο, αλλάζοντας την πολικότητα για διάστημα αρκετών λεπτών. Οι διπολικοί αγωγοί φορτώνονται είτε στο 1,37 είτε στο 0,37 του θερμικού τους ορίου, με το παράλληλο μονόπολο να μεταφέρει πάντα ±1 φορές το θερμικό οριακό του ρεύμα. Το συνδυασμένο θερμικό φαινόμενο της ενεργού τιμής (RMS) είναι ως καθένας από τους αγωγούς μεταφέρει πάντοτε 1,0 του ονομαστικού ρεύματος. Αυτό επιτρέπει τη μεταφορά ισχυρότερων ρευμάτων από τους διπολικούς αγωγούς και πλήρη χρήση του εγκατεστημένου τρίτου αγωγού για μεταφορά ενέργειας. Υψηλά ρεύματα μπορούν να κυκλοφορήσουν μέσα από τις γραμμές αγωγών ακόμα κι όταν η ζήτηση φορτίου είναι χαμηλή, για αφαίρεση πάγου.

Μέχρι το 2012, καμιά τριπολική μετατροπή δεν είναι σε λειτουργία, αν και μια γραμμή μεταφοράς στην Ινδία έχει μετατραπεί σε διπολική HVDC ( HVDC Sileru-Barsoor).

Άλλες διατάξεις

Το Cross-Skagerrak υπήρξε από το 1993 από 3 πόλους, από τους οποίους οι 2 άλλαξαν σε παράλληλη και ο τρίτος σε αντίθετη πολικότητα με υψηλότερη τάση μεταφοράς. Αυτή η διάταξη έληξε το 2014 όταν οι πόλοι 1 και 2 ανακατασκευάστηκαν ώστε να εργάζονται σε δίπολο και ο πόλος 3 (LCC) εργάζεται σε δίπολο με τον νέο πόλο 4 (VSC). Αυτή είναι η πρώτη μεταφορά HVDC όπου οι πόλοι LCC και VSC συνεργάζονται σε δίπολο.

Μια παρόμοια διάταξη ήταν η HVDC Inter-Island στη Νέα Ζηλανδία μετά από μια αναβάθμιση χωρητικότητας το 1992, στην οποία οι δύο αρχικοί μετατροπείς (χρησιμοποιώντας βαλβίδες τόξου υδραργύρου) ήταν με τροφοδοσία παράλληλης μεταγωγής του ίδιου πόλου και ένας νέος τρίτος (θυρίστορας) μετατροπέας εγκαταστάθηκε με αντίθετη πολικότητα και υψηλότερη τάση λειτουργίας. Αυτή η διαμόρφωση έληξε το όταν οι δύο παλιοί μετατροπείς αντικαταστάθηκαν από έναν νέο μετατροπέα θυρίστορα.

Εκκένωση στέμματος

Εκκένωση στέμματος (Corona discharge) είναι η δημιουργία ιόντων σε ένα ρευστό (όπως ο αέρας) με την παρουσία ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου. Τα ηλεκτρόνια διακόπτονται από ουδέτερο αέρα και είτε τα θετικά ιόντα είτε τα ηλεκτρόνια έλκονται στον αγωγό, ενώ τα φορτισμένα σωματίδια αιωρούνται. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να προκαλέσει σημαντική απώλεια ισχύος, να δημιουργήσει παρεμβολές στον ήχο και τις ραδιοσυχνότητες, να δημιουργήσει τοξικές ενώσεις όπως οξείδια αζώτου και όζον και να προκαλέσει βολταϊκά τόξα.

Οι γραμμές μεταφοράς και του εναλλασσόμενου και του συνεχούς ρεύματος μπορούν να δημιουργήσουν φαινόμενα στέμματος, στην πρώτη περίπτωση με τη μορφή ταλαντούμενων σωματιδίων και στην δεύτερη με σταθερό άνεμο. Λόγω του σχηματιζόμενου φορτίου χώρου (space charge) γύρω από τους αγωγούς, ένα σύστημα HVDC μπορεί να έχει περίπου τη μισή απώλεια ανά μονάδα μήκους για συστήματα υψηλής τάσης εναλλασσομένου ρεύματος που μεταφέρουν την ίδια ισχύ. Με μονοπολική μεταφορά η επιλογή της πολικότητας του ενεργοποιημένου αγωγού οδηγεί σε έναν βαθμό ελέγχου στην εκκένωση στέμματος. Ειδικότερα, μπορεί να ελεγχθεί η πολικότητα των εκπεμπόμενων ιόντων, που μπορεί να έχει περιβαλλοντική επίπτωση στη δημιουργία όζοντος. Τα αρνητικά στέμματα δημιουργούν σημαντικά περισσότερο όζον από τα θετικά στέμματα και δημιουργούν παραπέρα υπήνεμο άνεμο (downwind) στη γραμμή ισχύος, δημιουργώντας το ενδεχόμενο επιπτώσεων στην υγεία. Η χρήση θετικής τάσης θα μειώσει τις επιπτώσεις του όζοντος των μονοπολικών γραμμών ισχύος HVDC.

