โดยปกติการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าไปยังสายส่งไฟฟ้า เพื่อการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าไปให้ผู้ใช้ต่อไป จะส่งกำลังไฟฟ้าผ่านแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันสูง เพราะการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นเรื่องง่าย
การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC
(High Voltage Direct Current Power Transmissions)
ยุทธชัย ศิลปวิจารณ์
สาขาวิชาครุศาสตร์ไฟฟ้า คณะครุศาสตร์อุตสาหกรรม
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี, ysil72@hotmail.com
การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVAC (High Voltage Alternating Current)
โดยปกติแล้วในการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าไปยังสายส่งไฟฟ้า (Power Grid) เพื่อการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าไปให้ผู้ใช้ต่อไป เราจะส่งกำลังไฟฟ้าผ่านแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันสูง (HVAC: High Voltage Alternating Current) เพราะการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นเรื่องง่ายโดยการใช้หม้อแปลง ดังนั้นระบบจะไม่ซับซ้อน ไม่ต้องการการดูแลรักษามากมาย
นอกจากนี้ถ้าพูดถึงในเรื่องของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับก็มีข้อดีเหนือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงมากมาย ดังนั้นระบบการส่งจ่ายกำลังด้วยไฟฟ้ากระแสสลับจึงเป็นสิ่งที่นิยมมาก แต่อย่างไรก็ตามการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าผ่านไฟฟ้ากระแสสลับก็มีข้อด้อยหลายประการดังนี้
- เกิดค่าความเหนี่ยวนำ (Inductive) และค่าความจุ (Capacitive) ของสายโอเวอร์เฮดและสายเคเบิลที่จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อสายมีความยาวมากขึ้น ทำให้เกิดข้อจำกัดในเรื่องของระยะการส่งกำลังไฟฟ้า
- ไม่สามารถต่อระบบไฟฟ้ากระแสสลับสองระบบที่มีความถี่ต่างกันเข้าด้วยกันได้
และถึงแม้ว่าระบบไฟฟ้ากระแสสลับสองระบบจะมีความถี่เท่ากัน ก็อาจจะไม่สามารถเชื่อมต่อระบบเข้าด้วยกันโดยตรงได้ เพราะระบบอาจจะขาดเสถียรภาพ หรือเกิดกระแสลัดวงจรค่าสูง ดังนั้นวิศวกรจึงได้มีความพยายามที่จะส่งจ่ายกำลังโดยการใช้ไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูง (HVDC: High Voltage Direct Current) เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้นดังกล่าว
การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC (High Voltage Direct Current)
การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC เป็นการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าผ่านแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงที่นำมาแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นในกรณีที่ส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วย HVAC
* ข้อดีของการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC
- การส่งกำลังไฟฟ้าด้วยไฟฟ้ากระแสตรงทำให้สามารถเชื่อมระบบไฟฟ้ากระแสสลับต่างระบบที่มีความถี่ต่างกันได้อย่างสะดวก โดยไม่ต้องทำการซิงโครไนซ์
- ไม่เกิดปัญหาค่าความเหนี่ยวนำ (Inductive) และค่าความจุ (Capacitive) ของสายโอเวอร์เฮดและสายเคเบิล ทำให้ไม่มีข้อจำกัดเรื่องกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่ส่งจ่ายได้หรือความยาวของสายเคเบิล และนอกจากนั้นยังได้ใช้ประโยชน์จากขนาดพื้นที่หน้าตัดของสายเคเบิลอย่างเต็มที่เนื่องจากไม่เกิด Skin Effect ดังเช่นที่ระบบไฟฟ้ากระแสสลับมี
