تحلیل کیفیت توان با فناوری HVDC در نیروگاه‌های خورشیدی جنوب الجزایر

چکیده

الجزایر همواره به تولید و صادرات سوخت‌های فسیلی شهرت داشته است. اما با تدوین و اجرای یک سیاست انرژی هوشمند، این کشور می‌تواند به یکی از بازیگران بزرگ بازار جهانی انرژی خورشیدی بدل شود. با مساحتی نزدیک به ۲ میلیون کیلومتر مربع و آب و هوایی آفتابی، الجزایر پتانسیل بالایی برای تولید انرژی خورشیدی دارد. اما از آنجا که نیروگاه‌های خورشیدی بزرگ احتمالاً در دل صحرای جنوبی کشور ساخته می‌شوند، فناوری HVDC (انتقال جریان مستقیم با ولتاژ بالا) بهترین گزینه برای انتقال برق تولیدی به نواحی پرجمعیت و صنعتی شمال خواهد بود.

معرفی

صنعت برق، چه در تولید و چه در مصرف، کاملاً به فرآیند انتقال وابسته است. کیفیت برق منتقل‌شده، کارآمدی خدمات توزیع، قیمت نهایی و ملاحظات زیست‌محیطی همگی ارتباط مستقیمی با این فرآیند دارند. تا مدت‌ها، فناوری HVAC (جریان متناوب با ولتاژ بالا) گزینه غالب بود؛ هم به دلیل ماهیت متناوب برق تولیدی و هم دلایل اقتصادی. اما پیشرفت‌های فناورانه و گسترش شبکه‌های برق، فناوری HVDC را – که زمانی قدیمی محسوب می‌شد – به یک رقیب جدی و جایگزینی مطلوب معرفی کرده است.

دهه‌ها تحقیق مستمر و سرمایه‌گذاری‌های کلان، فناوری HVDC را به یک گزینه واقعی و عملیاتی تبدیل کرده است. برای انتقال در فواصل طولانی (صدها کیلومتر) و توان‌های بالای ۲۰۰ مگاوات، اقتصاد این فناوری به سرعت مطلوب‌تر شده است. طبق مطالعات مالی، تلفات HVDC حتی در خطوط هوایی ۱۰۰۰ کیلومتری حدود ۳٪ باقی می‌ماند. از سوی دیگر، کاهش هزینه کابل‌ها (حدود ۵۰٪) و کاهش چشمگیر هزینه‌های نگهداری آن‌ها، استفاده از HVDC را از نظر زیست‌محیطی و اقتصادی بسیار جذاب‌تر می‌کند. همین مزایاست که سیستم‌های HVDC را به ایده‌آل‌ترین روش برای انتقال برق بین‌المللی و حتی بین‌قاره‌ای بدل کرده است.

الجزایر با بهره‌مندی از ۸۰٪ آفتاب‌خیزی در مساحت خود، یکی از بیشترین نرخ‌های تابش خورشیدی در جهان را با ۲۰۰۰ تا ۶۰۰۰ وات‌ساعت بر مترمربع ثبت کرده است. این ظرفیت عظیم خورشیدی می‌تواند تولیدی بسیار فراتر از نیاز داخلی را در زمینه انرژی پاک ممکن سازد و راه را برای تبدیل شدن الجزایر به صادرکننده‌ای مهم هموار کند. با این حال، چنان‌که در شکل ۱ نشان داده شده، بهترین مناطق برای تولید انبوه این انرژی در نواحی جنوبی واقع شده‌اند. این دقیقاً همان جایی است که فناوری انتقال HVDC را به یک انتخاب استراتژیک و ایده‌آل برای الجزایر تبدیل می‌کند و تشویق به پذیرش آن را توجیه می‌نماید.

نکات کلیدی و اهمیت HVDC

در دهه‌های اخیر، پژوهشگران توجه ویژه‌ای به حوزه HVDC داشته‌اند و عمدتاً بر قطعات الکترونیکی سیستم‌ها (مانند مبدل‌ها و اینورترها)، بهره‌برداری از انرژی خورشیدی به صورت HVDC برای کاربردهای روزمره و همچنین حمل‌ونقل برق DC متمرکز شده‌اند. این مقاله با مرور مفاهیم پایه‌ای سیستم‌های انتقال HVDC آغاز می‌شود و سپس به بررسی تفصیلی مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی این فناوری در بافت ویژگی‌های استراتژیک الجزایر می‌پردازد. در نهایت، نوشتار با تأکید بر اصول و الزامات کلیدی برای اجرای عملی یک راهکار HVDC در این کشور به پایان می‌رسد.

وضعیت کنونی عملکرد فناوری HVDC

امروز، فناوری HVDC در اجزای مختلف خود، از جمله قطعات الکترونیکی، ویژگی‌های کابل، مشخصات پایل‌ها و قابلیت‌های مدیریتی، به سطح بالایی از عملکرد دست یافته است. این پیشرفت‌ها نتیجه تلاش‌های تحقیقاتی مستمر، بررسی‌های آزمایشگاهی و استقرار پروژه‌های عملی موفق هستند. در بخش‌های زیر، به تبیین اصول و مبانی اساسی HVDC خواهیم پرداخت.

