ما هي مزايا تيار المركب العالي (HVDC) مقارنة بتيار التردد المتغير (HVAC) في نقل الطاقة؟

ما هي مزايا التيار المستمر عالي الجهد مقارنة بالتيار المتناوب عالي الجهد؟

يقطع الكهرباء مسافات طويلة قبل أن تصل إلى المستهلكين. غالبًا ما تزود محطات الطاقة، التي تكون بعيدة، بالكهرباء عبر مئات الأميال وعبر العديد من المحطات الفرعية. يقلل النقل بجهد عالٍ من خسائر الخطوط، ويتم استخدام كل من التيار المتناوب والمستمر. رغم أن التيار المتناوب هو الأكثر شيوعًا عبر الأعمدة الكهربائية ومخارج المنازل، إلا أن التيار المستمر عالي الجهد يقدم مزايا فريدة في نقل الطاقة.

هدف نقل الطاقة هو تقليل الخسائر والتكاليف. بينما تواجه كلاهما عوامل مؤثرة، فإن للتيار المستمر عالي الجهد مزايا أكثر. يستكشف هذا المقال مزايا التيار المستمر عالي الجهد مقارنة بالتيار المتناوب عالي الجهد:

تكلفة نقل أقل
تعتمد تكلفة النقل على معدات تحويل الجهد النهائي، وكمية/حجم الموصلات، وأبعاد الأبراج، والخسائر. يستخدم التيار المتناوب عالي الجهد محولات لتحويل الجهد - وهو أبسط وأرخص من محولات الترانزستور المستخدمة في التيار المستمر عالي الجهد، والتي تعد ميزة تكلفة الوحيدة له.

يتطلب التيار المتناوب عالي الجهد على الأقل 3 موصلات لنقل ثلاثي الأطوار. يستخدم التيار المستمر عالي الجهد الأرض كمسار العودة، مما يعني استخدام موصل واحد (أحادي القطب) أو اثنين (ثنائي القطب)، مما يقلل من التكاليف. حتى الموصلات الثلاثية الأطوار يمكنها حمل ضعف القدرة عبر روابط ثنائية القطب مضاعفة.

يتطلب التيار المتناوب عالي الجهد مسافات أكبر بين الطور والأرض وبين الطور والطور، مما يتطلب أبراجًا أعلى وأعرض. تقلل أبراج التيار المستمر عالي الجهد من تكاليف التركيب. كما أن للتيار المستمر عالي الجهد خسائر نقل أقل بكثير، مما يجعله أكثر كفاءة.

يمكن تقسيم تكاليف النقل الإجمالية إلى فئتين أساسيتين: تكاليف محطة النهاية وتكاليف خط النقل. الأولى هي مصاريف ثابتة، مستقلة عن مسافة النقل، بينما تختلف الأخيرة بناءً على طول الخط. تكاليف محطة النهاية للتيار المتناوب عالي الجهد نسبية منخفضة، بينما تكون تكاليف محطة النهاية للتيار المستمر عالي الجهد أعلى بكثير. ومع ذلك، فإن تكلفة كل 100 كم لخطوط نقل التيار المتناوب عالي الجهد أعلى بكثير من تكلفة خطوط نقل التيار المستمر عالي الجهد. وهكذا، تتقاطع منحنيات التكلفة الإجمالية للتيار المتناوب عالي الجهد والتيار المستمر عالي الجهد عند نقطة تسمى المسافة التعادلية.

المسافة التعادلية هي طول النقل الذي تتخطى فيه التكلفة الإجمالية للاستثمار في التيار المتناوب عالي الجهد تكلفة التيار المستمر عالي الجهد. تختلف هذه المسافة حسب نوع النقل: حوالي 400-500 ميل (600-800 كم) لخطوط الهواء الطلق، 20-50 كم لخطوط تحت الماء، و50-100 كم لخطوط تحت الأرض. بعد هذا الحد، يصبح التيار المستمر عالي الجهد خيارًا أكثر كفاءة واقتصادية لنقل الطاقة.