- สามารถควบคุมการไหลของพลังงานไฟฟ้าได้อย่างสะดวก และสามารถออกแบบให้ควบคุมด้วยระบบดิจิตอลได้ ทำให้สามารถควบคุมได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ
- เนื่องจากการควบคุมของการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าของระบบ HVDC ที่สามารถทำได้อย่างรวดเร็ว จึงสามารถนำข้อดีนี้มาใช้เพื่อลดหรือหน่วงการแกว่ง (ออสซิลเลต) ของกำลังไฟฟ้าในกริดไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Grid) ได้ เพื่อเพิ่มเสถียรภาพของระบบ
* ประวัติของการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC
จุดเปลี่ยนของการพัฒนาการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC มีอยู่หลายเหตุการณ์ โดยมีเหตุการณ์ที่สำคัญ ๆ ดังนี้
- ค.ศ.1882: มีการสร้างระบบส่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง ขนาด 2,000 V ความยาว 50 กม. ขึ้นระหว่างเมือง Miesbach กับเมือง Munich ประเทศเยอรมัน แต่อย่างไรก็ตาม ยังเป็นการจ่ายกำลังโดยใช้เครื่องจักรกลไฟฟ้ากระแสตรง
- ค.ศ. 190: มีการพัฒนาวงจรเรียงกระแสที่ใช้ Hewitt’s Mercury Vapour
- ค.ศ. 1941: มีการสร้างระบบส่งจ่ายไฟฟ้าด้วย HVDC ในเชิงพาณิชย์ ขนาดกำลังไฟฟ้า 60 MW เพื่อใช้ส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าไปยังเมือง Berlin ประเทศเยอรมัน
- ค.ศ.1945: มีการสร้างระบบส่งจ่ายไฟฟ้า HVDC ในเชิงพานิชย์ เพื่อใช้เชื่อมต่อระบบไฟฟ้ากำลังระหว่างประเทศสวีเดน ไปยังเกาะ Gotland
- ค.ศ.1970: มีการสร้างสวิตช์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ เพื่อนำมาแทนที่หลอดสุญญากาศ
- ค.ศ.1979: มีการลงนามสัญญาสร้างระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระบบ HVDC ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลก ?600 kV, 6,300 MW ที่ Itaipu ประเทศบราซิล
- ค.ศ.1979: มีการลงนามสัญญาสร้างระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระบบ HVDC ที่มีขนาดที่ใหญ่ที่สุดในโลก ?600 kV, 6,300 MW ที่ Itaipu ประเทศบราซิล โดยบริษัท ABB
- ค.ศ.1985: ส่งมอบระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระบบ HVDC ที่ Itaipu ประเทศบราซิล โดยระยะแรกส่งกำลังได้ 3,150MW
- ค.ศ.1987: ส่งมอบระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระบบ HVDC ที่ Itaipu ประเทศบราซิล ระยะที่สองที่ส่งกำลังได้อีก 3,150MW
* ต้นทุนของระบบ HVDC
อัตราส่วนการลงทุนเกี่ยวกับระบบโดยประมาณสำหรับระบบ HVDC จะเป็นดังนี้
รูปที่ 1 อัตราส่วนการลงทุนเกี่ยวกับระบบโดยประมาณสำหรับระบบ HVDC
จะเห็นว่าต้นทุนของระบบ HVDC นั้นขึ้นอยู่กับหลาย ๆ องค์ประกอบ ซึ่งถ้าหากเรานำเอาการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC ไปเปรียบเทียบกับการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVAC ข้อมูลที่ได้จากการเปรียบเทียบจะเป็นประโยชน์เพื่อช่วยในการตัดสินใจเลือกระบบการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้า
ได้มีการศึกษาในเรื่องต้นทุนของระบบ HVDC เมื่อเทียบกับระบบ HVAC ซึ่งก็ได้ผลสรุปว่าในการส่งกำลังระยะใกล้ ๆ ระบบ HVDC จะมีต้นทุนที่สูงกว่าอันเนื่องมาจากสถานีกำลังของระบบ HVDC มีราคาที่สูงกว่าระบบ HVAC เพราะระบบ HVDC ต้องมีการแปลงจากไฟฟ้า AC ไปเป็นไฟฟ้า DC และ จากไฟฟ้า DC ไปเป็นไฟฟ้า AC อีกครั้งหนึ่ง ซึ่งก็หมายความว่าต้องมีการลงทุนไปกับระบบแปลงผันกำลังไฟฟ้าในส่วนนี้ด้วยนั่นเอง (ในขณะที่ระบบส่งจ่ายกำลังด้วย HVAC ไม่ต้องมีต้นทุนตรงส่วนนี้) จึงทำให้ต้นทุนในส่วนของสถานีกำลังระบบ HVAC จะมีราคาที่ต่ำกว่าระบบ HVDC แต่อย่างไรก็ตามจากผลของการศึกษากลับพบว่าเมื่อระยะทางที่ต้องส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ต้นทุนของระบบ HVDC กลับมีค่าน้อยกว่าการส่งจ่ายกำลังในระบบ HVAC ดังรูป
