การส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบ HVD

การส่งจ่ายก าลังไฟฟ้าแบบ HVDC (High Voltage Direct Current Power Transmissions)

ยุทธชัย ศิลปวิจารณ์ สาขาวชิาครุศาสตร์ไฟฟ้า คณะครุศาสตร์อุตสาหกรรม มหาวทิยาลัยเทคโนโลยรีาชมงคลธัญบุรี, [email protected]

การส่งจ่ายก าลังไฟฟ้าแบบ HVAC (High Voltage Alternating Current) โดยปกติแล้วในการสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าไปยงัสายสง่ไฟฟ้า (Power Grid) เพื่อการสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าไปให้ผู้ใช้ตอ่ไป เราจะสง่ก าลงัไฟฟ้าผา่นแรงดนัไฟฟ้ากระแสสลบัแรงดนัสงู (HVAC: High Voltage Alternating Current) เพราะการแปลงแรงดนัไฟฟ้ากระแสสลบัเป็นเร่ืองง่ายโดยการใช้หม้อแปลง ดงันัน้ระบบจะไมซ่บัซ้อน ไมต้่องการการดแูลรักษามากมาย

นอกจากนีถ้้าพดูถงึในเร่ืองของเคร่ืองก าเนิดไฟฟ้ากระแสสลบัก็มีข้อดีเหนือเคร่ืองก าเนดิไฟฟ้ากระแสตรงมากมาย ดงันัน้ระบบการสง่จ่ายก าลงัด้วยไฟฟ้ากระแสสลบัจึงเป็นสิง่ที่นิยมมาก แตอ่ยา่งไรก็ตามการสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าผา่นไฟฟ้ากระแสสลบัก็มีข้อด้อยหลายประการดงันี ้

- เกิดคา่ความเหน่ียวน า (Inductive) และคา่ความจ ุ(Capacitive) ของสายโอเวอร์เฮดและสายเคเบิลที่จะมีคา่เพิ่มขึน้เมื่อสายมีความยาวมากขึน้ ท าให้เกิดข้อจ ากดัในเร่ืองของระยะการสง่ก าลงัไฟฟ้า - ไมส่ามารถตอ่ระบบไฟฟ้ากระแสสลบัสองระบบท่ีมีความถ่ีตา่งกนัเข้าด้วยกนัได้

และถึงแม้วา่ระบบไฟฟ้ากระแสสลบัสองระบบจะมีความถ่ีเทา่กนั ก็อาจจะไมส่ามารถเช่ือมตอ่ระบบเข้าด้วยกนัโดยตรงได้ เพราะระบบอาจจะขาดเสถียรภาพ หรือเกิดกระแสลดัวงจรคา่สงู ดงันัน้วศิวกรจึงได้มีความพยายามทีจ่ะสง่จ่ายก าลงัโดยการใช้ไฟฟ้ากระแสตรงแรงดนัสงู (HVDC: High Voltage Direct Current) เพื่อแก้ไขปัญหาข้างต้นดงักลา่ว การส่งจ่ายก าลังไฟฟ้าแบบ HVDC (High Voltage Direct Current) การสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าแบบ HVDC เป็นการสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าผา่นแรงดนัไฟฟ้ากระแสตรงแรงดนัสงูที่น ามาแก้ปัญหาที่เกิดขึน้ในกรณีที่สง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าด้วย HVAC

* ข้อดีของการส่งจ่ายก าลังไฟฟ้าแบบ HVDC - การสง่ก าลงัไฟฟ้าด้วยไฟฟ้ากระแสตรงท าให้สามารถเช่ือมระบบไฟฟ้ากระแสสลบัตา่งระบบท่ีมคีวามถ่ีตา่งกนัได้อยา่งสะดวก โดยไมต้่องท าการซิงโครไนซ์

- ไมเ่กิดปัญหาคา่ความเหน่ียวน า (Inductive) และคา่ความจ ุ(Capacitive) ของสายโอเวอร์เฮดและสายเคเบิล ท าให้ไมม่ีข้อจ ากดัเร่ืองก าลงัไฟฟ้าสงูสดุที่สง่จ่ายได้หรือความยาวของสายเคเบิล และนอกจากนัน้ยงัได้ใช้ประโยชน์จากขนาดพืน้ท่ีหน้าตดัของสายเคเบิลอยา่งเตม็ที่เนื่องจากไมเ่กิด Skin Effect ดงัเช่นที่ระบบไฟฟ้ากระแสสลบัมี

- สามารถควบคมุการไหลของพลงังานไฟฟ้าได้อยา่งสะดวก และสามารถออกแบบให้ควบคมุด้วยระบบดิจิตอลได้ ท าให้สามารถควบคมุได้อยา่งรวดเร็วและแมน่ย า

- เนื่องจากการควบคมุของการสง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าของระบบ HVDC ที่สามารถท าได้อยา่งรวดเร็ว จงึสามารถน าข้อดีนีม้าใช้เพื่อลดหรือหนว่งการแกวง่ (ออสซิลเลต) ของก าลงัไฟฟ้าในกริดไฟฟ้ากระแสสลบั (AC Grid) ได้ เพื่อเพิ่มเสถียรภาพของระบบ