مفاهیم پایه در مورد HVDC

با وجود این که فناوری AC به‌عنوان استاندارد اصلی در مهندسی برق از فرایند تولید تا مصرف و نیز در عملیات میان انتقال و توزیع با قدرتی فراوان حاکم بوده و هنوز هم هست، اما فناوری HVDC به آرامی در مسیر بازپس‌گیری سهم خود از بازار قرار دارد. در مرحله تولید، برخی منابع انرژی تجدیدپذیر، نظیر سیستم‌های فتوولتائیک، جریان‌های DC تولید می‌کنند و این در حالی است که حمل و نقل برق الکتریکی نیز به تأسیس شبکه‌های HVDC، به‌ویژه در موارد نیاز به انتقال قدرتمند در مسافت‌های طولانی، پرداخته است. این بازگشت موفق بهبود عملکرد HVDC عمدتاً ناشی از تحقیقات و کاربردهای الکتریسیته DC، فناوری نیمه‌رساناها و نظریه کنترل می‌باشد. این پیشرفت با ۷ مزیت اصلی و چندوجهی نسبت به پیکربندی AC همراه است [۳]؛

• سرمایه‌گذاری مالی کمتر
• تلفات کمتر در انتقال توان با حجم بالا
• قابلیت اتصال شبکه‌های ناهمگام
• بهره‌وری بیشتر برای حمل و نقل زمینی و زیردریایی
• بهبود عملکرد انتقال موازی برای مدارهای AC
• قابلیت کنترل بهتر، که امکان کنترل دقیق و آنی جریان توان را فراهم می‌کند
• DC به ازای یک ردیف حق‌العبور (ROW) معادل، توان ۳ برابر بیشتر از AC فراهم می‌کند.

علاوه بر این، پیکربندی‌های پیشرفته HVDC مزایای بیشتری نیز به ارمغان می‌آورند، از جمله؛

• هزینه‌ها نزدیک به خطوط هوایی است.
• امکان اتصال بارهای غیرفعال.
• کمک به تقویت شبکه‌های AC متصل.
• توان اکتیو و راکتیو به‌طور مستقل کنترل می‌شوند.
• کاهش زمان تحویل پروژه‌های HVDC.

استقرار پروژه‌های HVDC

فناوری انتقال توان الکتریکی HVDC در گذشته تنها در برخی پروژه‌های کلیدی به‌طور محدود به کار گرفته شده است. سرمایه‌گذاری‌های انجام شده در این پروژه‌ها نه تنها به آزمایش فناوری‌های جدید کمک کرده، بلکه چالش‌های پیش‌آمده را نیز مرتفع نموده است. در حال حاضر، سیستم‌های HVDC به حدی رقابتی شده‌اند که تحت شرایط خاصی می‌توانند بر فناوری HVAC غلبه کنند و این امر زمینه‌ساز استقرار بیشتر سیستم‌های HVDC می‌باشد. شکل ۲ نمایی گرافیکی از گسترش پروژه‌های HVDC در نقاط مختلف جهان را به تصویر می‌کشد.

جهانی شدن حمل و نقل توان الکتریکی به اتصال شبکه‌ها بین کشورها و قاره‌ها کمک کرده است. این فرایند نوین نیازمند ساخت خطوط انتقال الکتریکی در مسافت‌های طولانی و با توان بسیار بالا است؛ که استفاده از فناوری HVDC را به یک گزینه اصلی تبدیل می‌کند [۴][۵].

در الجزایر، فناوری HVAC به‌عنوان رویکردی منحصر به فرد از مرحله تولید تا مصرف به‌کار برده می‌شود. در دسترس بودن منابع سوخت نفت و گاز به تولیدکننده انحصاری برق (SONELGAZ) این امکان را داده که ساده‌ترین استراتژی را با تمرکز بر ساخت ایستگاه‌های تولید نزدیک به هدف مصرف‌کننده اتخاذ کند، که در نهایت انتقال برق را به مسافت‌های کوتاه محدود می‌سازد [۶].

شکل ۲. استقرار جهانی پروژه‌های HVDC انتقال توان الکتریکی

شکل ۳. استقرار شبکه تولید و انتقال برق الجزایر. منبع: SONELGAZ

شکل ۳ نمایی کلی از توپولوژی ایستگاه‌های تولید برق و خطوط انتقال شبکه مستقر در الجزایر را نشان می‌دهد. ایستگاه‌های تولید برق از ۲۲۰ کیلوولت (دایره‌های قرمز) تا ۶۰ کیلوولت (دایره‌های سبز) متغیر هستند. خطوط انتقال نیز با همین رنگ‌بندی (قرمز برای ۲۲۰ کیلوولت و سبز برای ۶۰ کیلوولت) مشخص شده‌اند [۷]، [۸].