يسبب نقل التيار المستمر عالي الجهد خسائر أقل بكثير مقارنة بالتيار المتناوب عالي الجهد، مع تحسينات رئيسية في المجالات التالية:

غياب خسائر الطاقة غير الفعالة

يعاني نقل التيار المتناوب عالي الجهد من خسائر الطاقة غير الفعالة، والتي تكون متناسبة مباشرة مع طول الخط وتواتر الأحمال الاستقرائية في نهاية الاستقبال. هذه الخسائر تقلل من نقل الطاقة الفعال وتضيع الطاقة، مما يحد من أقصى طول للخطوط الفعالة للتيار المتناوب عالي الجهد. للتخفيف من ذلك، تعتمد أنظمة التيار المتناوب عالي الجهد على التعويض المتسلسل والمترافق لتقليل الوحدات الرنانة (الفولت أمبير ردائي) والحفاظ على الاستقرار.

في المقابل، يعمل التيار المستمر عالي الجهد بدون تواتر أو تيار شحن، مما يقضي تمامًا على خسائر الطاقة غير الفعالة. وهذا يلغي الحاجة لمثل هذه إجراءات التعويض.

تقليل خسائر التاج الكهربائي

عندما يتجاوز جهد النقل حدًا حرجًا (جهد بدء التاج الكهربائي)، يتم تأيين جزيئات الهواء حول الموصلات، مما يخلق شرارات (تصريف التاج الكهربائي) تضيع الطاقة. تعتمد خسائر التاج الكهربائي على مستوى الجهد والتواتر. بما أن التيار المستمر له تواتر صفر، فإن خسائر التاج الكهربائي في التيار المستمر عالي الجهد تبلغ حوالي ثلث تلك الموجودة في أنظمة التيار المتناوب عالي الجهد.

غياب تأثير الجلد

يظهر التيار المتناوب تأثير الجلد، حيث يتركز التيار بالقرب من سطح الموصل، مما يترك الجزء الداخلي غير مستغل. هذه التوزيع غير المتساوي للتيار يقلل من المساحة العرضية الفعالة للموصل، مما يزيد من مقاومته (حيث تكون المقاومة عكسياً متناسبة مع المساحة) ويؤدي إلى زيادة خسائر I²R في خطوط التيار المتناوب عالي الجهد. التيار المستمر عالي الجهد، بتياره المستقيم الثابت، يتجنب هذا التأثير، مما يضمن توزيع التيار بشكل متساوٍ عبر الموصل ويوفر خسائر المقاومة.

لا يوجد خسائر بالأشعة أو الاستقراء

تتأثر خطوط نقل التيار المتناوب عالي الجهد بخسائر الأشعة والاستقراء بسبب مجالاتها المغناطيسية المتغيرة باستمرار. تحدث خسائر الأشعة لأن خطوط التيار المتناوب الطويلة تعمل كأنتنات، تنبعث منها طاقة لا يمكن استعادتها. تنشأ خسائر الاستقراء من التيار الذي يُستثار في الموصلات المجاورة بواسطة المجال المتناوب.في أنظمة التيار المستمر عالي الجهد، يكون المجال المغناطيسي ثابتًا، مما يلغي خسائر الأشعة والاستقراء تمامًا.

تقليل خسائر التيار الشاحن

تحتوي الكابلات تحت الأرض وفي الماء على قدرة كهربية متصلة، تحتاج إلى الشحن قبل أن يمكنها نقل الطاقة. تزداد القدرة الكهربية مع طول الكابل، وبالتالي يرتفع التيار الشاحن بشكل متناسب.

في الأنظمة المتناوبة، تشحن وتفرغ الكابلات عدة مرات في الثانية، مما يستنزف تيارًا إضافيًا من المصدر للحفاظ على هذا الدورة. هذا التيار الإضافي يزيد من خسائر I²R في الكابل.لكن الكابلات ذات التيار المستمر عالي الجهد تحتاج فقط إلى الشحن مرة واحدة أثناء التنشيط الأولي أو التبديل. هذا يلغي الخسائر المرتبطة بالتيارات الشاحنة المستمرة.