* ประวัติของการส่งจ่ายก าลังไฟฟ้าแบบ HVDC จดุเปลีย่นของการพฒันาการสง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าแบบ HVDC มีอยูห่ลายเหตกุารณ์ โดยมีเหตกุารณ์ที่ส าคญั ๆ ดงันี ้- ค.ศ.1882: มีการสร้างระบบสง่จ่ายไฟฟ้ากระแสตรง ขนาด 2,000 V ความยาว 50 กม. ขึน้ระหวา่งเมือง Miesbach กบัเมือง Munich ประเทศเยอรมนั แตอ่ยา่งไรก็ตาม ยงัเป็นการจา่ยก าลงัโดยใช้เคร่ืองจกัรกลไฟฟ้ากระแสตรง - ค.ศ. 190: มีการพฒันาวงจรเรียงกระแสทีใ่ช้ Hewitt’s Mercury Vapour - ค.ศ. 1941: มีการสร้างระบบสง่จ่ายไฟฟ้าด้วย HVDC ในเชิงพาณิชย์ ขนาดก าลงัไฟฟ้า 60 MW เพื่อใช้สง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าไปยงัเมอืง Berlin ประเทศเยอรมนั - ค.ศ.1945: มีการสร้างระบบสง่จ่ายไฟฟ้า HVDC ในเชิงพานิชย์ เพื่อใช้เช่ือมตอ่ระบบไฟฟ้าก าลงัระหวา่งประเทศสวเีดน ไปยงัเกาะ Gotland - ค.ศ.1970: มีการสร้างสวิตช์ที่ท าจากสารกึง่ตวัน า เพื่อน ามาแทนท่ีหลอดสญุญากาศ

- ค.ศ.1979: มีการลงนามสญัญาสร้างระบบสง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าระบบ HVDC ที่มีขนาดใหญ่ที่สดุในโลก ?600 kV, 6,300 MW ที่ Itaipu ประเทศบราซิล - ค.ศ.1979: มีการลงนามสญัญาสร้างระบบสง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าระบบ HVDC ที่มีขนาดทีใ่หญ่ที่สดุในโลก ?600 kV, 6,300 MW ที่ Itaipu ประเทศบราซิล โดยบริษัท ABB - ค.ศ.1985: สง่มอบระบบสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าระบบ HVDC ที่ Itaipu ประเทศบราซิล โดยระยะแรกสง่ก าลงัได้ 3,150MW - ค.ศ.1987: สง่มอบระบบสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าระบบ HVDC ที่ Itaipu ประเทศบราซิล ระยะที่สองทีส่ง่ก าลงัได้อกี 3,150MW

* ต้นทุนของระบบ HVDC อตัราสว่นการลงทนุเก่ียวกบัระบบโดยประมาณส าหรับระบบ HVDC จะเป็นดงันี ้

รูปที่ 1 อตัราสว่นการลงทนุเก่ียวกบัระบบโดยประมาณส าหรับระบบ HVDC

จะเห็นวา่ต้นทนุของระบบ HVDC นัน้ขึน้อยูก่บัหลาย ๆ องค์ประกอบ ซึง่ถ้าหากเราน าเอาการสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าแบบ HVDC ไปเปรียบเทียบกบัการสง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าแบบ HVAC ข้อมลูที่ได้จากการเปรียบเทียบจะเป็นประโยชน์เพื่อชว่ยในการตดัสนิใจเลอืกระบบการสง่จ่ายก าลงัไฟฟ้า

ได้มีการศกึษาในเร่ืองต้นทนุของระบบ HVDC เมื่อเทยีบกบัระบบ HVAC ซึง่ก็ได้ผลสรุปวา่ในการสง่ก าลงัระยะใกล้ ๆ ระบบ HVDC จะมีต้นทนุท่ีสงูกวา่อนัเนื่องมาจากสถานีก าลงัของระบบ HVDC มีราคาที่สงูกวา่ระบบ HVAC เพราะระบบ HVDC ต้องมีการแปลงจากไฟฟ้า AC ไปเป็นไฟฟ้า DC และ จากไฟฟ้า DC ไปเป็นไฟฟ้า AC อีกครัง้หนึง่ ซึง่ก็หมายความวา่ต้องมีการลงทนุไปกบัระบบแปลงผนัก าลงัไฟฟ้าในสว่นนีด้้วยนัน่เอง (ในขณะที่ระบบสง่จ่ายก าลงัด้วย HVAC ไมต้่องมต้ีนทนุตรงสว่นนี)้ จงึท าให้ต้นทนุในสว่นของสถานกี าลงัระบบ HVAC จะมีราคาที่ต า่กวา่ระบบ HVDC แตอ่ยา่งไรก็ตามจากผลของการศกึษากลบัพบวา่เมื่อระยะทางที่ต้องสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าเพิ่มขึน้ ต้นทนุของระบบ HVDC กลบัมีคา่น้อยกวา่การสง่จ่ายก าลงัในระบบ HVAC ดงัรูป