รูปที่ 2 การเปรียบเทียบต้นทุนของระบบ HVAC และ HVDC เทียบกับระยะทาง
จากรูปจะเห็นว่าระยะทางในการส่งจ่ายที่ระบบ HVDC เริ่มที่จะถูกกว่าระบบ HVAC หรือ Break-even Distance จะอยู่ที่ระยะประมาณ 500–800 กม. ที่เป็นเช่นนี้เพราะต้นทุนของสายเคเบิลของระบบ HVDC นั้นมีค่าต่ำกว่าระบบ HVAC และรวมไปถึงการสูญเสียในระบบ HVAC ที่มีค่าสูงกว่าระบบ HVDC นั่นเอง
* การพิจารณาในด้านผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วยระบบ HVDC ถือได้ว่าเป็นระบบที่มีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในแง่ของการประหยัดพลังงาน เนื่องจากมันมีประสิทธิภาพของการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้ามากกว่าระบบ HVAC นั่นเอง และถ้าหากพูดถึงในเรื่องของพื้นที่ที่ต้องใช้ในการติดตั้งระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC (เสาไฟฟ้า) ก็ยังเป็นข้อได้เปรียบระบบส่งจ่ายกำลัง HVAC อีกด้วย เรื่องจากมันต้องการพื้นที่ที่น้อยกว่าดังรูปที่ 3 ที่แสดงตัวอย่างโครงสร้างของเสาไฟฟ้าสำหรับระบบ HVAC (ซ้าย) และ ระบบ HVDC (ขวา) ที่ขนาดกำลังประมาณ 1,000 MW
รูปที่ 3 ตัวอย่างของเสาไฟฟ้าของระบบ HVAC (ซ้าย) และ ระบบ HVDC (ขวา) ที่ขนาดประมาณ 1,000 MW
นอกจากนี้ หากพิจารณาในแง่ของประเด็นสิ่งแวดล้อมอื่น ๆ ระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC ก็ยังมีข้อดีเหนือระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVAC ดังนี้
- เสียงรบกวน (Audible Noise)
- ผลกระทบด้านทัศนียภาพ
- ความเข้ากันได้ด้านแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC)
- สามารถใช้พื้นดินหรือทะเลเป็นส่วนส่งกำลังกลับ (Return Path) ในระบบขั้วเดี่ยว (Monopolar) ได้
หลักการทำงานของ HVDC
* วงจรไฟฟ้ากระแสตรงพื้นฐาน
การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วยระบบ HVDC สามารถอธิบายหลักการเบื้องต้นได้ด้วยวงจรไฟฟ้ากระแสตรงพื้นฐานดังรูป
รูปที่ 4 วงจรไฟฟ้ากระแสตรงพื้นฐาน
จากรูปเราสามารถควบคุมการไหลของกระแส และการไหลของพลังงานไฟฟ้าโดยการควบคุมขนาดความแตกต่างของแรงดัน Vd1 กับ Vd2 และถ้าหากเราควบคุมทิศทางของกระแสให้คงที่ ดังนั้นการไหลของพลังงานจะขึ้นอยู่กับขั้วของแรงดัน Vd1 และ Vd2 นั่นเอง
* The Dual Converter หรือ Back-to-Back Converter
Dual Converter คือวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ที่ใช้ไทริสเตอร์ เช่น SCR หรือ GTO สองวงจรและต่อขนานกันโดยหันกลับหัวกลับหาง โดยปกติแล้ววงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์นี้ หากมีโหลดที่มีกระแสต่อเนื่อง (เช่น การต่อ DC Reactor ที่ด้านไฟตรง) จะทำให้มันสามารถทำงานได้ทั้งสองควอดแดรนต์ของ V-I Plane กล่าวคือกระแสไหลได้ทางเดียว (เป็นบวก) แต่แรงดันกลับทิศทางได้ (เป็นบวกและลบ) และถ้าหากเรานำวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์อีกวงจรที่ต่อกลับด้านกัน จะทำให้มันจ่ายกระแสเป็นลบ และแรงดันได้ทั้งบวกและลบ
ดังนั้นการนำสองวงจรมาทำเป็น Dual Converter จะทำให้มันสามารถทำงานได้ครบทั้ง 4 ควอดแดรนต์ (จ่ายกระแสได้ทั้งบวกและลบ จ่ายแรงดันได้ทั้งบวกและลบ) หรือพูดได้ว่ามันสามารถทำงานได้ทั้ง Converter Mode (จ่ายพลังงานสู่โหลด) หรือ Inverter Mode (จ่ายพลังงานกลับสู่แหล่ง) นั่นเอง
Dual Converter สามารถใช้สำหรับการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าระหว่างระบบไฟฟ้า AC ที่อยู่ติดกันซึ่งไม่สามารถเชื่อมต่อเข้าด้วยกันตรง ๆ ได้ และนอกจากนี้มันยังสามารถใช้เพื่อกำหนดทิศทางการไหลของกำลังไฟฟ้าได้อีกด้วย