با این حال، روندهای توسعه جدید درصدد تغییر جهت این صنعت هستند. ویژگی‌های منحصر به فرد الجزایر می‌توانند این روند را تسهیل کنند؛

• ظهور انرژی‌های تجدیدپذیر، به‌ویژه در حوزه تولید توان خورشیدی.
• پتانسیل بسیار زیاد انرژی خورشیدی
• منطقه‌های آفتابی وسیع (بیش از ۲ میلیون کیلومتر مربع)
• قرارگیری ساکنان و صنایع در فاصله‌ای بسیار دور از این مناطق آفتابی (صحرای بزرگ) به‌عنوان چالشی برای انتقال انرژی.
• وضعیت مالی مساعد کشور که می‌تواند به سرمایه‌گذاری‌های کافی برای تحقق اهداف امیدوارکننده منجر شود.
• استراتژی اقتصادی کشور، که در تلاش است به صادرکننده اصلی برق تجدیدپذیر، به‌ویژه به سمت اروپا تبدیل شود.

فناوران، اقتصاددانان و حتی سیاستمداران همگی از مسائل انرژی در دهه‌های آتی آگاهند. انرژی‌های تجدیدپذیر نه تنها به موضوع بحثی معمول برای ذینفعان مختلف در الجزایر تبدیل شده‌اند، بلکه چالشی واقعی هستند که باید به آن پاسخ داده شود. شرکت الکتریکی و گاز الجزایر (SONELGAZ)، به‌عنوان تولیدکننده و توزیع‌کننده انحصاری برق در این کشور، گام‌های عملی به سوی دوران جدید انرژی‌های تجدیدپذیر برداشته است. در واقع، SONELGAZ یک شرکت تابعه تأسیس کرده است که به تولید برق تجدیدپذیر، به‌ویژه به‌صورت فتوولتائیک، می‌پردازد. برنامه‌ها و زمان‌بندی‌هایی در دست اقدام است تا تولید قابل توجه برق تجدیدپذیر نه تنها برای مصرف داخلی، بلکه برای صادرات نیز فراهم گردد. با این حال، ایستگاه‌های تولیدی مهم به مناطق دورافتاده جنوبی منتقل خواهند شد، جایی که بالاترین میزان تابش ثبت شده است. فناوری HVDC می‌تواند در حمایت از این روند، متناسب با مطالعات اقتصادی و زیست‌محیطی به کار گرفته شود.

جنبه‌های زیست‌محیطی و اقتصادی

منابع انرژی‌های تجدیدپذیر به‌طور قابل توجهی ظرفیت تأمین تقاضای فزاینده انرژی بشری را دارند و در عین حال به سیاست‌های حفاظت از محیط زیست احترام می‌گذارند. نیروگاه‌های انرژی خورشیدی و مزارع بادی فراساحلی، نمونه‌های بارزی از این نوع منابع انرژی هستند. با این وجود، این منابع معمولاً در مناطق دور از سکونت انسانی قرار دارند و انتقال انرژی الکتریکی عظیم از آن‌ها به مسافت‌های طولانی انجام می‌گیرد (شکل ۴).

شکل ۴. شبکه تولید و حمل و نقل توان الکتریکی کلاسیک الجزایر. منبع: مؤسسه شبکه انرژی جهانی (۲۰۱۷)

برای حل این مسئله، فناوری HVDC به عنوان یکی از راهکارهای موثر در تأمین انرژی الکتریکی از مناطق مختلف شناخته می‌شود. لذا، روندهای نوین و مدرن در مسیر دستیابی به جهانی پایدارتر، اهمیت ویژه‌ای به این فناوری خواهند بخشید. به علاوه، بهبودهای جدید در فناوری HVDC شامل VSC، MTC و MMC به نظر می‌رسد که از نظر اقتصادی، گزینه‌های جذابی برای توسعه شبکه‌های انتقال در آینده به شمار آیند.

بازده انتقال انرژی، منافع اقتصادی، ملاحظات فنی و مسائل زیست‌محیطی از جمله حمایت‌های اصلی فناوری HVDC محسوب می‌شوند.

مزایای زیست‌محیطی HVDC

• تاثیر بصری و نیازهای فضایی:

  فناوری انتقال HVDC با افزایش کارآیی در بهره‌برداری از نیروگاه‌های موجود و حتی نیروگاه‌های تجدیدپذیر نوین، به کاهش تلفات توان و بهبود استفاده از منابع زمینی کمک می‌کند. این عوامل از پارامترهای کلیدی در سنجش سازگاری زیست‌محیطی هر فناوری به شمار می‌روند [۹].