รูปที่ 2 การเปรียบเทยีบต้นทนุของระบบ HVAC และ HVDC เทียบกบัระยะทาง

จากรูปจะเห็นวา่ระยะทางในการสง่จ่ายที่ระบบ HVDC เร่ิมที่จะถกูกวา่ระบบ HVAC หรือ Break-even Distance จะอยูท่ี่ระยะประมาณ 500–800 กม. ที่เป็นเช่นนีเ้พราะต้นทนุของสายเคเบิลของระบบ HVDC นัน้มีคา่ต า่กวา่ระบบ HVAC และรวมไปถงึการสญูเสยีในระบบ HVAC ที่มคีา่สงูกวา่ระบบ HVDC นัน่เอง

* การพิจารณาในด้านผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม การสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าด้วยระบบ HVDC ถือได้วา่เป็นระบบที่มคีวามเป็นมิตรกบัสิง่แวดล้อมในแง่ของการประหยดัพลงังาน เนื่องจากมนัมีประสทิธิภาพของการสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้ามากกวา่ระบบ HVAC นัน่เอง และถ้าหากพดูถึงในเร่ืองของพืน้ท่ีที่ต้องใช้ในการติดตัง้ระบบสง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าแบบ HVDC (เสาไฟฟ้า) ก็ยงัเป็นข้อได้เปรียบระบบสง่จ่ายก าลงั HVAC อีกด้วย เร่ืองจากมนัต้องการพืน้ท่ีที่น้อยกวา่ดงัรูปท่ี 3 ที่แสดงตวัอยา่งโครงสร้างของเสาไฟฟ้าส าหรับระบบ HVAC (ซ้าย) และ ระบบ HVDC (ขวา) ท่ีขนาดก าลงัประมาณ 1,000 MW

รูปที่ 3 ตวัอยา่งของเสาไฟฟ้าของระบบ HVAC (ซ้าย) และ ระบบ HVDC (ขวา) ท่ีขนาดประมาณ 1,000 MW

นอกจากนี ้หากพจิารณาในแง่ของประเด็นสิง่แวดล้อมอื่น ๆ ระบบสง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าแบบ HVDC ก็ยงัมีข้อดีเหนือระบบสง่จ่ายก าลงัไฟฟ้าแบบ HVAC ดงันี ้ - เสยีงรบกวน (Audible Noise) - ผลกระทบด้านทศันียภาพ - ความเข้ากนัได้ด้านแมเ่หลก็ไฟฟ้า (EMC) - สามารถใช้พืน้ดินหรือทะเลเป็นสว่นสง่ก าลงักลบั (Return Path) ในระบบขัว้เดี่ยว (Monopolar) ได้

หลักการท างานของ HVDC * วงจรไฟฟ้ากระแสตรงพืน้ฐาน การสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าด้วยระบบ HVDC สามารถอธิบายหลกัการเบือ้งต้นได้ด้วยวงจรไฟฟ้ากระแสตรงพืน้ฐานดงัรูป

รูปที่ 4 วงจรไฟฟ้ากระแสตรงพืน้ฐาน

จากรูปเราสามารถควบคมุการไหลของกระแส และการไหลของพลงังานไฟฟ้าโดยการควบคมุขนาดความแตกตา่งของแรงดนั Vd1 กบั Vd2 และถ้าหากเราควบคมุทศิทางของกระแสให้คงที่ ดงันัน้การไหลของพลงังานจะขึน้อยูก่บัขัว้ของแรงดนั Vd1 และ Vd2 นัน่เอง

* The Dual Converter หรือ Back-to-Back Converter Dual Converter คือวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ที่ใช้ไทริสเตอร์ เชน่ SCR หรือ GTO สองวงจรและตอ่ขนานกนัโดยหนักลบัหวักลบัหาง โดยปกติแล้ววงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์นี ้หากมีโหลดที่มีกระแสตอ่เนื่อง (เช่น การตอ่ DC Reactor ที่ด้านไฟตรง) จะท าให้มนัสามารถท างานได้ทัง้สองควอดแดรนต์ของ V-I Plane กลา่วคือกระแสไหลได้ทางเดียว (เป็นบวก) แตแ่รงดนักลบัทิศทางได้ (เป็นบวกและลบ) และถ้าหากเราน าวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์อีกวงจรที่ตอ่กลบัด้านกนั จะท าให้มนัจา่ยกระแสเป็นลบ และแรงดนัได้ทัง้บวกและลบ

ดงันัน้การน าสองวงจรมาท าเป็น Dual Converter จะท าให้มนัสามารถท างานได้ครบทัง้ 4 ควอดแดรนต์ (จา่ยกระแสได้ทัง้บวกและลบ จ่ายแรงดนัได้ทัง้บวกและลบ) หรือพดูได้วา่มนัสามารถท างานได้ทัง้ Converter Mode (จ่ายพลงังานสูโ่หลด) หรือ Inverter Mode (จ่ายพลงังานกลบัสูแ่หลง่) นัน่เอง