รูปที่ 5 Dual Converter
* การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วเดี่ยว (Monopolar Long-distance Transmissions)
ระบบนี้ใช้สำหรับการส่งจ่ายกำลังระยะไกลมาก ๆ และโดยเฉพาะการส่งจ่ายกำลังผ่านทะเล โดยที่ทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้า (Return Path) จะเป็นพื้นดินหรือทะเลดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 ระบบส่งกำลังแบบ Monopolar ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นพื้นดินหรือทะเล
รูปที่ 7 ระบบส่งกำลังแบบ Monopolar ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นโลหะ
แต่อย่างไรก็ตาม ในหลาย ๆ กรณีมีขีดจำกัดในเรื่องของโครงสร้างหรือสภาพแวดล้อม ทำให้ไม่สามารถใช้ อิเล็กโทรดได้ ดังนั้นเราจำเป็นต้องใช้ทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นโลหะแทนดังรูปที่ 7
* การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วคู่ (Bipolar Long-distance Transmissions)
ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar คือการส่งกำลังแบบใช้ขั้วสองขั้วและมีทางเดินกลับร่วมของกำลังไฟฟ้าแรงดันต่ำ (Common Low Voltage Return Path) ซึ่งในสภาวะการทำงานปกติ ทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้านี้จะมีกระแสไหลไม่สมดุล (Unbalance Current) ค่าต่ำ ๆ เท่านั้น
การใช้รูปลักษณ์ (Configuration) แบบนี้จะใช้ก็ต่อเมื่อมีการส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าค่าสูง ๆ และสูงเกินขีดความสามารถของการส่งจ่ายกำลังแบบ Monopolar (Single Pole)
ข้อดีของระบบ Bipolar นี้คือ ในขณะที่มีการซ่อมบำรุงขั้วใดขั้วหนึ่ง หรือเกิดความผิดพลาดในการทำงานที่ขั้วใดขั้วหนึ่ง อีกขั้วที่เหลือก็ยังสามารถส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าได้ โดยกำลังที่ส่งจ่ายก็สามารถส่งจ่ายได้มากกว่า 50% ของขีดความสามารถของระบบ ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับความสามารถในการจ่ายโหลดเกินของขั้วที่เหลือนั่นเอง
นอกจากนี้ข้อดีอีกอย่างหนึ่งของระบบ Bipolar หนึ่งระบบเมื่อเทียบกับระบบ Monopolar สองระบบ ก็คือต้นทุนสำหรับทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้ามีค่าต่ำ (เพราะใช้ร่วมกันนั่นเอง) และยังมีค่าการสูญเสียที่ต่ำ หรืออาจจะไม่ใช้ทางเดินกลับของสัญญาณเลยก็ได้ แต่อย่างไรก็ตาม ณ จุดนี้ก็สามารถกลับกลายเป็นข้อด้อยของระบบได้เช่นกัน กล่าวคือถ้าหากทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเกิดชำรุดเสียหายใช้การไม่ได้ มันจะมีผลกระทบไปถึงทั้งสองขั้ว
* การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วคู่ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นพื้นดินหรือทะเล (Bipolar with Ground Return Path)
ระบบนี้เป็นระบบที่ใช้กันโดยทั่วไปสำหรับการส่งจ่ายกำลังแบบ Bipolar การใช้วงจรลักษณะนี้จะทำให้เกิดอิสระและความยืดหยุ่นในการทำงานสูง
รูปที่ 8 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ขณะทำงานในสภาวะปกติ
ถ้าหากว่าเกิดความผิดพลาดในการทำงานกับขั้วใดขั้วหนึ่ง กระแสของขั้วที่ยังปกติจะไหลผ่านทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าที่เป็นพื้นดินหรือทะเลได้ และดังนั้นขั้วที่เสียหายก็จะถูกแยกโดด หรือแยกวงจรออกไป ดังรูปที่ 9
รูปที่ 9 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ขณะเกิดความเสียหายกับขั้วส่งกำลัง
อีกกรณีหนึ่งก็คือการที่ Converter เกิดการเสียหาย เราสามารถทำให้กระแสไหลกลับทางขั้วที่ Converter ตัวที่เสียหายได้ (แทนที่จะให้กลับทางพื้นดินหรือทะเล) ดังรูปที่ 10
