Для начала проведем сравнение сварочного трансформатора и сварочного инверторного аппарата с одинаковыми номинальными первичными напряжениями и сварочными токами. Некоторые данные этих устройств представлены в таблице I.

Характеристики сварочных устройств

Из таблицы видим, что масса сварочного инвертора более чем в шесть раз, а габариты более чем в два раза меньше, чем у сварочного трансформатора.

К достоинствам сварочного инвертора следует также отнести более высокий КПД (0,85 против 0,6), возможность формирования внешних характеристик за счет различных обратных связей и наличие дополнительных функций, обеспечивающих более качественную сварку. Таким образом, сварочные инверторы имеют неоспоримые преимущества, которые им позволили полностью вытеснить сварочные трансформаторы с рынка.

Следует отметить и аналогичную картину в области вторичных источников питания. Там также источники (блоки питания) на базе трансформаторов были повсеместно вытеснены инверторными конструкциями.

Достаточно широкое распространение инверторы получили и в электроприводе.

С другой стороны, мы видим активное внедрение инверторов в системах высоковольтных линий электропередач на постоянном токе [8], а также в статических компенсаторах реактивной мощности.

Таким образом, сложилась парадоксальная ситуация, когда инверторные системы преобразования оказались эффективными на самом высоком и самом низком уровне напряжений, а вот на уровне 220-10 кВ - нет. Объясняется это дороговизной преобразователей, их уникальностью для каждой новой ЛЭП постоянного тока и значительными потерями в них по сравнению с ЛЭП переменного тока [8]. Интересно, кто-либо учитывал потери в выпрямителях вторичных источников питания, которых сотни миллионов, а в выпрямителях инверторных электроприводов, которых миллионы и т.д.? Вероятнее всего, что нет, поскольку эти потери на стороне потребителей, а не на стороне производителей.

В любом случае переход энергосистем на постоянный ток имеет определенные преимущества, часть из которых представлена ниже:

1. Отпадают проблемы, связанные со стабилизацией частоты сети и регулирования реактивной мощности, т.е. использования статических компенсаторов реактивной мощности, в которых также используются инверторы;

2. В качестве электромеханических преобразователей на электростанциях вместо синхронных машин можно использовать более эффективные бесконтактные электрические машины, например, асинхронные или индукторные;

3. Появляется возможность оптимизации режима работы электростанции путем изменения частоты вращения электрического генератора и турбины свыше 3000 об/мин;

4. Отпадет необходимость в установке выпрямителей в электроприемниках постоянного тока, подключаемых к такой энергосистеме;

5. Повышается устойчивость энергосистем, ввиду отсутствия проблем, связанных с синхронизацией электрических машин;

6. Возрастет управляемость энергосистем, поскольку уменьшится количество параметров, которые необходимо регулировать;

7. Отпадет необходимость в выключателях на шинах за инвертором, поскольку он позволяет формировать любые внешние характеристики, как это уже имеет место в сварочных инверторных аппаратах, в которых при залипании электрода ток короткого замыкания резко ограничивается до оптимальных значений;

8. Достоинства инверторных подстанций постоянного тока потенциально могут способствовать более эффективному развитию технологии умных сетей.

Возможно не все предполагаемые достоинства, перечисленные выше, "доживут" до реализации, поскольку могут "пасть жертвой" своих недостатков, которые могут возникнуть в ходе моделирования таких сетей, а возможно, и на этапе их реализации. В любом случае, авторы уверены, что, благодаря инверторам, энергосистемы неизбежно перейдут на "рельсы" постоянного тока. Качественные изменения, связанные с инверторами, уже произошли в электродуговой сварке, электроприводе, вторичных источниках питания и продолжают происходить в более инерционных сферах деятельности человека с точки зрения темпов реализации идей. Что же касается электроэнергетики, то её инерционность на несколько порядков больше, поскольку для создания, например, сварочного инвертора, потребовалось несколько лет, а вот для создания энергосистем постоянного тока, возможно, потребуются десятилетия. В любом случае, исследование таких сетей представляется авторам достаточно интересной и перспективной задачей.

Однако вернемся к сравнению устройств и проанализируем соотношения масс силового трансформатора и трансформатора инвертора без учета полупроводниковых элементов. В [4] имеется информация о том, что в 1982 г. для инверторного источника питания был создан трансформатор броневого типа мощностью 15 кВт (ПВ = 100%) массой 1 кг. Для сравнения воспользуемся данными сухого трансформатора ТСГЛ-160/10/0,4 мощностью 160 кВА. Масса этого трансформатора составляет 800 кг. Следовательно, на один килограмм массы этого силового трансформатора приходится всего 0,2 кВА. Сделаем допущение, что удельная мощность трансформатора инверторной подстанции постоянного тока с ростом мощности не изменяется и равна 15 кВт/кг. Тогда мощность такого трансформатора с массой 800 кг составит 12 МВА, т.е. более чем в 75 раз больше, чем у трансформатора ТСГЛ-160/10/0,4.

Следует еще раз отметить, что основой большинства современных статических компенсаторов реактивной мощности (STATCOM) являются инверторы на базе IGBT транзисторов. В некоторых таких устройствах заимствуется технология, которая используется в системах высоковольтной передачи постоянного тока (HVDC) [9]. По всей видимости, возможен обратный процесс, когда технологии, опробованные в STATCOM, могут быть задействованы при реализации инверторных подстанций постоянного тока напряжением 35-10 кВ.

Далее рассмотрим вопросы, связанные с моделированием таких энергетических систем.

Разработка модели автономной энергосистемы постоянного тока