Dual Converter สามารถใช้ส าหรับการสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าระหวา่งระบบไฟฟ้า AC ที่อยูต่ิดกนัซึง่ไมส่ามารถเช่ือมตอ่เข้าด้วยกนัตรง ๆ ได้ และนอกจากนี ้มนัยงัสามารถใช้เพื่อก าหนดทิศทางการไหลของก าลงัไฟฟ้าได้อกีด้วย

รูปที่ 5 Dual Converter

* การส่งก าลงัไฟฟ้าระยะไกลแบบขัว้เดี่ยว (Monopolar Long-distance Transmissions) ระบบนีใ้ช้ส าหรับการสง่จา่ยก าลงัระยะไกลมาก ๆ และโดยเฉพาะการสง่จ่ายก าลงัผา่นทะเล โดยที่ทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้า (Return Path) จะเป็นพืน้ดินหรือทะเลดงัรูปท่ี 6

รูปที่ 6 ระบบสง่ก าลงัแบบ Monopolar ที่มีทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้าเป็นพืน้ดินหรือทะเล

รูปที่ 7 ระบบสง่ก าลงัแบบ Monopolar ที่มีทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้าเป็นโลหะ

แตอ่ยา่งไรก็ตาม ในหลาย ๆ กรณีมีขีดจ ากดัในเร่ืองของโครงสร้างหรือสภาพแวดล้อม ท าให้ไมส่ามารถใช้ อิเลก็โทรดได้ ดงันัน้เราจ าเป็นต้องใช้ทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้าเป็นโลหะแทนดงัรูปท่ี 7

* การส่งก าลงัไฟฟ้าระยะไกลแบบขัว้คู่ (Bipolar Long-distance Transmissions) ระบบสง่ก าลงัแบบ Bipolar คือการสง่ก าลงัแบบใช้ขัว้สองขัว้และมีทางเดินกลบัร่วมของก าลงัไฟฟ้าแรงดนัต ่า (Common Low Voltage Return Path) ซึง่ในสภาวะการท างานปกติ ทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้านีจ้ะมีกระแสไหลไมส่มดลุ (Unbalance Current) คา่ต ่า ๆ เทา่นัน้

การใช้รูปลกัษณ์ (Configuration) แบบนีจ้ะใช้ก็ตอ่เมื่อมีการสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าคา่สงู ๆ และสงูเกินขีดความสามารถของการสง่จ่ายก าลงัแบบ

Monopolar (Single Pole)

ข้อดีของระบบ Bipolar นีค้ือ ในขณะที่มีการซอ่มบ ารุงขัว้ใดขัว้หนึง่ หรือเกิดความผิดพลาดในการท างานท่ีขัว้ใดขัว้หนึง่ อีกขัว้ที่เหลอืก็ยงัสามารถสง่จา่ยก าลงัไฟฟ้าได้ โดยก าลงัที่สง่จา่ยก็สามารถสง่จา่ยได้มากกวา่ 50% ของขีดความสามารถของระบบ ทัง้นีท้ัง้นัน้ก็ขึน้อยูก่บัความสามารถในการจ่ายโหลดเกินของขัว้ที่เหลอืนัน่เอง

นอกจากนีข้้อดีอีกอยา่งหนึง่ของระบบ Bipolar หนึง่ระบบเมือ่เทียบกบัระบบ Monopolar สองระบบ ก็คือต้นทนุส าหรับทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้ามคีา่ต ่า (เพราะใช้ร่วมกนันัน่เอง) และยงัมคีา่การสญูเสยีที่ต า่ หรืออาจจะไมใ่ช้ทางเดินกลบัของสญัญาณเลยก็ได้ แตอ่ยา่งไรก็ตาม ณ จดุนีก็้สามารถกลบักลายเป็นข้อด้อยของระบบได้เชน่กนั กลา่วคือถ้าหากทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้าเกิดช ารุดเสยีหายใช้การไมไ่ด้ มนัจะมีผลกระทบไปถึงทัง้สองขัว้ * การส่งก าลงัไฟฟ้าระยะไกลแบบขัว้คู่ที่มีทางเดินกลับของก าลังไฟฟ้าเป็นพืน้ดินหรือทะเล (Bipolar with Ground Return Path) ระบบนีเ้ป็นระบบที่ใช้กนัโดยทัว่ไปส าหรับการสง่จา่ยก าลงัแบบ Bipolar การใช้วงจรลกัษณะนีจ้ะท าให้เกิดอิสระและความยืดหยุน่ในการท างานสงู

รูปที่ 8 ระบบสง่ก าลงัแบบ Bipolar ขณะท างานในสภาวะปกต ิ

ถ้าหากวา่เกิดความผิดพลาดในการท างานกบัขัว้ใดขัว้หนึง่ กระแสของขัว้ทีย่งัปกติจะไหลผา่นทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้าทีเ่ป็นพืน้ดินหรือทะเลได้ และดงันัน้ขัว้ทีเ่สยีหายก็จะถกูแยกโดด หรือแยกวงจรออกไป ดงัรูปท่ี 9

