Yüksek Gerilim DC \(HVDC\) Iletimindeki Gelismeler

YÜKSEK GERİLİM DC (HVDC) İLETİMİNDEKİ GELİŞMELER VE
KKTC İÇİN UYGULAMA OLASILIKLARI
Özgür Cemal Özerdem
Yakın Doğu Üniversitesi, Elekrtik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
oozerdem@neu.edu.tr
ÖZETÇE
DC yüksek gerilim teknikleri dünyada geniş
uygulama alanlarıyla kendisini kabul ettirmiştir.
Bilindiği gibi bir güç hattında HVDC kullanmak
çoğu zaman en iyi ve ekonomik alternatif olmanın
yanında çevre açısından da çok fayda sağlar. HVDC
sistemi ile güç akışı hızlı ve hassas olarak hem güç
seviyesi hem de yön olarak kontrol edilebilir. Diğer
yandan yeni AC iletim hatlarının kurulmasının güç
veya imkansız olduğu bölgelerde mevcut mevcut
dağıtım sisteminin kapasitesi AC hatları HVDCye
çevrilerek
çok
etkili
bir
biçimde
yükseltilebilir.Günümüzün çok önemli diğer bir
konusu ise düşük Dc hat yaratmak ve küçük ölçekli
DG (genelde asenkron) lerin ana AC hatlarına
verilmesidir. Bu çalışma HVDC konusuna genel bir
bakış, yeni çalışmalar ve KKTC açısından
uygulanabilirliği irdelemektedir.
1. HVDC NEDİR?
Şekil 1. Tristör vanaları
i) Bir çok uygulamada konvertör istasyonları
arasında kullanılan tek hat tekniği. Bu teknikte iletim
monopolar dır ve toprak dönüş olarak kullanılır Şekil
2.
ii) Bipolar iletim yani iki hattın kullanıldığı
teknik. Burada bir hatta bir arıza olması durumunda
diğeri iletime devam edbilir Şekil 3.
HVDC (High Voltage Direct Current) Türkçe
Yüksek Gerilim Doğru Akım olarak çevrilebilir fakat
tüm dünyada HVDC bir teknik terim olarak
kullanıldığından yazıdada bu şekilde kullanılacaktır.
HVDC ile ilgili araştırmalar 1920 lerde başlamasına
karşın ilk uygulama 1954 de İsveç ile baltık
denizindeki Gotland adası arasında 20 MW lık
100kV luk 96 km lik
bir proje ile hayata
geçirilmiştir.1970 de Tristör valflarının Şekil 1
kullanılmasıyla kullanımı ivme kazanmıştır ve 1987
de şu anda dadünyanın en büyük HVDC projesi olan
Brezilyadaki 6.3 GW lık 600kV ve 800 km lik proje
hayata geçirilmiştir. HVDC dünyada şu anda 80
projeden fazla projede yaklaşık 60,000 MW lık DC
iletim için kullanılan kendini kanıtlamış bir
tekniktir[2].
Şekil 2. Monopol HVDC iletim
Üç değişik kategoride uygulanmaktadır.
i. Noktadan Noktaya İletim
Dünyadaki çoğu uygulama havai hat veya deniz
altından olmak üzere iki terminal arasındadır. İki
değişik teknik vardır:
Şekil 3. Bipolar HVDC iletim
1.
Geriden Dönüşüm İstasyonları
Bu uygulamadan dünyada birkaç tane var.
Burada Konverter ve İnverter ayni istasyon içerisinde
kurulur ve genellikle ayni veye farklı frekansa sahip
iki iletim ağını birbirine asenkron bağlamak için
kullanılır
2. Çok Terminalli İstasyonlar
İkiden çok konverter terminali gerektiren
uygulamalar. Daha kompleks bir yapı gerektirir. Ara
konverter terminalleri vardır ve dünyada şu anda
sadece bir uygulaması vardır (2000 MW Hydro
Quebec-New England).
