HVDC (High Voltage Direct Current), neboli vysokonapěťový stejnosměrný proud, je technologie používaná pro přenos velkého množství pomocí stejnosměrného proudu (na rozdíl od HVAC systémů, které pracují s proudem střídavým). Je to technologie, která hraje klíčovou roli nejen v celkovém energetickém sektoru, ale také v oblasti obnovitelných zdrojů energie, včetně fotovoltaických elektráren.

Co je HVDC?

HVDC je metoda přenosu elektrické energie pomocí vysokého napětí stejnosměrného proudu. Oproti běžně používanému střídavému proudu (AC) má několik výhod, zejména pokud jde o dlouhé vzdálenosti a propojení různých energetických systémů.

V AC přenosu se směr napětí a proudu neustále mění, což způsobuje přehřívání vedení a tím i významné ztráty energie. Na rozdíl od AC přenosu proud a napětí v DC přenosu tečou pouze jedním směrem. Když tedy přeměníme HVAC na HVDC, pozorujeme významné snížení ztrát energie, a tím i zvýšení účinnosti přenosových vedení.

HVDC přenosový systém je kombinací AC a DC systému. Nejprve se generované AC napětí na vysílacím konci přemění na DC, a když dorazí na přijímací konec, DC se opět přemění na AC pro distribuční účely. K provedení tohoto procesu potřebujeme na obou koncích přenosového vedení konverzní zařízení. Přenos HVDC je však ekonomický pouze pro přenos na dlouhé vzdálenosti; nadzemní vedení delší než 600 km a podzemní kabely delší než 50 km.

Součásti HVDC systému

• Měnič – převádí střídavý proud na stejnosměrný a stejnosměrný proud na střídavý. Skládá se z usměrňovačů a střídačů.
  • Usměrňovač – zařízení, které převádí střídavý proud na stejnosměrný proud, který teče pouze jedním směrem.
  • Střídač – zařízení, které převádí stejnosměrný proud na střídavý proud.
• Elektrody – vodiče, které se používají k připojení systému k zemi.
• Vyhlazovací reaktory – vyhlazovací reaktory se skládají z induktorů spojených do série s pólovým vedením každé měničové stanice. Zabraňují komutačním poruchám střídačů, snižují harmonické zkreslení a zabraňují přerušení proudu.
• DC vedení – kabely nebo nadzemní vedení, která přenášejí energii.
• Harmonické filtry – používají se k minimalizaci harmonických složek ve napětí a proudech měničů.
• Dodávky jalového výkonu – měniče na koncových stanicích spotřebovávají jalový výkon z napájení, proto se používají paralelní kondenzátory k zajištění této kompenzace jalového výkonu.
• Střídavý jistič – používá se pro elektrickou bezpečnost, například při poruše transformátorů nebo při odpojení stejnosměrného vedení.

Jak funguje HVDC přenosový systém?

V generovací stanici je vyráběn střídavý proud (AC), který je pomocí usměrňovače přeměněn na stejnosměrný proud (DC). DC proud pak protéká nadzemním vedením a na uživatelském konci je opět přeměněn na AC pomocí střídačů, přičemž AC je následně dodáváno do zátěže (do zařízení nebo spotřebičů). Usměrňovače a střídače jsou umístěny ve měničových stanicích na vysílacích a přijímacích koncích.

Když DC proud protéká nadzemními vedeními, vstupní výkon je roven výstupnímu výkonu, což snižuje ztráty a zlepšuje účinnost.

Schéma výše ukazuje dvě měničové stanice a jedno přenosové vedení, tento typ systému je známý jako „bod-bod systém“ nebo „dvouterminálový DC systém“. Pokud je v podstanici více než dva měniče a propojené DC terminálové vedení, nazývá se to „vícetermínálová DC podstanice“.

Typy HVDC spojů

HVDC spoje se používají pro propojení dvou sítí nebo systémů. Jsou rozděleny do tří typů:

• Monopolární spoj –  mono znamená “jeden”, takže má pouze jeden vodič negativní polarity a návratovou cestu zajišťuje země a moře. Provoz s negativní polaritou vůči zemi snižuje korónové ztráty a rádiové rušení na vedení. Monopolární spoje se skládají ze dvou měničů umístěných na konci každého pólu spolu se zemními elektrodami připojenými k měničům. Ty jsou umístěny přibližně 15 až 55 km od příslušných terminálových stanic. Monopolární HVDC spoje byly používány pouze pro nízké výkonové hodnocení a hlavně pro kabelové přenosy, ale nyní se často nepoužívají kvůli několika nevýhodám.
• Bipolární spoj – bipolární spoj má dva vodiče, jeden je pozitivní a jeden negativní vůči zemi. Také se skládá z měničové stanice na každém konci a elektrod připojených ve středních bodech měničové stanice pro uzemnění, což umožňuje nezávislý provoz každého pólu. Navíc, pokud jakýkoli bipolární spoj přestane fungovat, spoj se automaticky přepne do monopolárního režimu díky návratovému systému přes zem; v důsledku toho polovina systému pokračuje v dodávce energie. Bipolární spoj je široce používán pro dlouhodobé HVDC přenosy.
• Homopolární spoj – homopolární spoj se skládá ze dvou vodičů stejné polarity, obvykle negativní, a vždy používá zemi jako návratový vodič. Protože jsou póly v tomto spoji provozovány paralelně, snižuje to náklady na instalaci. Tento typ spoje má omezené aplikace a je velmi komplikovaný. Proto se v současnosti nepoužívá.