รูปที่ 9 ระบบสง่ก าลงัแบบ Bipolar ขณะเกิดความเสยีหายกบัขัว้สง่ก าลงั

อีกกรณีหนึง่ก็คอืการท่ี Converter เกิดการเสยีหาย เราสามารถท าให้กระแสไหลกลบัทางขัว้ที่ Converter ตวัที่เสยีหายได้ (แทนท่ีจะให้กลบัทางพืน้ดินหรือทะเล) ดงัรูปท่ี 10

รูปที่ 10 ระบบสง่ก าลงัแบบ Bipolar ขณะเกิดความเสยีหายกบั Converter

* การส่งก าลงัไฟฟ้าระยะไกลแบบขัว้คู่ที่มีทางเดินกลับของก าลังไฟฟ้าเป็นโลหะและท างานแบบขัว้เดี่ยว (Bipolar with dedicated metallic ground return path for monopolar operation) ในกรณีที่มีข้อจ ากดัในการใช้อเิลก็โทรดหรือในกรณีที่ระยะทางในการสง่มีระยะใกล้ ๆ เราอาจจะใช้ ทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้าส าหรับไฟฟ้าแรงดนัต ่าที่เป็นโลหะก็ได้ดงัรูปท่ี 11

รูปที่ 11 ระบบสง่ก าลงัแบบ Bipolar ที่มีทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้าเป็นโลหะและท างานแบบ Monopolar

* การส่งก าลงัไฟฟ้าระยะไกลแบบขัว้คู่ที่ไม่ต้องมีทางเดินกลับของก าลังไฟฟ้าและท างานแบบขัว้เดี่ยว (Bipolar without dedicated return path for monopolar operation) การใช้ระบบ Bipolar ให้ท างานในลกัษณะ Monopolar เราสามารถตดัอิเลก็โทรดหรือทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้าที่เป็นโลหะได้ ซึง่จะท าให้ต้นทนุเร่ิมต้นของระบบนีม้ีคา่ต า่ที่สดุ

รูปที่ 12 ระบบสง่ก าลงัแบบ Bipolar ที่ไมต้่องมีทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้าและท างานแบบ Monopolar

การท างานในลกัษณะ Monopolar จะสามารถท าได้โดยการใช้สวติช์บายพาสที่ขัว้ของ Converter มีปัญหา แตก็่ไมส่ามารถท าได้ถ้าหากตวัน า HVDC นัน้มีปัญหา (เพราะเราใช้เป็นทางเดินกลบัของก าลงัไฟฟ้านัน่เอง) การท างานของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พัลส์ หวัใจส าคญัของระบบสง่ก าลงัไฟฟ้าแบบ HVDC นีก็้คือวงจรเรียงกระแสสองวงจร โดยวงจรแรกจะท างานใน Converter Mode ท าหน้าแปลงไฟฟ้า AC ไปเป็นไฟฟ้า DC และสง่ก าลงัไฟฟ้า DC นีไ้ปตามสายเคเบิล เมือ่ถึงปลายทางก็แปลงกลบัไปเป็นไฟฟ้า AC โดยการใช้วงจรเรียงกระแสที่สองที่ท างานใน Inverter Mode

ในสมยัเร่ิมแรกนัน้จะใช้หลอดสญุญากาศท าหน้าที่เป็นสวติช์ก าลงัในวงจรเรียงกระแส แตอ่ยา่งไรก็ตามการปรากฏตวัและการพฒันาของสวิตช์ก าลังสาร

กึ่งตวัน าทีเ่หนือกวา่หลอดสญุญากาศทกุอยา่งท าให้ไมม่ีการใช้หลอดสญุญากาศในวงจรเรียงกระแสที่ใช้ในระบบ HVDC อีกตอ่ไป โดยสวิตช์ก าลงัทีใ่ช้ในวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ในระบบ HVDC ในปัจจบุนัก็คือไทริสเตอร์ (SCR หรือ GTO)

SCR เป็นสวิตช์ก าลงัสารกึ่งตวัน าที่มีสามขา คือ Anode (A), Cathode (K), และ Gate (G) โดยถ้าเราให้แรงดนัท่ีขา A มีศกัดิ์ไฟฟ้าเป็นบวกเมือ่เทียบกบัขา K และให้สญัญาณจดุชนวน (Triggering signal) ที่ขา G ท่ีมีศกัดิ์ไฟฟ้าเป็นบวกเมื่อเทียบกบัขา K ก็จะท าให้ SCR นัน้น ากระแสได้ สว่น GTO นัน้จะท างานคล้าย ๆ กบั SCR ตา่งตรงที่สามารถใช้สญัญาณที่ G เพื่อสัง่ให้มนัหยดุน ากระแสได้ด้วย (SCR ไมส่ามารถท าได้)

วงจรที่ 13 แสดงวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ทีใ่ช้ SCR โดยจะใช้ทัง้หมด 6 ตวั และจะมี SCR น ากระแสคราวละ 2 ตวั