รูปที่ 10 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ขณะเกิดความเสียหายกับ Converter
* การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วคู่ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นโลหะและทำงานแบบขั้วเดี่ยว (Bipolar with dedicated metallic ground return path for monopolar operation)
ในกรณีที่มีข้อจำกัดในการใช้อิเล็กโทรดหรือในกรณีที่ระยะทางในการส่งมีระยะใกล้ ๆ เราอาจจะใช้ ทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าสำหรับไฟฟ้าแรงดันต่ำที่เป็นโลหะก็ได้ดังรูปที่ 11
รูปที่ 11 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ที่มีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าเป็นโลหะและทำงานแบบ Monopolar
* การส่งกำลังไฟฟ้าระยะไกลแบบขั้วคู่ที่ไม่ต้องมีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าและทำงานแบบขั้วเดี่ยว (Bipolar without dedicated return path for monopolar operation)
การใช้ระบบ Bipolar ให้ทำงานในลักษณะ Monopolar เราสามารถตัดอิเล็กโทรดหรือทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าที่เป็นโลหะได้ ซึ่งจะทำให้ต้นทุนเริ่มต้นของระบบนี้มีค่าต่ำที่สุด
รูปที่ 12 ระบบส่งกำลังแบบ Bipolar ที่ไม่ต้องมีทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้าและทำงานแบบ Monopolar
การทำงานในลักษณะ Monopolar จะสามารถทำได้โดยการใช้สวิตช์บายพาสที่ขั้วของ Converter มีปัญหา แต่ก็ไม่สามารถทำได้ถ้าหากตัวนำ HVDC นั้นมีปัญหา (เพราะเราใช้เป็นทางเดินกลับของกำลังไฟฟ้านั่นเอง)
การทำงานของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์
หัวใจสำคัญของระบบส่งกำลังไฟฟ้าแบบ HVDC นี้ก็คือวงจรเรียงกระแสสองวงจร โดยวงจรแรกจะทำงานใน Converter Mode ทำหน้าแปลงไฟฟ้า AC ไปเป็นไฟฟ้า DC และส่งกำลังไฟฟ้า DC นี้ไปตามสายเคเบิล เมื่อถึงปลายทางก็แปลงกลับไปเป็นไฟฟ้า AC โดยการใช้วงจรเรียงกระแสที่สองที่ทำงานใน Inverter Mode
ในสมัยเริ่มแรกนั้นจะใช้หลอดสุญญากาศทำหน้าที่เป็นสวิตช์กำลังในวงจรเรียงกระแส แต่อย่างไรก็ตามการปรากฏตัวและการพัฒนาของสวิตช์กำลังสารกึ่งตัวนำที่เหนือกว่าหลอดสุญญากาศทุกอย่างทำให้ไม่มีการใช้หลอดสุญญากาศในวงจรเรียงกระแสที่ใช้ในระบบ HVDC อีกต่อไป โดยสวิตช์กำลังที่ใช้ในวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ในระบบ HVDC ในปัจจุบันก็คือไทริสเตอร์ (SCR หรือ GTO)
SCR เป็นสวิตช์กำลังสารกึ่งตัวนำที่มีสามขา คือ Anode (A), Cathode (K), และ Gate (G) โดยถ้าเราให้แรงดันที่ขา A มีศักดิ์ไฟฟ้าเป็นบวกเมื่อเทียบกับขา K และให้สัญญาณจุดชนวน (Triggering signal) ที่ขา G ที่มีศักดิ์ไฟฟ้าเป็นบวกเมื่อเทียบกับขา K ก็จะทำให้ SCR นั้นนำกระแสได้ ส่วน GTO นั้นจะทำงานคล้าย ๆ กับ SCR ต่างตรงที่สามารถใช้สัญญาณที่ G เพื่อสั่งให้มันหยุดนำกระแสได้ด้วย (SCR ไม่สามารถทำได้)
วงจรที่ 13 แสดงวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ที่ใช้ SCR โดยจะใช้ทั้งหมด 6 ตัว และจะมี SCR นำกระแสคราวละ 2 ตัว
รูปที่ 13 วงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ที่ใช้ SCR
การที่เราจะสั่งให้ SCR ตัวใดนำกระแสนั้นก็ขึ้นอยู่กับแรงดันของแหล่งจ่ายที่ SCR ตัวนั้นต่ออยู่ต้องมีค่าสูงสุด โดย SCR หมายเลข 1, 3, 5 จะเป็น SCR ที่ควบคุมแรงดันด้านบวก (จุด A) และ SCR หมายเลข 4, 6, 2 จะเป็น SCR ที่ควบคุมแรงดันด้านลบ (จุด B) ตัวอย่างเช่นในกรณีแรงดัน V12 (V1-V2) มีค่าสูงสุด ซึ่งแสดงว่าแหล่งจ่ายแรงดัน V1 มีค่าสูงสุดทางด้านบวกจึงต้องจุดชนวน Q1 ให้นำกระแสทางบวก และแหล่งจ่ายแรงดัน V2 จะมีค่าสูงสุดทางด้านลบจึงต้องจุดชนวน Q6 ให้นำกระแสทางลบ และแรงดันโหลดในขณะนั้นจะมีขนาดเท่ากับแรงดัน V12 นั่นเอง