  در عرصه انتقال الکتریسیته با فناوری HVAC، غالباً از کابل‌ها و دکل‌ها به صورت هوایی استفاده می‌شود که این روش در ۹۰٪ موارد کارآمدترین گزینه محسوب می‌گردد. اما HVDC جایگزین‌های بیشتری را ارائه می‌دهد. در فناوری HVDC، سه روش انتقال شامل هوایی، زمینی و زیردریایی وجود دارد که می‌توانند بسته به توپوگرافی و وضعیت محیطی به طرزی جایگزین استفاده شوند. در سیستم‌های هوایی، تأثیر بصری دکل‌ها تنها به ایستگاه‌های مبدل محدود می‌شود، که این خود یک مزیت به حساب می‌آید [۹] [۱۰].

  از منظر تأثیر بصری و در مقایسه با ظرفیت انتقال توان مشابه، خطوط انتقال هوایی HVDC اثرات کمتری بر محیط زیست دارند. به عنوان مثال، می‌توان به خطوط انتقال دو قطبی HVDC اشاره کرد که با بهره‌مندی از دو رسانا می‌توانند طراحی ساده‌تری نسبت به یک خط HVAC سه فاز با ظرفیت مشابه داشته باشند. در اینجا، ارتفاع کمتری برای دکل‌ها در فناوری HVDC به کار می‌رود که این مسئله بر پارامترهای زیست‌محیطی و اقتصادی تأثیرگذار است [۱۱].

  مثال دیگری در این زمینه، استفاده از خطوط HVDC چهار قطبی برای انتقال توان است. در این حالت، بسته به شرایط مسیر انتقال، از دکل‌های تخت یا دکل‌هایی با دو بازوی افقی استفاده خواهد شد. شکل ۵ نمای شماتیک این انواع دکل را برای یک خط انتقال HVDC با ولتاژ ±۵۰۰ کیلوولت نشان می‌دهد. ابعاد تقریبی دکل‌ها در این شکل مشخص شده‌اند. طراحی دکل‌ها بر اساس مشخصات خط انتقال صورت می‌گیرد. به هر حال، ابعاد دکل‌ها در خط‌های چهار قطبی HVDC به طور کلی کوچکتر از موارد استفاده‌شده در یک خط HVAC دو مداره با ظرفیت مشابه هستند [۱۱]. همچنین، عرض کریدورهای لازم برای خطوط انتقال الکتریکی در فناوری HVDC نسبت به HVAC به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد (تقریباً به یک‌سوم). برای یک خط با ظرفیت مشابه (مثلاً ۵۰۰ کیلوولت)، کریدور یک اتصال HVDC حدود ۵۵ تا ۶۰ متر خواهد بود، در حالی که برای یک HVAC دو مداره به عرض ۶۵ تا ۷۰ متر یا برای یک HVAC تک مداره به عرض ۱۰۵ متر نیاز است [۱۲].

شکل ۵. شماتیک دو نوع دکل (تخت و دو بازوی افقی) مورد استفاده برای خط انتقال چهار قطبی HVDC به ولتاژ ±۵۰۰ کیلوولت

علاوه بر این، فناوری HVDC در استفاده از اتصالات زمینی و زیردریایی مزایای قابل توجهی دارد. اتصالات زمینی به‌طور خاص برای HVDC طراحی‌شده‌اند، زیرا فناوری HVAC به شیارهای وسیعی نیاز دارد تا از تداخل میان کابل‌های سه فاز جلوگیری شود.

برای HVDC، شیارهای با عرض حدود ۵۰ تا ۸۰ سانتی‌متر و عمق ۱ تا ۱.۵ متر جهت جایگذاری یک خط انتقال الکتریکی دو قطبی با ظرفیت حدود ۱۲۰۰ مگاوات کافی است. از منظر زیست‌محیطی، شیارهای باریک سازگارترین روش برای چنین خطوط انتقالی محسوب می‌شوند. برای خطوط انتقال زیردریایی و در فاصله‌های بیش از ۵۰ کیلومتر، استفاده از فناوری HVDC اجتناب‌ناپذیر خواهد بود. تحقیقات نشان داده‌اند که خطوط انتقال زیردریایی تأثیر قابل توجهی بر حیات دریایی ندارند و علاوه بر این، کابل‌های نصب شده نیازی به هیچ‌گونه نگهداری یا خدمات در طول عمر خود ندارند (مگر در موارد استثنایی)، که این امر ادغام آنها با محیط اطراف را تسهیل می‌کند.

تمام این خصوصیات زیست‌محیطی را می‌توان به توپوگرافی سرزمین الجزایر تعمیم داد. با ترکیب اطلاعات موجود در شکل ۱ و شکل ۴، به راحتی مشخص می‌شود که آفتابی‌ترین نواحی با زیرساخت‌های موجود، مناطق بشار در غرب، گردایا در مرکز و حسی مessaoud در شرق هستند. این نواحی حداقل ۷۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر با مناطق پرجمعیت و صنعتی شمال کشور فاصله دارند. علاوه بر این، ۷۰٪ این مسیر از اراضی صاف و خالی از سکنه (بیابان) تشکیل می‌شود و تنها ۳۰٪ باقی‌مانده شامل مناطق کوهستانی است. در بحث صادرات انرژی الکتریکی به سمت اروپا، این فاصله‌ها ممکن است از ۱۰۰۰ کیلومتر فراتر رود و شامل چندصد کیلومتر در دریای مدیترانه باشد.

• میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی:

  دو اثر فیزیکی شناخته‌شده ناشی از هدایت الکتریسیته در کابل‌ها شامل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی است که به دقت مورد مطالعه قرار گرفته و به طور موثری اندازه‌گیری شده‌اند. به عنوان مثال، در یک خط انتقال هوایی HVDC، میدان الکتریکی ابتدا به دلیل اختلاف پتانسیل بین رسانا و زمین و از سوی دیگر به دلیل بار فضایی ناشی از اثر کورونا در رسانا ایجاد می‌شود [۱۳].

اثرهای الکتروستاتیک و میدان‌های الکتریکی در خطوط انتقال HVDC

به عنوان یک پدیده طبیعی، میدان‌های الکتروستاتیک (Electrostatic fields) در کل جو زمین گسترش می‌یابند، اما در اطراف رساناهای الکتریکی قوی‌تر می‌شوند. اجسام انسانی به این نوع اثرات فیزیکی تطبیق یافته‌اند، اما تنها در صورتی که در محدوده‌های طبیعی قابل قبول باقی بمانند. با این حال، وقتی مقادیر آن‌ها از محدوده‌های طبیعی خارج می‌شوند، می‌توانند به یک نگرانی اکولوژیکی و حتی بیولوژیکی برای انسان‌ها تبدیل شوند، مانند خطرات احتمالی شوک الکتریکی [14].

ترکیب میدان الکتروستاتیک و میدان بار فضایی (space charge field)، میدان الکتریکی ناشی از یک خط انتقال HVDC را ایجاد می‌کند. خوش‌بختانه و به صورتی که رساناهای خط انتقال HVDC در حالت کورونا (corona) یون‌هایی با همان قطبیت خودِ رسانا تولید می‌کنند که یا به سمت زمین یا به سمت یک رسانا با قطبیت مخالف روانده می‌شوند.

اندازه‌گیری‌های توزیع میدان الکتریکی در سطح زمین زیر خطوط انتقال الکتریکی HVDC نشان می‌دهد که این توزیع به توزیع بارهای فضایی بین رساناها و زمین بستگی دارد. وجود بار فضایی با همان قطبیت رسانا، میدان الکتریکی در سطح زمین را افزایش می‌دهد، اما بارهای با قطبیت مخالف، آن را کاهش می‌دهند [14]. این واقعیت، استفاده از خطوط انتقال HVDC دو قطبی (bipolar) و حتی چهار قطبی (quadric-polar) به جای خطوط تک قطبی (mono-polar) را تشویق می‌کند، زیرا وجود رساناهای با قطبیت‌های مخالف، چگالی کلی میدان الکتریکی در سطح زمین را کاهش می‌دهد.

جدول ۱. مثال‌های منابع طبیعی و مصنوعی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی

اثرهای میدان مغناطیسی

به همین ترتیب و به دلایل نگرانی‌های زیست‌محیطی و بیولوژیکی برای بدن انسان، میدان مغناطیسی وابسته به یک خط انتقال HVDC مورد مطالعه قرار گرفته است. مطالعات نشان می‌دهد که میدان مغناطیسی اثر محسوسی بر بدن انسان ندارد. در مقابل، این پدیده فیزیکی بر روی انواع خاصی از ماشین‌های انسانی تأثیرات مهمی دارد. مورد شناخته‌شده، اختلال‌هایی است که برای سیستم‌های قطب‌نما (magnetic compass) نصب شده بر روی کشتی‌ها اندازه‌گیری شده، когда آن‌ها به یک خط انتقال HVDC زیر دریایی نزدیک می‌شوند [9][10].

اختلالات رادیو/تلویزیون:

در اینجا نیز برای اختلال رادیویی ناشی از خطوط انتقال برق، فناوری HVDC همچنان بر فناوری HVAC ترجیح داده می‌شود. این به این دلیل است که برای رساناهای HVDC، نتیجه دشارژ کورونا در اطراف آن‌ها تنها توسط رساناهای با قطبیت مثبت تولید می‌شود، بنابراین این رساناها هستند که اختلال رادیویی را تولید می‌کنند. این امر استفاده از خطوط انتقال HVDC دو قطبی و حتی چهار قطبی را تشویق می‌کند که امکان افزایش قابل توجه توان انتقالی را بدون افزایش اختلال‌ها فراهم می‌کند. این موضوع برای فناوری انتقال HVAC قابل اعمال نیست، زیرا تمام رساناهای انتقال منابع اختلال هستند و افزایش تعداد رساناها حتمًا این اختلال‌ها را افزایش می‌دهد.