รูปที่ 13 วงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ที่ใช้ SCR

การท่ีเราจะสัง่ให้ SCR ตวัใดน ากระแสนัน้ก็ขึน้อยูก่บัแรงดนัของแหลง่จ่ายที่ SCR ตวันัน้ตอ่อยูต้่องมีคา่สงูสดุ โดย SCR หมายเลข 1, 3, 5 จะเป็น SCR ที่ควบคมุแรงดนัด้านบวก (จดุ A) และ SCR หมายเลข 4, 6, 2 จะเป็น SCR ที่ควบคมุแรงดนัด้านลบ (จดุ B) ตวัอยา่งเช่นในกรณีแรงดนั V12 (V1-V2) มีคา่สงูสดุ ซึง่แสดงวา่แหลง่จา่ยแรงดนั V1 มีคา่สงูสดุทางด้านบวกจึงต้องจดุชนวน Q1 ให้น ากระแสทางบวก และแหลง่จา่ยแรงดนั V2 จะมีคา่สงูสดุทางด้านลบจึงต้องจดุชนวน Q6 ให้น ากระแสทางลบ และแรงดนัโหลดในขณะนัน้จะมีขนาดเทา่กบัแรงดนั V12 นัน่เอง

ตวัอยา่งอกีกรณีหนึง่คือ สมมตุวิา่แรงดนั V31 (V3-V1) มีคา่สงูสดุ ซึง่แสดงวา่แหลง่จา่ยแรงดนั V3 มีคา่สงูสดุทางด้านบวกจึงต้องจดุชนวน Q5 ให้น ากระแสทางบวก และแหลง่จ่ายแรงดนั V1 จะมคีา่สงูสดุทางด้านลบจึงต้องจดุชนวน Q4 ให้น ากระแสทางลบ และแรงดนัโหลดในขณะนัน้จะมีขนาดเทา่กบัแรงดนั V31นัน่เอง

ดงันัน้การน ากระแสของ SCR จะเรียงล าดบัตามนีค้ือ Q1+Q2, Q2+Q3, Q3+Q4, Q4+Q5, Q5+Q6, Q6+Q1 และวนกลบัไปขึน้รอบใหม ่

การควบคมุแรงดนัด้านออกสามารถควบคมุได้โดยการควบคมุมมุจดุชนวน ( ) หรือมมุที่สัง่ให้ SCR น ากระแส โดยมมุทีเ่ป็นจดุตดักนัของ V1 กบั V3 เราจะนบัเป็นมมุ 0 องศา (ซึง่จะตา่งจากวงจรเรียงกระแสหนึง่เฟส ท่ีจะเร่ิมนบัมมุ 0 องศาเมื่อแรงดนัด้านเข้ามีคา่ 0)

ในกรณีที่มมุจดุชนวนเป็น 0 องศา ลกัษณะแรงดนัด้านออกจะเหมือนกนักรณีที่เราแทน SCR ด้วยไดโอด (ที่ไมส่ามารถควบคมุมมุจดุชนวนได้) และแรงดนัด้านออกจะมีคา่เฉลีย่สงูสดุ เมื่อมมุจดุชนวนเพิ่มขึน้เร่ือย ๆ แรงดนัด้านออกก็จะมีคา่เฉลีย่ลดลง ในกรณีนีพ้ลงังานท่ีสง่จ่ายจะไหลจากด้านไฟสลบั (ด้านซ้ายมือ) ไปยงัด้านไฟตรง (ด้านขวามือ) เพราะกระแสด้านออกมีค่าเฉลีย่เป็นบวกและแรงด้านออกก็มคีา่เฉลีย่เป็นบวกด้วยเช่นเดียวกนั ซึง่ในกรณีนีจ้ะเรียกวา่เป็นการท างานใน Converter Mode

เมื่อเราจดุชนวนท่ีมมุ 90 องศา แรงดนัด้านออกจะมีคา่เฉลีย่เทา่กบั 0 จึงท าให้กรณีนีจ้ะไมม่ีกระแสไหล และพลงังานท่ีสง่จ่ายก็จะเทา่กบั 0 ด้วยเช่นเดียวกนั แตเ่มื่อเราเพิ่มมมุจดุชวนให้มากกวา่ 90 องศา จะท าให้แรงดนัด้านออกมคีา่เฉลีย่เป็นลบ ในขณะท่ีกระแสยงัคงมคีา่เฉลีย่เป็นบวกเช่นเดิม ในกรณีนีจ้ะท าให้พลงังานท่ีสง่จา่ยจะไหลกลบัทางได้ทาง โดยจะไหลจากด้านไฟตรง (ด้านขวามือ) ไปยงัด้านไฟสลบั (ด้านซ้ายมือ) ซึง่ในกรณีนีจ้ะเรียกวา่เป็นการท างานใน Inverter Mode

แรงดนัด้านออกเฉลีย่มคีา่เทา่กบั โดย VS คือคา่แรงดนัไลน์ RMS ของแหลง่จา่ย และ คือมมุจดุชนวนของ SCR