Porovnání HVDC a HVAC přenosu

Výhody a nevýhody HVDC přenosu

• Výhody – HVDC přenos vyžaduje méně vodičů a izolátorů, což snižuje náklady na celý systém. Vyžaduje menší vzdálenosti mezi fázemi a menší vzdálenosti mezi zemí a vodiči. Stožáry pro HVDC přenos jsou levnější. Korónové ztráty u HVDC přenosu jsou nižší ve srovnání se ztrátami u přenosových vedení HVAC. Pro přenos energie je použito méně vedení, což snižuje ztráty energie. HVDC systém využívá návrat proudu přes zem v případě poruchy na jednom pólu. Pól s návratem přes zem se chová jako nezávislý obvod, čímž se zvyšuje flexibilita systému. HVDC systém se používá pro propojení dvou podstanic s různými frekvencemi. Má asynchronní spojení mezi dvěma AC stanicemi propojenými HVDC spojem; tím je přenos energie nezávislý na frekvencích vysílacího a přijímacího konce. Vzhledem k absenci frekvence v HVDC vedeních se v systému nevyskytuje proximity a skin efekt. Kompenzace jalového výkonu není potřebná, protože nedochází k žádné generaci ani absorpci jalového výkonu. Energie proudící přes DC spoj je velmi přesná a bezztrátová.
• Nevýhody – kvůli instalaci konvertorové podstanice na obou koncích se převod z AC na DC a naopak stává poměrně drahým. Usměrňovače a střídače produkují harmonické zkreslení, které je redukováno pomocí aktivních filtrů, což zvyšuje náklady na systém. HVDC podstanice má riziko výpadku energie, pokud dojde k poruše v blízké AC podstanici. Přetěžovací kapacita střídačů používaných v konvertorových podstanicích je omezená. Jističe používané v HVDC jsou velmi drahé. Transformátory pro změnu úrovní napětí nejsou dostupné. V konvertorových podstanicích dochází ke ztrátám tepla. HVDC spoj je také velmi komplikovaný.

Je HVDC lepší než HVAC?

S ohledem na výhody HVDC přenosového systému můžeme říci, že je ekonomičtější používat HVDC než HVAC, ale existuje několik nevýhod, které bychom měli zvážit, jako jsou vysoké počáteční náklady na HVDC podstanici a její složitost.

HVDC systém je proto mnohdy upřednostňován před HVAC systémem pouze na dlouhé vzdálenosti, kde je energie generována ve formě AC a poté je pro přenos přeměněna na DC, a na přijímacím konci je opět přeměněna zpět na AC pro konečné použití. Tím můžeme učinit přenosový systém ekonomičtějším a zlepšit jeho účinnost.

Výhody HVDC pro fotovoltaiku

1. Efektivní přenos na dlouhé vzdálenosti – HVDC umožňuje efektivní přenos elektrické energie na dlouhé vzdálenosti s menšími ztrátami než střídavý proud. To je výhodné pro přenos energie z fotovoltaických elektráren umístěných na vzdálených místech.
2. Stabilita a spolehlivost – HVDC systémy jsou méně náchylné na výkyvy napětí a frekvence, což zajišťuje stabilnější dodávku elektrické energie. To je důležité pro integraci obnovitelných zdrojů, které mohou být nestabilní v důsledku proměnlivých povětrnostních podmínek.
3. Propojení různých energetických systémů – HVDC umožňuje propojení elektrických sítí, které používají různé frekvence nebo jsou izolovány od sebe. Tím se zvyšuje flexibilita a robustnost energetických sítí.

Využití HVDC ve fotovoltaických systémech

Fotovoltaické panely produkují stejnosměrný proud, který je třeba převést na střídavý proud pomocí měničů (inverterů), aby mohl být použit v domácnostech nebo distribuován do elektrické sítě. HVDC může být využito při přenosu této energie z míst výroby (např. solárních farem) do míst spotřeby (města, průmyslové oblasti) s minimálními ztrátami.

Praktický příklad: Představte si velkou solární farmu v poušti, kde jsou podmínky pro výrobu solární energie ideální. Tato farma může využít HVDC k přenosu vyrobené elektřiny do vzdálených měst, kde je vysoká poptávka po energii, bez výrazných ztrát energie během přenosu.

Budoucnost HVDC

S rostoucím zájmem o obnovitelné zdroje energie a nutností efektivního přenosu elektřiny na dlouhé vzdálenosti bude technologie HVDC hrát stále důležitější roli. Vývoj nových materiálů a technologií může dále zvýšit efektivitu a snížit náklady na implementaci HVDC systémů, což přispěje k širšímu využití této technologie v globálním energetickém mixu.