اختلالات فرکانس رادیویی تولید شده توسط رساناهای انتقال برق همچنین تحت شرایط آب و هوایی قرار دارند. در واقع، آب و هوای بارانی بر روی رساناهای انتقال HVDC و HVAC به طور متفاوتی تأثیر می‌گذارد، زیرا باعث افزایش حدود ۱۰ دسی‌بل (dB) در اختلال رادیویی تولید شده توسط رساناهای یک خط انتقال HVAC می‌شود. با این حال، برای رساناهای یک خط HVDC، اختلال رادیویی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، به شرطی که گرادیان ولتاژ سطح (surface voltage gradient) ۲۵ کیلوولت بر سانتی‌متر (kV/cm) فراهم شود.

در شرایط عادی و برای انتقال برابر ظرفیت رساناها و حداکثر سطوح شدت میدان الکتریکی روی سطوح آن‌ها، سطح اختلال رادیویی خطوط HVDC معمولاً ۶ تا ۸ دسی‌بل (dB) کمتر از خطوط HVAC است [11].

با این حال، برای خط انتقال HVDC، حالت‌های سوئیچینگ مبدل‌ها (converters’ switching modes) باعث اختلال در نواحی kHz و MHz محدوده اختلال می‌شوند. راه‌حل اصلی این مسئله، معرفی یک ماسک‌گذاری (shielding) مناسب برای شیرها (valves) بوده است که مقدار این اختلال‌ها را به حداقل می‌رساند و اختلال رادیویی خط HVDC را با راه‌حل‌های AC قابل مقایسه می‌سازد [15].

صدای شنیداری (Audible noise):

صدای شنیداری یک مسئله به راحتی درک‌پذیر توسط هر بدن انسانی است. بنابراین، طراحان خطوط انتقال برق با دغدغه فراوان با پارامترهای کنترل چنین مسئله‌ای برای هر دو خطوط هوازی و زیرایستگاه‌ها سر و کار دارند. با این حال، روش‌های مورد استفاده برای کاهش صدا از این منابع الکتریکی هزینه‌بر هستند. به عنوان یک قاعده استاندارد، صدا از خطوط انتقال نباید در مناطق مسکونی از ۵۰ دسی‌بل (dB) در طول روز یا ۴۰ دسی‌بل در شب فراتر رود.

برای سیستم‌های HVDC، منابع اصلی صداهای شنیداری زیرایستگاه‌ها و رساناهای انتقال هستند. زیرایستگاه‌ها شامل ترانسفورماتورهای مبدل (converter-transformers) هستند که اصلی‌ترین منابع صداهای شنیداری محسوب می‌شوند. این دستگاه‌ها به طور کلی توسط صفحات (screens) احاطه شده‌اند که یک محدودسازی موثر از سطوح صدایی را که از زیرایستگاه‌ها خارج شده و محیط را آلوده می‌کنند، فراهم می‌کنند. از سوی دیگر، خطوط انتقال صدای پهناباند (broadband noise) تولید می‌کنند که بر فراز فرکانس‌های بالا گسترش می‌یابد. صدا ناشی از خطوط انتقال برق در آب و هوای صاف رایج‌تر است. سطوح صدای شنیداری تولید شده توسط رساناهای خط HVDC معمولاً در حین آب و هوای بد کاهش می‌یابد که کاملاً حالت مخالف خطوط انتقال AC است، زیرا برای آن‌ها به شدت افزایش می‌یابد.

در مورد خطوط انتقال HVDC زیرزمینی و زیر دریایی، هیچ صدای شنیداری درک‌پذیری وجود ندارد. مسئله اصلی برای خطوط انتقال هوازی در طول آب و هوای مه‌آلود پیش می‌آید.

نتیجهاً، محدودیت‌هایی بر روی ساخت و ساز ساختمان‌ها در نزدیکی خطوط انتقال و زیرایستگاه‌های آن‌ها اعمال می‌شود. مطالعات و اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند که صدای شنیداری مستقیماً با سطوح ولتاژ خط، مشخصات فنی خط و وضعیت اقلیمی مناطق از których خط انتقال برق می‌گذرد، مرتبط است [16].

مزایای اقتصادی HVDC

با وجود اثرات زیست‌محیطیِ شناخته‌شده که قبلاً مورد بحث قرار گرفتند، اجرای عملی هر راه‌حل تکنولوژیکی (در اینجا HVDC) مستقیماً به پارامترها و مزایای اقتصادی که ارائه می‌دهد، مرتبط است.

هزینه‌ها در خطوط انتقال برق

همانطور که شکل ۶ نشان می‌دهد، احداث هر خط انتقال برق، چه با فناوری HVDC و چه با HVAC، هزینه‌هایی در پی دارد. هزینه‌های اصلی شامل مواد مصرفی (کابل‌ها، برج‌ها، تجهیزات الکترونیکی)، عملیات مهندسی (نصب و راه‌اندازی) و عملیات عمرانی (کارهای ساختمانی) هستند. هزینه‌های فرعی دیگری نیز وجود دارد که اندکتر هستند؛ از جمله تحقیقات و بیمه پروژه و خط انتقال.