กรณีของการสง่จา่ยก าลงัด้วย HVDC ที่ต้องท างานทัง้ใน Converter Mode และ Inverter Mode วงจรด้านออกหรือด้านไฟตรงของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์จะต้องมตีวัเหน่ียวน าหรือทีเ่รียกวา่ DC Reactor อยูเ่พื่อท าให้กระแสมีคา่ตอ่เนื่องด้วย

รูปท่ี 14 แสดงตวัอยา่งรูปคลืน่กระแสด้านเข้าและแรงดนัด้านออกของวงจรวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 6 พลัส์

รูปที่ 14 ตวัอยา่งรูปคลืน่กระแสด้านเข้าและแรงดนัด้านออกของวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 6 พลัส์

วงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พัลส์ แม้วา่ระคา่ระลอก (Ripple) ของแรงดนัด้านออกและกระแสด้านออกของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พลัส์จะมีคา่ความถ่ีสงูถึง 6 เทา่ของความถ่ีแรงดนัไฟฟ้ากระแสสลบัด้านเข้า (6x50 = 300 Hz ในกรณีของประเทศไทย) แตอ่ยา่งไรก็ตามคา่ระลอกก็ยงัคงมคีา่ทีย่งัไมต่ า่มากนกั ท าให้ต้องใช้ตวัเหน่ียวน า DC Reactor ที่คา่คอ่นข้างสงู ดงันัน้จงึได้มีการน าเอาวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 12 พลัส์เข้ามาใช้ เพื่อแก้ปัญหาดงักลา่ว

วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 12 พลัส์โดยแท้จริงแล้วก็คือวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พลัส์สองวงจรตอ่อนกุรมกนั โดยวงจรเรียงกระแสแตล่ะวงจรจะมีแหลง่จ่ายไฟฟ้ากระแสสลบัท่ีได้จากหม้อแปลงที่มีขดทตุิยภมูิตอ่แบบเดลต้าและแบบสตาร์ตามล าดบัดงัวงจรในรูปท่ี 15

รูปที่ 15 วงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พลัส์

จากวงจรจะเห็นวา่แรงดนัไฟสลบัด้านเข้าของวงจรด้านบนบนจะได้มาจากหม้อแปลงลกูที่อยูด้่านบน ซึง่มีขดทตุิยภมูิที่ตอ่แบบเดลต้า ในขณะทีแ่รงดนัไฟสลบัด้านเข้าของวงจรด้านลา่งจะได้มาจากหม้อแปลงลกูที่อยูด้่านลา่ง ซึง่มีขดทตุยิภมูิที่ตอ่แบบสตาร์ การตอ่วงจรหม้อแปลงในลกัษณะเช่นนีท้ าให้แรงดนัด้านเข้ามีมมุตา่งกนั 30 องศา (ในขณะท่ีการตอ่แบบ 6 พลัส์ จะมีมมุตา่งกนั 60 องศา)

ดงันัน้แรงดนัด้านออกจะมีคา่ระลอกของแรงดนัและกระแสที่ลดลง และความถ่ีคา่ระลอกจะสงูขึน้ กลายเป็น 12 เทา่ของความถ่ีแรงดนัด้านเข้า (12x50 = 600 Hz กรณีประเทศไทย) ดงันัน้ความถ่ีฮาร์มอนิกของแรงดนัไฟตรงด้านออกก็จะประกอบไปด้วยฮาร์มอนิกคู ่โดยมฮีาร์มอนกิความถ่ีต า่สดุอยูท่ี่ 600 Hz ในขณะท่ีฮาร์มอนกิของวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 6 พลัส์จะอยูท่ี่ 300 Hz เป็นต้นไป

รูปที่ 16 ตวัอยา่งรูปคลืน่กระแสด้านเข้าและแรงดนัด้านออกของวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พลัส์

รูปท่ี 16 แสดงถงึตวัอยา่งผลการวดัของกระแสด้านเข้าของวงจรเรียงกระแสสามเฟสแบบบริดจ์ 12 พลัส์ ซึง่เมื่อน าไปเทยีบกบัวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พลัส์ ในรูปท่ี 14 จะเห็นได้อยา่งชดัเจนวา่กระแสด้านเข้าของวงจรวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 12 พลัส์มีลกัษณะที่มคีวามเพีย้นน้อยกวา่กระแสด้านเข้าของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พลัส์อยา่งชดัเจนหรือมีลกัษณะที่ใกล้เคียงรูปไซน์มากกวา่ ในขณะแรงดนัด้านออกจะมีแอมพลจิดูของคา่ระลอก (Ripple) ที่ต ่ากวา่และความถ่ีของคา่ระลอกก็ยงัมีคา่สงูกวา่วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ 6 พลัส์ ดงันัน้จึงจะใช้ DC Reactor ที่มีคา่เลก็กวา่อยา่งมีนยัส าคญั