2.4. Asenkron Bağlantı
Birbirine senkron olmayan (ayni frekansta olsa
dahi) iletim ağları arasında güç alışverişini sağlamak
için tek yol HVDC dir.
2.5. Kontrol Kolaylığı
HVDC uygulamalarının çoğunda ana kontrol
sabit güç transferine dayanır. Kontroller uygulamaya
göre değişir. Bir çok durumda DC bağlantı ana AC
sistemin performansını geliştirmek için kullanılabilir.
Günümüzün gelişmiş yarı iletken teknolojisi ve
programlanabilir kontrol cihazlarıyla DC iletim için
sonsuz kontrol seçenekleri yaratmak mümkündür.
Ayrıca PSCAD veya EMTDC gibi bazı yazılım
programlarını kullanmakda kontrol açısından
kolaylık sağlayabilir.
Konverter
istasyonu
Kontrol
devresi
iletişim
Şekil 4. HVDC Konverter istasyonu
2. NEDEN HVDC ?
DC iletimin tercih konusu olması için bazı
avantajlarının olması gerekir
bunlar aşağıda
sıralandığı gibidir.
2.1. Düşük yatırım maliyeti
DC iletim hatları AC iletim hatlarından daha
ucuza malolur, fakat HVDC AC-DC ve DC-AC
konverter istasyonları yatırımları dikkate alınmalıdır.
Tüm yatırım maliyet faktörleri incelendiğinde
görülmüştür ki Havai hatlarda 500-800km üzeri ve
Deniz Altından yaklaşık 50 km üzeri mesafeler için
HVDC çok daha avantajlıdır[3].
2.5.Çevre
Yeni ve özellikle yakıt kullanan Elektrik
Santralleri kurmak yerine mümkün olan durumlarda
mevcut fazla üretimi dağıtmak çevre açısından daha
yararlıdır. DC iletimse AC ye göre daha az
elektromanyetik
dalga
üretmesi
açısından
avantajlıdır.
3. HVDC LIGHT NEDİR?
HVDC ABB tarafından geliştirilen yeni bir DC
güç transfer sistemidir. Özellikle orta ve küçük
ölçekli üretim ve dağıtım uygulamaları için
uygundur. HVDC light birkaç MW tan 300 MW ta
kadar bir güç aralığında ± 150 kV ta kadar iletim
sağlayabilir ve üniteler paralel bağlanabilir. HVDC
light iki elemandan oluşur Şekil 6.
iKonverter istasyonları
iiBir çift kablo
2.2. Düşük Kayıplar
Ayni güç miktarı için DC iletim hatlarındaki
kayıplar istasyonlardaki kayıplar(%0.6) eklense dahi
AC iletimhatlarına göre çok düşüktür[2].
2.3. Deniz Altından İletim
Uzun mesafelerde yuksek kablo kapasitansından
kaynaklanan reaktif güç akışı maksimum iletim
mesafesini kısıtlamaktadır. DC iletimde böyle bir
sınırlama yok. İsveç Almanya arsında 250 km lik bir
HVDC kablo iletimdedir Şekil5.
Şekil 5. HVDC kablo
DC
AC2
AC1
Şekil 6. HVDC light sistemi
3.1. İstasyonlar
İstasyonlar
genelde
Voltaj
Kaynaklı
Konverterler olup IGBT yarıiletken teknolojisiyle
üretilirler. HVDC light modüler bir sistem olup belli
bazı standartlarda üretilir.Çoğu ekipman fabrika
ortamında birleştirilip istasyon için ayrılan alana
kurulur. Bu kolaylık kurulum açısından zaman
kazandırır. 65 MVA lık bir istasyon için yaklaşık 800
m2 lik bir alana ihtiyaç duyulur ve bu istasyon
yaklaşık 12 ay gibi bir sürede teslim edilebilir ve
doğal
görüntüye
adaptasyon
sağlanabilir.
İstasyonların bakımı çok azdır ve sadece AC
kesiciler ve soğutucu fan ve pompa gibi elemanlar
bakımdan geçirilir. İstasyonlar arasında iletişim
hattına ihtiyaç yoktur.[2].