شکل ۶. توزیع درصدی هزینه‌ها مربوط به انواع مختلف کارها و خدمات

در ادامه، مقایسه‌های اقتصادی بین خطوط انتقال قابل مقیاس‌بندی در فناوری‌های HVDC و HVAC ارائه شده‌اند.

• مواد مصرفی:

  تجهیزات الکترونیکی پرهزینه‌ترین بخش در نصب یک خط انتقال برق هستند (حدود ۶۳٪). در عین حال، پایانه‌های یک اتصال HVAC ارزان‌تر از ایستگاه‌های مبدل در دو طرف یک خط انتقال HVDC هستند. همچنین، اتصالات HVAC در مسافت‌های طولانی، باعث افزایش اندوکتانس‌ها و خازن‌های متقابل می‌شوند که ویژگی‌های جریان متناوب هستند. این دو پدیده، همراه با تلفات در خطوط بلند، نیاز به احداث ایستگاه‌های سوئیچینگ میانی را برای حفظ سطوح ولتاژ و جبران توان راکتیو ایجاد می‌کنند. شکل ۷ نیز تفکیک تقریبی هزینه خط بین هزینه‌های ایستگاه‌های پایانی و سایر عملیات اجرایی را برای هر دو فناوری HVDC و HVAC نشان می‌دهد [۱۷].

شکل ۷. جداسازی هزینه خط بین ایستگاه‌های پایانی و سایر کارها برای فناوری‌های HVDC و HVAC

شکل ۷ همچنین نشان می‌دهد که با افزایش مسافت خط انتقال، مزیت تکنولوژی HVDC آشکارتر می‌شود [۱۸]. مسافت دقیقی که از آن به بعد فناوری HVDC ترجیح داده می‌شود، به پارامترهای متعددی بستگی دارد؛ این مسافت «مسافت سر به سر» نامیده می‌شود.

کابل‌ها نیز پارامتر مهمی هستند که بر تعادل کلی تأثیر می‌گذارند. در واقع، فناوری HVDC از کابل‌های بسیار پیشرفته‌تری استفاده می‌کند که به همین دلیل بسیار گران‌تر هستند، اما خوشبختانه تعداد کابل‌ها برای یک خط انتقال HVDC قابل مقایسه، حداقل به اندازه یک‌سوم خط HVAC کاهش می‌یابد. در ابتدای پروژه‌های HVDC، از اتصالات تک‌قطبی استفاده می‌شد. با این حال، پروژه‌های جدید از خطوط دوقطبی استفاده می‌کنند؛ بدین ترتیب با همان تعداد کابل می‌توان دو برابر توان را منتقل کرد.

برج‌هایی که کابل‌ها را نگه می‌دارند، در خطوط انتقال HVDC دارای ساختار کوچک‌تری هستند که باعث کوتاه‌تر، سبک‌تر و در نتیجه بسیار ارزان‌تر بودن آن‌ها نسبت به برج‌های مورد استفاده در فناوری HVAC می‌شود [۱۱].

• عملیات مهندسی:

  عملیات مهندسی کلید تمام مراحل فنی نصب ایستگاه‌های مبدل در انتهای خط، مسیر کابل‌کشی و انجام آزمایش‌ها و تأیید صحت اتصال است. این بخش، بالغ بر ۱۰ درصد از کل هزینه‌های خط انتقال را به خود اختصاص می‌دهد.

  نصب خطوط انتقال HVDC نیازمند نیروی کار فنی تخصصی‌تر است، زیرا از یک سو فناوری‌های الکترونیکی مورد استفاده در این نوع نصب جدیدترین هستند و از سوی دیگر هر خط جدید HVDC با فناوری‌های خاص خود مانند انواع کابل‌ها، پیکربندی شیرها و غیره مشخص می‌شود. این امر هزینه‌های بیشتری را در مقایسه با خط انتقال HVAC که فناوری‌هایش مدت‌هاست به بلوغ رسیده، به همراه دارد. با این حال، این هزینه‌های اضافی توسط کارهای کاهش‌یافته‌ای که برای یک خط HVDC در مقایسه با یک خط HVAC لازم است، جبران می‌شود. در هر دو حالت، باید «مسافت سر به سر» برای یک خط انتقال برق خاص تعیین شود.

• عملیات عمرانی مهندسی:

  کارهای عمرانی بخش مهمی از اجرای خط انتقال برق هستند. این بخش با حدود ۱۴ درصد از کل هزینه‌های اجرای خط، دومین بخش هزینه‌ها را تشکیل می‌دهد. کارهای عمرانی شامل مطالعه و بهینه‌سازی مسیر، نصب برج‌ها برای اتصالات هوایی، حفر خندق‌ها و آماده‌سازی آن‌ها برای بخش‌های زمینی خط و حتی کار در بستر دریا برای اتصالات زیرآبی می‌شود. مطالعه اولیه، نوع اتصال مناسب را برای هر نوع زمین مانند دشت‌ها، فلات‌ها، کوه‌ها، دریاچه‌ها و دریاها مشخص می‌کند.