ตัวอย่างอีกกรณีหนึ่งคือ สมมุติว่าแรงดัน V31 (V3-V1) มีค่าสูงสุด ซึ่งแสดงว่าแหล่งจ่ายแรงดัน V3 มีค่าสูงสุดทางด้านบวกจึงต้องจุดชนวน Q5 ให้นำกระแสทางบวก และแหล่งจ่ายแรงดัน V1 จะมีค่าสูงสุดทางด้านลบจึงต้องจุดชนวน Q4 ให้นำกระแสทางลบ และแรงดันโหลดในขณะนั้นจะมีขนาดเท่ากับแรงดัน V31นั่นเอง
ดังนั้นการนำกระแสของ SCR จะเรียงลำดับตามนี้คือ Q1+Q2, Q2+Q3, Q3+Q4, Q4+Q5, Q5+Q6, Q6+Q1 และวนกลับไปขึ้นรอบใหม่
การควบคุมแรงดันด้านออกสามารถควบคุมได้โดยการควบคุมมุมจุดชนวน () หรือมุมที่สั่งให้ SCR นำกระแส โดยมุมที่เป็นจุดตัดกันของ V1 กับ V3 เราจะนับเป็นมุม 0 องศา (ซึ่งจะต่างจากวงจรเรียงกระแสหนึ่งเฟส ที่จะเริ่มนับมุม 0 องศาเมื่อแรงดันด้านเข้ามีค่า 0)
ในกรณีที่มุมจุดชนวนเป็น 0 องศา ลักษณะแรงดันด้านออกจะเหมือนกันกรณีที่เราแทน SCR ด้วยไดโอด (ที่ไม่สามารถควบคุมมุมจุดชนวนได้) และแรงดันด้านออกจะมีค่าเฉลี่ยสูงสุด เมื่อมุมจุดชนวนเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แรงดันด้านออกก็จะมีค่าเฉลี่ยลดลง ในกรณีนี้พลังงานที่ส่งจ่ายจะไหลจากด้านไฟสลับ (ด้านซ้ายมือ) ไปยังด้านไฟตรง (ด้านขวามือ) เพราะกระแสด้านออกมีค่าเฉลี่ยเป็นบวกและแรงด้านออกก็มีค่าเฉลี่ยเป็นบวกด้วยเช่นเดียวกัน ซึ่งในกรณีนี้จะเรียกว่าเป็นการทำงานใน Converter Mode
เมื่อเราจุดชนวนที่มุม 90 องศา แรงดันด้านออกจะมีค่าเฉลี่ยเท่ากับ 0 จึงทำให้กรณีนี้จะไม่มีกระแสไหล และพลังงานที่ส่งจ่ายก็จะเท่ากับ 0 ด้วยเช่นเดียวกัน แต่เมื่อเราเพิ่มมุมจุดชวนให้มากกว่า 90 องศา จะทำให้แรงดันด้านออกมีค่าเฉลี่ยเป็นลบ ในขณะที่กระแสยังคงมีค่าเฉลี่ยเป็นบวกเช่นเดิม ในกรณีนี้จะทำให้พลังงานที่ส่งจ่ายจะไหลกลับทางได้ทาง โดยจะไหลจากด้านไฟตรง (ด้านขวามือ) ไปยังด้านไฟสลับ (ด้านซ้ายมือ) ซึ่งในกรณีนี้จะเรียกว่าเป็นการทำงานใน Inverter Mode
แรงดันด้านออกเฉลี่ยมีค่าเท่ากับ
โดย VS คือค่าแรงดันไลน์ RMS ของแหล่งจ่าย และ คือมุมจุดชนวนของ SCR
กรณีของการส่งจ่ายกำลังด้วย HVDC ที่ต้องทำงานทั้งใน Converter Mode และ Inverter Mode วงจรด้านออกหรือด้านไฟตรงของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์จะต้องมีตัวเหนี่ยวนำหรือที่เรียกว่า DC Reactor อยู่เพื่อทำให้กระแสมีค่าต่อเนื่องด้วย
รูปที่ 14 แสดงตัวอย่างรูปคลื่นกระแสด้านเข้าและแรงดันด้านออกของวงจรวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 6 พัลส์
รูปที่ 14 ตัวอย่างรูปคลื่นกระแสด้านเข้าและแรงดันด้านออกของวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 6 พัลส์
วงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พัลส์
แม้ว่าระค่าระลอก (Ripple) ของแรงดันด้านออกและกระแสด้านออกของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์จะมีค่าความถี่สูงถึง 6 เท่าของความถี่แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับด้านเข้า (6x50 = 300 Hz ในกรณีของประเทศไทย) แต่อย่างไรก็ตามค่าระลอกก็ยังคงมีค่าที่ยังไม่ต่ำมากนัก ทำให้ต้องใช้ตัวเหนี่ยวนำ DC Reactor ที่ค่าค่อนข้างสูง ดังนั้นจึงได้มีการนำเอาวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 12 พัลส์เข้ามาใช้ เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว
วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 12 พัลส์โดยแท้จริงแล้วก็คือวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์สองวงจรต่ออนุกรมกัน โดยวงจรเรียงกระแสแต่ละวงจรจะมีแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับที่ได้จากหม้อแปลงที่มีขดทุติยภูมิต่อแบบเดลต้าและแบบสตาร์ตามลำดับดังวงจรในรูปที่ 15