Εφαρμογές

Επισκόπηση

Η ελεγξιμότητα της ροής ενός ρεύματος μέσω ανορθωτών και αντιστροφέων HVDC, η εφαρμογή τους στη σύνδεση ασύγχρονων δικτύων και οι εφαρμογές τους σε αποδοτικά υποθαλάσσια καλώδια σημαίνει ότι οι διασυνδέσεις HVDC χρησιμοποιούνται συχνά σε εθνικά ή τοπικά σύνορα για την ανταλλαγή ισχύος (στην Βόρειο Αμερική, οι συνδέσεις HVDC διαιρούν μεγάλα τμήματα του Καναδά και των Ηνωμένων Πολιτειών σε αρκετές ηλεκτρικές περιοχές που διασχίζουν τα εθνικά σύνορα, αν και ο σκοπός αυτών των συνδέσεων είναι ακόμα η σύνδεση ασύγχρονων δικτύων εναλλασσομένου ρεύματος μεταξύ τους). Υπεράκτια αιολικά πάρκα απαιτούν επίσης υποθαλάσσια καλώδια και οι στρόβιλοι τους είναι ασύγχρονοι. Σε συνδέσεις πολύ μεγάλων αποστάσεων μεταξύ δύο θέσεων, όπως η μεταφορά ισχύος από μια μεγάλη υδροηλεκτρική εγκατάσταση σε έναν απομακρυσμένο τόπο για μια αστική περιοχή, τα συστήματα μεταφοράς HVDC μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατάλληλα· πολλά σχήματα αυτού του είδους έχουν κτιστεί. Για διασυνδέσεις στη Σιβηρία, στον Καναδά και στον σκανδιναβικό Βορρά, τα μειωμένα κόστη γραμμής του HVDC το καθιστούν επίσης εφικτό. Άλλες εφαρμογές σημειώνονται σε όλο αυτό το άρθρο.

Διασυνδέσεις δικτύου εναλλασσομένου ρεύματος

Οι γραμμές μεταφοράς εναλλασσομένου ρεύματος μπορούν να διασυνδεθούν μόνο με συγχρονισμένα δίκτυα εναλλασσομένου ρεύματος με την ίδια συχνότητα με περιορισμούς στην επιτρεπόμενη διαφορά φάσης μεταξύ των δύο άκρων της γραμμής. Πολλές περιοχές που επιθυμούν να μοιράζονται ισχύ έχουν ασύγχρονα δίκτυα. Τα δίκτυα ισχύος του Ενωμένου Βασιλείου, Της Βόρειας και της ηπειρωτικής Ευρώπης δεν είναι ενοποιημένα σε ένα μοναδικό συγχρονισμένο δίκτυο. Η Ιαπωνία έχει δίκτυα 50 Hz και 60 Hz. Η ηπειρωτική Βόρεια Αμερική, ενώ λειτουργεί στα ολόκληρη στα 60 Hz, διαιρείται σε περιοχές που είναι ασύγχρονες: Eastern Interconnection, Western Interconnection, Texas Interconnection, Quebec Interconnection and Αλάσκα. Η Βραζιλία και η Παραγουάη, που μοιράζονται την τεράστια υδροηλεκτρική εγκατάσταση του φράγματος Itaipu, λειτουργούν στα 60 Hz και 50 Hz αντίστοιχα. Όμως, τα συστήματα HVDC καθιστούν εφικτή τη διασύνδεση ασύγχρονων δικτύων εναλλασσομένου ρεύματος και επίσης τη δυνατότητα ελέγχου της τάσης εναλλασσομένου και της ροής άεργης ισχύος.

Μια γεννήτρια συνδεμένη σε μεγάλη γραμμή μεταφοράς εναλλασσομένου μπορεί να γίνει ασταθής και να αποσυγχρονιστεί με μακρινά συστήματα ισχύος εναλλασσομένου. Μια σύνδεση μεταφοράς HVDC μπορεί να καταστήσει οικονομικά εφικτή τη χρήση απομακρυσμένων τοποθεσιών παραγωγής. Υπεράκτια αιολικά πάρκα μπορούν να χρησιμοποιήσουν συστήματα HVDC για να συλλέξουν ισχύ από πολλαπλά ασύγχρονες γεννήτριες για μεταφορά στην ακτή μέσω υποθαλασσίου καλωδίου.

Γενικά, όμως, μια γραμμή ισχύος HVDC θα διασυνδέσει δύο περιοχές εναλλασσομένου του δικτύου διανομής ισχύος. Ο εξοπλισμός για μετατροπή μεταξύ εναλλασσομένου και συνεχούς ρεύματος προσθέτει σημαντικό κόστος στη μεταφορά ισχύος. Η μετατροπή από εναλλασσόμενο σε συνεχές είναι γνωστή ως ανόρθωση και από συνεχές σε εναλλασσόμενο ως αντιστροφή. Πάνω από μια συγκεκριμένη εξισορρόπησης (περίπου 50 km για υποβρύχια καλώδια και ίσως 600–800 km για εναέρια καλώδια), το χαμηλότερο κόστος των ηλεκτρικών αγωγών HVDC υπερισχύει του κόστους των ηλεκτρονικών.