3.2. Kablolar
Daha önceki uygulamalar iki tip kabloyla
yapılıyordu. Bunlar MIND (Yükyek viskoziteli yağ
ve kağıt kaplamalı), LPOF (Düşük viskoziteli yağ ve
kağıt kaplamalı)
Kablolar.
Yeni HVDC light kablolar ise polimer kabloar
ise çok yüksek mekanik esneklik ve dayanıklılığı
nedeniyle çok derin denizlere ve zorlu deniz
tabanlarına dahi serilebilir dayanıklılıktadır. Bu
polimerik madde kablonun ustüne uygulanacak güçlü
darbeler ve sürekli katlanmaya dayanıklılık
kazandırıyor. DC kablolar çift galvanize çelik
zırhlarından dolayı magnetik olmayan daha az
dayanıklı AC kablolara göre daha avantajlıdır Şekil
7. Kara uygulamalarında direkyere gömülebilirler hiç
bir korumaya ihtiyaçları yoktur. Şu amda dünyada
540 km uygulamaya sahiptirler. HVDC light
özellikle deniz aşıp adalara anakaralardan enerji
aktarımı uygulamaları için idealdir. [4].
MODULERİ
TE
DEVRE
İSTASYONL
AR
BAĞIMSIZL
IK
KABLO
spesifik
olarak
tasarlanır
Mono veya
bipolar
topraklama
var
Tristor
vanaları
standartlarda
fabrika
montajı
Monopolar
topraklama
yok
AC devre
ağlarına
bağımlı
Uzun
mesafe
AC ye bağımlı
değil
IGBT
Hafif,
esnek, çok
dayanıklı.
TABLO I. HVDC HVDC light karşılaştırması
4. YENİLENEBİLİR ENERJİ
KAYNAKLARI AÇISINDAN
HVDC’NİN ÖNEMİ
Şekil 7.HVDC light 10-600 MW derin deniz kablosu
HVDC light kabloların manyetik alanı Şekil 8
de görüldüğü gibi çok düşüktür.
Yenilenebilir enerji kaynakları veya Yaygın
(Bireysel)
Enerji
Üretimi
(DISTRIBUTED
GENERATION) DG açısından bakıldığı zaman
HVDC light çok büyük önem kazanmaktadır.
Yenilenebilir enerji veya Distributed Generation ile
yaygın enerji üretiminde depolanan veya asenkron
üretilen enerjinin şebekeye verilmesi ancak HVDC
light ile mümkündür Şekil 9.
Rüzgar, Güneş,
Doğal Yakıt,
Su Altı Akıntı
Türbinleri, v.s.
HVDC
S
E
B
E
K
E
Şekil 9. DG – HVDC bağlantısı
Şekil 8. 300 MW HVDC light kablonun manyetik alan
grafiği[4]
Convansiyonel HVDC ve HVDC
karşılaştırılacak olursa TABLO I oluşur.
ÖZELLİKLER
GÜÇ MİKTARI
HVDC
>250 MW
Moduler değil
light
HVDC
LİGHT
3-300MW
Moduler, belli
5. DÜNYADAKİ HVDC KARA KARADENİZ ve DENİZ ALTI
BAĞLANTILARI VE DİĞER
UYGULAMALAR
Dünyada mevcut tüm HVDC uygulamaları Şekil
14 de verilmiştir. Dünyadaki Kara üzerinde yapılan
en büyük HVDC iletim projelerinden biri
Brezilyadadır Şekil 10.
Yapım yılı: 1984-1987
Güç: 3150+3150 MW
DC voltaj: ±600 kV
Havai DC hat uzunluğu: 785 km + 805 km
SEÇİM nedeni: Uzun mesafe, 50/60
çevirimi[5].
Commissioning year:
Power rating:
AC Voltage:
Hz
Şekil 10. HVDC kara iletim projesi
Dünyada anakara ve ada arasında çeşitli HVDC
uygulamarı mevcutttur.