รูปที่ 15 วงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พัลส์
จากวงจรจะเห็นว่าแรงดันไฟสลับด้านเข้าของวงจรด้านบนบนจะได้มาจากหม้อแปลงลูกที่อยู่ด้านบน ซึ่งมีขดทุติยภูมิที่ต่อแบบเดลต้า ในขณะที่แรงดันไฟสลับด้านเข้าของวงจรด้านล่างจะได้มาจากหม้อแปลงลูกที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งมีขดทุติยภูมิที่ต่อแบบสตาร์ การต่อวงจรหม้อแปลงในลักษณะเช่นนี้ทำให้แรงดันด้านเข้ามีมุมต่างกัน 30 องศา (ในขณะที่การต่อแบบ 6 พัลส์ จะมีมุมต่างกัน 60 องศา)
ดังนั้นแรงดันด้านออกจะมีค่าระลอกของแรงดันและกระแสที่ลดลง และความถี่ค่าระลอกจะสูงขึ้น กลายเป็น 12 เท่าของความถี่แรงดันด้านเข้า (12x50 = 600 Hz กรณีประเทศไทย) ดังนั้นความถี่ฮาร์มอนิกของแรงดันไฟตรงด้านออกก็จะประกอบไปด้วยฮาร์มอนิกคู่ โดยมีฮาร์มอนิกความถี่ต่ำสุดอยู่ที่ 600 Hz ในขณะที่ฮาร์มอนิกของวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 6 พัลส์จะอยู่ที่ 300 Hz เป็นต้นไป
รูปที่ 16 ตัวอย่างรูปคลื่นกระแสด้านเข้าและแรงดันด้านออกของวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พัลส์
รูปที่ 16 แสดงถึงตัวอย่างผลการวัดของกระแสด้านเข้าของวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พัลส์ ซึ่งเมื่อนำไปเทียบกับวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์ ในรูปที่ 14 จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่ากระแสด้านเข้าของวงจรวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 12 พัลส์มีลักษณะที่มีความเพี้ยนน้อยกว่ากระแสด้านเข้าของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์อย่างชัดเจนหรือมีลักษณะที่ใกล้เคียงรูปไซน์มากกว่า ในขณะแรงดันด้านออกจะมีแอมพลิจูดของค่าระลอก (Ripple) ที่ต่ำกว่าและความถี่ของค่าระลอกก็ยังมีค่าสูงกว่าวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์ ดังนั้นจึงจะใช้ DC Reactor ที่มีค่าเล็กกว่าอย่างมีนัยสำคัญ
นอกจากนี้ถ้าต้องการให้กระแสด้านเข้ามีฮาร์มอนิกที่ต่ำกว่านี้ ก็ยังสามารถใช้วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์สามเฟส 18 พัลส์ หรือ 24 พัลส์ ได้อีกด้วย แต่ก็เพิ่มความยุ่งยากเนื่องจากต้องใช้หม้อแปลงเพื่อสร้างแรงดันไฟสลับด้านเข้าวงจรเรียงกระแสให้มีมุมต่างกัน 20 องศา และ 15 องศา ตามลำดับ โดยวงจรเรียงกระแสเหล่านี้อาจจะถูกจำแนกให้เป็นวงจร Line-commutated Current Source Converter (CSC)
ระบบ HVDC ในประเทศไทย
สำหรับในประเทศไทยได้มีการนำเอาระบบ HVDC มาใช้ในการเชื่อมโยงระหว่างระบบไฟฟ้าของประเทศไทยกับประเทศมาเลเซียเพื่อทำการซื้อ-ขายพลังงานไฟฟ้า ตั้งแต่ปี 2545 (ประเทศไทยมีการเชื่อมโยงระหว่างระบบไฟฟ้าของประเทศไทยกับประเทศมาเลเซีย ตั้งแต่ปี 2523 โดยเป็นโครงการเชื่อมต่อระบบส่งไทย-มาเลเซีย ระยะที่ 1 แต่ทำการเชื่อมโยงกันโดยผ่าน HVAC และมีกำลังเพียง 30-80 MW) โดยโครงการนี้เป็นโครงการเชื่อมต่อระบบส่งไทย-มาเลเซีย ระยะที่ 2 เป็นระบบ HVDC ที่มีขนาดแรงดัน 300 kV, 300 MW
โครงการเชื่อมต่อระบบส่งไทย-มาเลเซีย ด้วยระบบ HVDC นี้ดำเนินการโดยการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (EGAT) และการไฟฟ้ามาเลเซีย (Tenaga National Berhard: TNB) โดยมีสถานีไฟฟ้าในฝั่งประเทศไทยอยู่ที่ สถานีคลองแงะ จังหวัดสงขลา กับสถานีกูรูน รัฐเคห์ด้า ประเทศมาเลเซีย โดยมีระยะทาง 24 กม. จากชายแดนฝั่งประเทศไทย และ 86 กม. จากชายแดนประเทศมาเลเซีย รวมเป็นระยะทางทั้งหมด 110 กม.