Τα ηλεκτρονικά της μετατροπής δίνουν επίσης ευκαιρία για αποτελεσματική διαχείριση του δικτύου ισχύος μέσω του ελέγχου του πλάτους και της κατεύθυνσης της ροής ισχύος. Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα της ύπαρξης των συνδέσεων HVDC, συνεπώς, είναι η δυνητικά αυξημένη σταθερότητα στο δίκτυο μεταφοράς.

Ανανεώσιμα υπερδίκτυα ηλεκτρισμού

Δύο γραμμές HVDC τέμνονται κοντά στο Wing, Βόρεια Ντακότα.

Κάποιες μελέτες έχουν επισημάνει τα δυνητικά πλεονεκτήματα των υπερδικτύων πολύ μεγάλης έκτασης με βάση το HVDC, επειδή μπορούν να μετριάσουν τις επιπτώσεις διακοπών παίρνοντας τον μέσο όρο και εξομαλύνοντας τις εξόδους μεγάλου αριθμού γεωγραφικά διασκορπισμένων αιολικών ή ηλιακών πάρκων. Η μελέτη του Czisch συμπεραίνει ότι ένα δίκτυο που καλύπτει τις παρυφές της Ευρώπης μπορεί να μεταφέρει 100% ανανεώσιμη ισχύ (70% αιολική, 30% βιομάζα) σε παραπλήσιες τιμές με τις σημερινές. Έχει υπάρξει συζήτηση για την τεχνική επιτευξιμότητα αυτής της συζήτησης και τους εμπεριεχόμενους πολιτικούς κινδύνους στη μεταφορά ενέργειας μέσα από πολλά διεθνή σύνορα.

Οι απώλειες μεταφοράς σε τέτοια υπερδίκτυα μικραίνουν με την αύξηση της τάσης μεταφοράς και η επιτευξιμότητά τους έχει αυξηθεί με το πέρασμα των χρόνων. Το 2010 η ABB Group κατασκεύασε το πρώτο δίκτυο στον κόσμο 800 kV UHVDC (στην Κίνα) και το 2016 ανακοινώθηκε η ανάληψη κατασκευής ενός δικτύου 1100 kV UHVDC (επίσης στην Κίνα).

Η κατασκευή τέτοιων τεράστιων υπερδικτύων πράσινης ενέργειας υποστηρίζεται από τη Λευκή Βίβλο που εκδόθηκε από την Αμερικανική Ένωση Αιολικής Ενέργειας (American Wind Energy Association) και την Ένωση Βιομηχανιών Ηλιακής Ενέργειας (Solar Energy Industries Association) το 2009. Η Clean Line Energy Partners αναπτύσσει τέσσερις γραμμές HVDC στις ΗΠΑ για μεταφορά ηλεκτρικής ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις.

Τον Ιανουάριο του 2009, η Ευρωπαϊκή Επιτροπή πρότεινε €300 εκατομμυρίων ως επιδότηση για την ανάπτυξη συνδέσεων HVDC μεταξύ Ιρλανδίας, Βρετανίας, Κάτω Χωρών, Γερμανίας, Δανίας και Σουηδίας ως τμήματος ενός ευρύτερου πακέτου €1.2 δισεκατομμυρίων υποστήριξης συνδέσεων με υπεράκτια αιολικά πάρκα και διασυνοριακές διασυνδέσεις σε όλη την Ευρώπη. Εν τω μεταξύ, η πρόσφατα ιδρυμένη Ένωση για τη Μεσόγειο αποδέχτηκε ένα Μεσογειακό ηλιακό σχέδιο εισαγωγής μεγάλων ποσοτήτων συμπυκνωμένης ηλιακής ισχύος στην Ευρώπη από τη Βόρεια Αμερική και τη Μέση Ανατολή.

Το 2017, αναμένεται να κατασκευαστεί μια γραμμή ηλεκτρικής ισχύος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας από την Οκλαχόμα στο Τενεσί ως το πρώτο δίκτυο UHVDC Στις ΗΠΑ. Το δίκτυο αναμένεται να είναι μήκους 1,100 kilometres (680 mi) με τάση 600 kV.

Παραπέρα μελέτη

• Kimbark, E.W., Direct current transmission, volume 1, Wiley Interscience, 1971.
• Cory, B.J., Adamson, C., Ainsworth, J.D., Freris, L.L., Funke, B., Harris, L.A., Sykes, J.H.M., High voltage direct current converters and systems, Macdonald & Co. (publishers) Ltd, 1965.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• CIGRÉ B4 Compendium of HVDC Schemes, 2009. published by International Council on Large Electric Systems (CIGRÉ)
• ABB HVDC website
• GE Grid Solutions HVDC website
• World Bank briefing document about HVDC systems
• HVDC PLUS from Siemens
• UHVDC challenges explained from Siemens Αρχειοθετήθηκε 2013-01-14 στο Wayback Machine.
• Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano (CESI)