شکل ۸. هزینه خطوط برق HVDC و HVAC بر اساس مسافت انتقال

بررسی هزینه‌ای یک خط انتقال برق، هزینه‌های اجرایی در تکنولوژی‌های HVDC و HVAC را مقایسه می‌کند. معمولاً از مفهوم «مسافت سر به سر»، که در شکل ۸ نشان داده شده، برای ترجیح یک تکنولوژی بر دیگری استفاده می‌شود [۱۷].

علاوه بر دلایل اقتصادی، دلایل فنی نیز برای ایجاد توازن بین فناوری‌های HVDC و HVAC مهم هستند. در واقع، فناوری HVDC به دلیل بهبود عملی پایداری شبکه و امکان اتصال بین شبکه‌های HVAC با فرکانس‌های عملیاتی مختلف شناخته شده است.

وضعیت فعلی و پروژه‌های نهایی شده

با وجود اینکه الجزایر یک کشور نفتی است، آگاهی سیاسی، اقتصادی و حتی عمومی نسبت به مسائل انرژی جهانی در آن به وضوح دیده می‌شود. این آگاهی در واقعیتی نمود پیدا می‌کند که اهمیت اشکال جدید به اصطلاح تولید انرژی تجدیدپذیر در آن درک می‌شود. حتی در سطح عمومی، مردم آمادگی پذیرش یکپارچه‌سازی این انرژی‌ها در زندگی روزمره را دارند. در سطح کلان، برنامه‌های پی‌درپی دولتی تلاش می‌کنند تا با تلاش‌های جهانی در این زمینه هماهنگ شوند. در نتیجه، در ۱۵ سال گذشته پروژه‌هایی با موفقیت به اجرا درآمده‌اند.

جدول ۲ و شکل ۹ مروری بر این پروژه‌ها، ارائه می‌دهند، اطلاعاتی درباره هر یک و موقعیت آن‌ها در سرزمین کشور را مشخص می‌کنند.

جدول ۲. نیروگاه‌های خورشیدی الجزایر و ظرفیت‌های آن‌ها

شکل ۹. موقعیت‌یابی نیروگاه‌های خورشیدی الجزایر

بررسی ایستگاه‌های تولید برق خورشیدی در صحرای الجزایر

می‌توانیم ببینیم که ۱۰ ایستگاه از مجموع ۲۲ ایستگاه در مناطق دور از مرکز و مرزهای صحرای الجزایر قرار گرفته‌اند. شکل ۱۰، نمونه‌های دو نوع ایستگاه تولید برق خورشیدی را به نمایش می‌گذارد: یک ایستگاه فتوولتائیک (PV) در منطقه Oued‑Elkebrit در شمال و یک ایستگاه انرژی خورشیدی متمرکز (CSP) در منطقه Adrar در جنوب.

شکل ۱۰: ایستگاه فتوولتائیک (PV) در Oued‑Elkebrit و ایستگاه CSP در Adrar.

علاوه بر این، دولت الجزایر با هدف دگرگون‌سازی جایگاه این کشور از یک تولیدکننده و صادرکننده نفت به یک تولیدکننده و صادرکننده انرژی خورشیدی، برنامه‌های گسترده‌ای را در پیش گرفته است. در سال ۲۰۱۹، ظرفیت تولید برق این کشور به ۲۱.۲ گیگاوات رسید که تنها ۳۰۵ مگاوات از آن مربوط به منابع خورشیدی بود. برنامه‌های جمهوری الجزایر پیش‌بینی می‌کند که تولید برق از منابع تجدیدپذیر تا سال ۲۰۳۰ به ۲۲ گیگاوات برسد. این طرح‌ها بر راه‌اندازی نیروگاه‌های بزرگ خورشیدی متمرکز (شامل هم ایستگاه‌های PV و هم CSP) در مناطق بشار، تیمیمون، غردایه و حسی‑مسعود متمرکز شده‌اند. فاصله متوسط این مناطق تا نواحی شمالی پرجمعیت و صنعتی حدود ۸۰۰ کیلومتر است، امری که ضرورت استفاده از راهکارهای انتقال HVDC را به طور اجتناب‌ناپذیری تقویت می‌کند.

پرسش‌های متداول

فناوری HVDC چیست؟

فناوری HVDC برای انتقال برق جریان مستقیم با ولتاژ بالا استفاده می‌شود.

چرا الجزایر به HVDC نیاز دارد؟

چون بسیاری از نیروگاه‌های خورشیدی در جنوب کشور قرار دارند و HVDC بهترین روش برای انتقال برق به شمال است.

مزایای HVDC چیست؟

HVDC هزینه کمتری برای انتقال برق در مسافت‌های طولانی دارد و تلفات آن نسبت به HVAC کمتر است.

منبع: powerquality.blog