2002
330 MW
345 kV at New
Haven, 138 kV at
Shoreham
DC Voltage:
+/- 150 kV
DC current
1175 A
Length of DC cable:
2 x 40 km
Main reason for
Controlled
choosing HVDCLight:
connection for trading.
Şekil 12. Denizaltı HVDC bağlantısı
6. KUZEY KIBRIS TÜRK
CUMHURİYRTİ AÇISINDAN
HVDC ve HVDC LIGHT ÖNEMİ
Güç: 440 MW
DC Voltaj: 350 kV
Havai Hat: 430 km
Deniz altı kablo: 21 km
Şekil 11. Kara-deniz HVDC uygulaması
Denizaltı HVDC uygulamaları hızla artmaktadır
Şekil 12
KKTC deki enerji sorunlarının çözümünde
FACTS, HVDC ve HVDC light teknolojilerinin
kullanılması çok büyük önem taşımaktadır. Özellikle
Türkiyeden kablo ile enerji aktarımı gerçekleşecekse
bu bağlantının HVDC olması gerekmektedir.
Bağlantının HVDC olması:
-Asenkron çalışmadan kaynaklanacak sorunlarını
ortadan kaldıracaktır.
-FACTS teknikleri kullanılarak istenildiğinde
AC-DC-AC den AC-AC ye dönüşecek sistemlerin
kullanılması mümkündür[1]
- Çevreye etkisi daha azdır.
-40-100 km mesafelerde deniz altından
iletimlerde maliyet açısından DC iletim daha
avantajlıdır.
HVDC light ise DG (distributed generation) ve
alternatif enerji kaynaklarının şebekeye bağlanmaları
açısından önem taşır.
6.1. Su altı akıntıları
Ülkemizde bu güne kadar hiç dikkate alınmayan
fakat dünyada çeşitli uygulamaları olan bir enerji
üretim tekniği ise su altı akıntılarının kullanılmasıdır.
Denizlerle çevrili ülkemizde özellikle Karpaz
burnunda ciddi su altı akıntılarının bulunduğu bir
gerçektir. Bu su altı akıntılarından enerji elde etme
teknikleri dünyada ileri seviyelere ulaşmıştır şekil 13
ve ülkemizdede fizibilite çalışmaları yapılmalıdır.Bu
şekilde üretilen enerjinin şebekeyeverilmesindede
senkronizasyonun sağlanabilmesi açısından HVDC
light teknolojisi kullanılmaktadır.
bağlantısı için dünyada isim yapmış DC uygulama
firmalarıylada temas kurulup teklif alınmasında yarar
vardır. Deniz altı akıntılarından enerji elde edilmesi
konusunda gerekli çalışmaların yapılması ve eğer
mümkünse enerji elde edilmesi ülke yararınadır.
8. KAYNAKÇA
Şekil 13. Denizaltı türbini
7. SONUÇ
HVDC ve HVDC light teknikleri FACTS
(Flexible AC Transmission Systems) yardımıyla
dünyada bir çok enerji probleminin çözümünde
yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu tekniklerin üstün
avantajlarından ülkemizde çeşitli uygulamalarda
yararlanma şansının geri çevrilmemesi gerekir. Deniz
[1] O. C. Ozerdem, E. Imal, M. Bagriyanik, P. AliZada, K. Alı-Zada, A FACTS TECHNIQUE
FOR Converting existing AC transmission into
HVDC (and back), ELECO 2001, 7-11
November 2001, Bursa
[2] http://www.abb.com
[3] IPCC March 2001
[4] Gunnar Asplund Kjell Eriksson Ove Tollerz
Land And Sea Cable Interconnections With
HVDC Light’ t CEPSI 2000-conference in
Manila,
Philippines,
October
23-27,
2000’Roberto.
[5] Rudervall, J.P. Charpentier, Raghuveer Sharma
High
Voltage
Direct
Current
(HVDC)Transmission Systems, Technology
Review Paper.
Şekil 14. DÜNYADA MEVCUT HVDC UYGULAMALARI