นอกจากนีถ้้าต้องการให้กระแสด้านเข้ามีฮาร์มอนิกทีต่ ่ากวา่นี ้ก็ยงัสามารถใช้วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์สามเฟส 18 พลัส์ หรือ 24 พลัส์ ได้อีกด้วย แตก็่เพิ่มความยุง่ยากเนื่องจากต้องใช้หม้อแปลงเพื่อสร้างแรงดนัไฟสลบัด้านเข้าวงจรเรียงกระแสให้มมีมุตา่งกนั 20 องศา และ 15 องศา ตามล าดบั โดยวงจรเรียงกระแสเหลา่นีอ้าจจะถกูจ าแนกให้เป็นวงจร Line-commutated Current Source Converter (CSC)

ระบบ HVDC ในประเทศไทย ส าหรับในประเทศไทยได้มีการน าเอาระบบ HVDC มาใช้ในการเช่ือมโยงระหวา่งระบบไฟฟ้าของประเทศไทยกบัประเทศมาเลเซียเพื่อท าการซือ้-ขายพลงังานไฟฟ้า ตัง้แตปี่ 2545 (ประเทศไทยมกีารเช่ือมโยงระหวา่งระบบไฟฟ้าของประเทศไทยกบัประเทศมาเลเซีย ตัง้แตปี่ 2523 โดยเป็นโครงการเช่ือมตอ่ระบบสง่ไทย-มาเลเซยี ระยะที่ 1 แตท่ าการเช่ือมโยงกนัโดยผา่น HVAC และมีก าลงัเพียง 30-80 MW) โดยโครงการนีเ้ป็นโครงการเช่ือมตอ่ระบบสง่ไทย-มาเลเซีย ระยะที่ 2 เป็นระบบ HVDC ที่มีขนาดแรงดนั 300 kV, 300 MW

โครงการเช่ือมตอ่ระบบสง่ไทย-มาเลเซีย ด้วยระบบ HVDC นีด้ าเนินการโดยการไฟฟ้าฝ่ายผลติแหง่ประเทศไทย (EGAT) และการไฟฟ้ามาเลเซยี (Tenaga National Berhard: TNB) โดยมีสถานีไฟฟ้าในฝ่ังประเทศไทยอยูท่ี่ สถานีคลองแงะ จงัหวดัสงขลา กบัสถานีกรููน รัฐเคห์ด้า ประเทศมาเลเซยี โดยมีระยะทาง 24 กม. จากชายแดนฝ่ังประเทศไทย และ 86 กม. จากชายแดนประเทศมาเลเซยี รวมเป็นระยะทางทัง้หมด 110 กม.

ในระยะแรก ระบบ HVDC จะใช้เป็นแบบ Monopolar ซึง่จะท าให้สง่ก าลงัไฟฟ้าได้ 300 MW แตใ่นอนาคตการไฟฟ้าฝ่ายผลติแหง่ประเทศไทยก็ได้มีโครงการท่ีจะอพัเกรดเพิ่มก าลงัไฟฟ้าให้เป็น 600 MW โดยการเปลีย่นเป็นแบบ Bipolar ในปัจจบุนัระบบ HVDC นีส้ามารถสง่ก าลงัได้เตม็ที่ 300 MW (300 kV, 1,000 A) และสามารถจ่ายก าลงัเกินได้ถงึ 450 MW ในระยะเวลาไมเ่กิน 10 นาที

รายละเอียดของระบบ HVDC ของประเทศไทย

ตวัเหน่ียวน ากรองกระแส 100 mH, แกนเดี่ยว (Single Core)

หม้อแปลงส าหรับ Converter 3x116 MVA, 1 เฟส 3 ขด 230/122.24/122.24 kV

ระบบไฟฟ้ากระแสสลบั ไทย: EGAT 230 kV; 50 Hz มาเลเซีย: TNB 275 kV, 50 Hz

แรงดนัไฟฟ้ากระแสตรง +/- 300 kV

ขนาดของไทริสเตอร์ 8 kV, 1,550 A

จ านวนของไทริสเตอร์ 1,152 ตวั

วงจรกรอง วงจรกรองแบบ Passive (ฮาร์มอนิกอนัดบัท่ี 12/24)

วงจรกรองแบบ Active (ฮาร์มอนกิอนัดบัท่ี 6/15/21/24/27/33/42/48)

สายสง่ก าลงั DC, 110 กม. ตวัน าโพล (Pole Conductor): 546 ตร.มม. ตวัน านวิตรอล (Neutral Conductor): 298 ตร.มม.

เงินลงทนุ 4,980 ล้านบาท

ผู้ รับเหมาหลกั Siemens AG, Germany

รูปที่ 17 ระบบ HVDC ของประเทศไทย

เอกสารอ้างอิง * งานซือ้ขายแลกเปลีย่นไฟฟ้ากบัมาเลเซีย [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

**สงวนลขิสทิธ์ิ ตาม พ.ร.บ.ลขิสิทธ์ิ ห้ามลอกเลยีนแบบหรือท าซ า้ไมว่า่สว่นใดสว่นหนึง่ นอกจากจะได้รับอนญุาต