ในระยะแรก ระบบ HVDC จะใช้เป็นแบบ Monopolar ซึ่งจะทำให้ส่งกำลังไฟฟ้าได้ 300 MW แต่ในอนาคตการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทยก็ได้มีโครงการที่จะอัพเกรดเพิ่มกำลังไฟฟ้าให้เป็น 600 MW โดยการเปลี่ยนเป็นแบบ Bipolar ในปัจจุบันระบบ HVDC นี้สามารถส่งกำลังได้เต็มที่ 300 MW (300 kV, 1,000 A) และสามารถจ่ายกำลังเกินได้ถึง 450 MW ในระยะเวลาไม่เกิน 10 นาที
รายละเอียดของระบบ HVDC ของประเทศไทย
| ตัวเหนี่ยวนำกรองกระแส | 100 mH, แกนเดี่ยว (Single Core) |
| หม้อแปลงสำหรับ | Converter 3x116 MVA, 1 เฟส 3 ขด 230/122.24/122.24 kV |
| ระบบไฟฟ้ากระแสสลับ | ไทย: EGAT 230 kV; 50 Hz มาเลเซีย: TNB 275 kV, 50 Hz |
| แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง | +/- 300 kV |
| ขนาดของไทริสเตอร์ | 8 kV, 1,550 A |
| จำนวนของไทริสเตอร์ | 1,152 ตัว |
| วงจรกรอง | วงจรกรองแบบ Passive (ฮาร์มอนิกอันดับที่ 12/24) วงจรกรองแบบ Active (ฮาร์มอนิกอันดับที่ 6/15/21/24/27/33/42/48) |
| สายส่งกำลัง | DC, 110 กม. ตัวนำโพล (Pole Conductor): 546 ตร.มม. ตัวนำนิวตรอล (Neutral Conductor): 298 ตร.มม. |
| เงินลงทุน | 4,980 ล้านบาท |
| ผู้รับเหมาหลัก | Siemens AG, Germany |
รูปที่ 17 ระบบ HVDC ของประเทศไทย
เอกสารอ้างอิง
* งานซื้อขายแลกเปลี่ยนไฟฟ้ากับมาเลเซีย [Online]. Available from: http://www.ppa.egat.co.th/F-INTER/malaysia.htm [2008, February 1]
* 300 MW THAILAND–MALAYSIA, HVDC INTERCONNECTION SYSTEM [online]. Available from: http://www.egat.co.th/hvdc/INTRODUCTION.HTML [2008, February 1]
* ABB. 2000. Technical Guide No.6 – Guide to Harmonics with AC Drives. ABB Helsinki, Finland
* G. Asplund, L. Carlsson, O. Tollerz. 2003. 50 years HVDC, ABB–from pioneer to world leader. ABB Helsinki, Finland
* K.R. PADIYAR. 1990. HVDC POWER TRANSMISSION SYSTEM, Technology and System Interactions. NEW AGE INTERNATIONAL (P) LIMITED, PUBLISHERS. New Delhi, India
* Michael P. Bahrman, Brian K. Johnson. 2007. The ABCs of HVDC Transmission Technology. IEEE Power & Energy Magazine March/April 2007 Vol. 5 No. 2.
* High-voltage direct current [online]. Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/HVDC [2008, February 1]
* History of ABB’s HVDC expertise [online]. Available from: http://www.abbaustralia.com.au/cawp/seitp202/7cfd9a3a7416a383c1256e8600406f4f.aspx?leftdb=abbzh250&v=553E&e=us [2008, February 1]
* HVDC transmission for lower investment cost [online]. Available from: http://www.abb.com [2008, February 1]
* R. Rudervall, J.P.Charpentier, R. Sharma. 2000. High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper. Energy Week 2000. Washington D.C, USA.
* Siemens–2001 Thailand–Malaysia [online]. Available from: http://www.energy-portal.siemens.com [2008, February 1]
* Siemens AG Power Transmission and Distribution High Voltage Division. N/A. High Voltage Direct Current Transmission–Proven Technology for Power Exchange. Erlangen, Germany
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
