Store dimensjoner: Bildet viser vertikale kjeder av sammenkoblede tyristorer. Avhengig av kapasitetsbehov parallellkobler man mange slike kjeder.
Store dimensjoner: Bildet viser vertikale kjeder av sammenkoblede tyristorer. Avhengig av kapasitetsbehov parallellkobler man mange slike kjeder. (Bilde: Gustav Mårtensson/ABB)

High Voltage Direct Current (HVDC)

Hvordan flytte mye strøm veldig langt? Svaret er i økende grad likestrøm

Edisons revansj.

Det store spørsmålet elektroingeniørene alltid må løse er hvordan de best overfører strømmen fra generatoren til der den skal brukes.

Det var også utgangspunktet for det som har fått navnet den store strømkrigen på 1880- og 90-tallet. Thomas Edison kjempet for likestrøm, direct current (DC), mens geniet Nicola Tesla og George Westinghouse slåss for vekselstrøm, alternating current (AC).

Edison hadde bygd ut DC-basert kraftforsyning i New York, men han kunne ikke overføre den lavspente strømmen langt. Derfor bygget han forurensende kullbaserte kraftstasjoner med noen kvartalers mellomrom.

Westinghouse derimot kunne overføre AC lange distanser. Han brukte høyspentledninger og transformerte ned strømmen til lav spenning der den skulle brukes, slik det er i dag.

AC til forbruk

På starten av 1900-tallet hadde AC vunnet. Til og med Edison og selskapet hans, som vi i dag kjenner som General Electric, hadde erkjent det.

Thomas Edison hadde bygget ut DC-basert kraftforsyning i New York, men han kunne ikke overføre den lavspente strømmen langt.
Thomas Edison hadde bygget ut DC-basert kraftforsyning i New York, men han kunne ikke overføre den lavspente strømmen langt.

Men det var investert mye i DC, så løsningen ble å erstatte kraftstasjonene med høyspent overført AC. Den drev vekselstrømsmotorer mekanisk koblet til likestrømsgeneratorer som leverte den lavspente likestrømmen anleggene var bygget for.

I dag er likestrømmen borte på forbrukersiden, men tilbake på overføringssiden – som var det viktige argumentet for AC for over 100 år siden. Det har skjedd på tross av at strømmen genereres som AC og forbrukes som AC.

Dette betyr ikke at DC vil overta all overføring, hverken på kort eller lang sikt, men den teknologiske utviklingen rundt teknologien har utløst mange fordeler AC ikke kan konkurrere med.

Spørsmålet blir stadig viktigere fordi det kan være lang avstand fra der energien genereres til der den forbrukes. I Norge gjelder det fra våre vannkraftverk til eksportmarkedet på kontinentet og i Storbritannia. Det kan også være en måte å flytte store energimengder fra vindkraftverk i Nord-Norge til forbrukere i Sør-Norge.

I større skala er det tenkelig å flytte solkraft fra Sahara til Europa ved bruk av likestrømskabler under vann. Det andre alternativet er å produsere hydrogen og flytte den på tankskip, men da går rundt halvparten av energien til spille før den er regenerert som strøm.

Den reaktive effekten

AC har et problem det ikke er enkelt å komme rundt; den reaktive effekten.

En litt grov analogi til dette er en vannslange med masse små hull. Er den kort betyr ikke de små tapene mye, men er det en lang slange kan det meste av vannet lekke ut før noe nyttig vann kommer frem.

Den reaktive effekten kommer av kapasitansen i kabelen og frekvensen. Jo høyere frekvens, jo høyere reaktive tap.

Reaktiv effekt er generelt en stor utfordring ved AC, og krever at hele nettet balanseres ved bruk av spoler og kondensatorer. I lange AC-linjer kan det være nødvendig å kompensere for slike tap langs linjen.

Likestrøm har ingen frekvens og derfor heller ikke slike tap. Her er det bare aktivt tap som skyldes resistans. Dette er tap som heller ikke AC slipper unna. Faktisk er tapene enda større med AC fordi både aktiv og reaktiv effektflyt bidrar til tap.

Startkostnader

Pris er alltid en viktig parameter når det skal gjøres store investeringer i infrastruktur. Noe som driver opp prisen på HVDC (high voltage direct current) er de store anleggene, like- og vekselretting på hver side av linjene.

Slike anlegg kan være en stor del av hele investeringen i en ny linje, og begrenser hvor økonomiske de er på kortere strekninger.

Moderne halvlederteknologi har bidratt sterkt til å gjøre HVDC praktisk. Her snakker vi ikke om halvledere vi kjenner fra datamaskiner, men svære anlegg som kan behandle effekter på et stort antall gigawatt.

Tyristoren er den viktige komponenten, spesielt ved ekstreme spenninger. Den minner litt om en diode, som bare leder strøm en vei. En tyristor leder også strøm den ene veien, men bare når den påvirkes av en styrestrøm. Det er enorme tyristoranlegg som tar imot strøm fra transformatoren og som sørger for at den blir til likestrøm som overføres. På mottakersiden fungerer de som vekselrettere og lager vekselstrøm som transformeres til ønsket spenning.

En teknologi som ABB kaller HVDC Light bruker en annen og mer avansert halvlederteknologi enn tyristorer som gir mer presis styring av likeretting og vekselretting. Den kalles IGBT – Insulated-gate bipolar transistor og kan brukes til å forbedre egenskapene til likestrømsanlegget.

  • Hvordan virker: DAB+

Overføring

I Norge: Slik tenker man seg hvordan en UHVDC-stasjon kan se ut i Norge. Vekselstrømmen kommer inn i tre faser på hver sin ledning fra høyre. I stasjonen blir strømmen omformet til høyspent likestrøm og overføres videre på to ledere til venstre.
I Norge: Slik tenker man seg hvordan en UHVDC-stasjon kan se ut i Norge. Vekselstrømmen kommer inn i tre faser på hver sin ledning fra høyre. I stasjonen blir strømmen omformet til høyspent likestrøm og overføres videre på to ledere til venstre.

De store innvesteringene i hver ende vil alltid gjøre det billigere å bygge ut kortere linjer med AC, men selv AC-linjer kan kreve ekstra investeringer for å kompensere for reaktiv effekt.

I sentralnettet brukes SVC-stasjoner (anlegg for å kompensere reaktiv effekt og gi spenningsstøtte) og i noen tilfeller seriekondensatorer, og for lange kabler som skal føre AC under vann må det i de fleste tilfeller bygges SVC-stasjoner for å håndtere den høye reaktive effekten som oppstår.

DC krever store investeringer i endepunktene mens selve linjen er billigere å bygge ut. Derfor kreves det en viss linjelengde og energistrøm før DC lønner seg.

Mens AC overføres i trefase, som krever tre ledere, klarer DC seg med to. Siden prisen på kabelen er betydelig, ligger det store innsparinger her. Bruken av bare to ledere over land gjør også mastene mindre og kraftgatene smalere enn ved AC.

Ved svært høye spenninger er det nødvendig å skille luftisolerte ledere i distanse for ikke å få overslag. Da kan avstanden mellom dem, og derfor arealbehovet til hele linjen, bli betydelig.

Det å koble sammen to eller flere AC-nett er ikke enkelt. Skal man ta inn en kraftkilde må frekvensen synkroniseres så den er i fase med nettet den skal kobles til. Det er ikke et problem når strømmen overføres med DC. Her lager man akkurat den frekvensen og fasen man trenger ved tilkoblingspunktet til AC-nettet.

Spesielt når strømmen skal overføres mellom ulike land hvor de AC-baserte nettene kan variere i kvalitet og egenskaper, løser en likestrømsforbindelse problemene.

UHVDC

Når spenningen er 800 kV og mer betegnes de gjerne som Ultra HVDC. Når vi sammenlikner det norske sentralnettet som bruker AC opptil 420 kV med DC-linjene som nå bygges ut i Kina er det en viss forskjell.

ABB har fått en kontrakt til å bygge en 3000 km lang linje som vil operere på 1100 kV og som kan overføre 12 GW. Det er litt under halvparten av det største forbruket som noen gang er målt i Norge på 26,6 GW. Den totale installerte effekten vår er på litt over 30 GW.

Lange AC-kabler under vann har en utfordring med den høye reaktive effekten. Den lengste undersjøiske vekselstrømkabelen i verden er strømforsyningen til Martin Linge-feltet som er på rundt 17 mil. Men den er på beskjeden effekt.

De virkelig store effektene på havbunnen bruker likestrøm. De siste kablene til Danmark og Nederland og de nye som er under planlegging til Tyskland og Storbritannia er basert på likestrøm.

Den kommende Tysklandsforbindelsen er på 500 km. Den skal ha en driftsspenning på 525 kV og vil overføre opptil 1,4 GW.

Bedre virkningsgrad

Svære saker: Her ser vi en av transformatorene som trengs i et UHVDC-anlegg for å endre spenningen på vekselstrømmen. Dette er en enfase transformator og det trengs tre slike. Bildet er tatt under spenningstest i fabrikk med påmonterte gjennomføringer for tilkobling av prøvespenning.
Svære saker: Her ser vi en av transformatorene som trengs i et UHVDC-anlegg for å endre spenningen på vekselstrømmen. Dette er en enfase transformator og det trengs tre slike. Bildet er tatt under spenningstest i fabrikk med påmonterte gjennomføringer for tilkobling av prøvespenning.

Konverteringen til og fra likestrøm vil alltid belaste virkningsgraden til en HVDC-system. Før måtte man regne med mellom 1,5 og 2 prosent tap i hver av de to stasjonene, men i dag er dette kommet ned i under 1 prosent.

På korte distanser vil prisen på stasjonene og tapene favorisere AC, men jo lenger kabelen er, og jo høyere effekt som skal overføres vil DC være billigere. Spesielt gjelder dette under vann hvor tapene i en AC-kabel i form av varmeutvikling i lederen og eventuelt induserte tap i armering, blir mye høyere enn ved luftstrekk.

Hvor store tapene skal være i en høyspentlinje eller i en kabel bestemmes av mange faktorer og er en antakelse av forholdene i minst 20 år fremover. Tapene kan reduseres ved å gå opp i tverrsnitt. En kabel på 500 kvadratmillimeter kan for eksempel ha åtte prosent tap, mens en dyrere kabel på 800 kvadratmillimeter kan ha et tap på fem prosent.

Større marked og teknologiutvikling gir lavere priser på likestrømanlegg, men vekselstrømsoverføringer utvikler seg også. Det kan se ut som DC tar mer av markedet for overføring av strøm på lange strekninger fra der fornybar kraft genereres til der den skal brukes.

Bruk av halvledere i overføringsnettet til transport av sol og vindkraft kan være gunstig i egenskap av hurtig regulering ved endring av overført effekt.

Hovedkilde: Leder for HVDC i ABB i Norge, Øistein Martinsen

Kommentarer (29)

Kommentarer (29)