لا يوجد خسائر تسخين العازل

يؤثر المجال الكهربائي المتناوب في أنظمة التيار المتناوب عالي الجهد على المواد العازلة في خطوط النقل، مما يجعلها تمتص الطاقة وتحولها إلى حرارة - وهي ظاهرة تعرف بخسارة العازل. هذا ليس فقط يضيع الطاقة ولكنه أيضًا يقصر عمر العازل.تولد أنظمة التيار المستمر عالي الجهد مجالًا كهربائيًا ثابتًا، مما يتجنب خسارة العازل ومشاكل تسخين العازل المرتبطة بها.

3) موصلات أرق

يسبب تأثير الجلد في التيار المتناوب تركيز التيار بالقرب من سطح الموصل، مما يتطلب موصلات أثخن لزيادة المساحة السطحية وتوفير تيار أعلى.التيار المستمر عالي الجهد، الذي يكون خاليًا من تأثير الجلد، يسمح بتوزيع التيار بشكل متساوٍ عبر مقطع الموصل. هذا يتيح استخدام موصلات أرق مع الحفاظ على نفس قدرة الحمل، مما يقلل من تكاليف المواد والوزن.

4) قيود طول الخط

تتأثر خطوط التيار المتناوب عالي الجهد بخسائر الطاقة غير الفعالة التي تزداد بشكل مباشر مع طول الخط. هذا يفرض حدًا حرجًا على مسافة نقل التيار المتناوب عالي الجهد: بعد حوالي 500 كم لخطوط الهواء الطلق، تصبح خسائر الطاقة غير الفعالة مرتفعة للغاية، مما يزعزع استقرار النظام.في المقابل، لا توجد مثل هذه القيود على طول الخط في نقل التيار المستمر عالي الجهد، مما يجعله مناسبًا لتسليم الطاقة على مسافات طويلة جدًا.

5) تقليل متطلبات تصنيف الكابلات

تُصنف الكابلات بموجب الجهد والتيار الأقصى الذي يمكنها تحمله. في الأنظمة المتناوبة، تكون قيم الجهد والتيار القصوى حوالي 1.4 مرة أعلى من قيمها المتوسطة (والتي تتوافق مع الطاقة الفعلية المقدمة). ومع ذلك، يجب تصنيف الموصلات لهذه القيم القصوى.في الأنظمة المستمرة، تكون القيم القصوى والمتوسطة متطابقة. هذا يعني أن التيار المستمر عالي الجهد يمكنه نقل نفس الطاقة باستخدام كابلات ذات تصنيفات جهد وتيار أقل مقارنة بالتيار المتناوب عالي الجهد. في الواقع، تضيع أنظمة التيار المتناوب عالي الجهد حوالي 30% من قدرة الموصل بسبب متطلباتها القصوى الأعلى.

6) مسار أضيق

"مسار الحق" يشير إلى ممر الأرض المطلوب لبنية تحتية النقل. تتطلب أنظمة التيار المستمر عالي الجهد مسارًا أضيق لأنها تستخدم أبراجًا أصغر وموصلات أقل.في المقابل، يحتاج التيار المتناوب عالي الجهد إلى أبراج أعلى لدعم المزيد من الموصلات والعوازل الأكبر (المصنفة لجهد الذروة المتناوب)، والتي تتطلب دعماً هيكليًا أقوى. يزيد هذا البصمة الأوسع من تكاليف المواد والبناء والأرض - مما يجعل التيار المستمر عالي الجهد أفضل من حيث كفاءة مسار الحق.

7) نقل متفوق عبر الكابلات

تحتوي الكابلات تحت الأرض والبحرية على عدة موصلات مفصولة بعزل، مما يخلق قدرة كهربية متصلة بينها. لا يمكن لهذه الكابلات نقل الطاقة حتى يتم شحنها بالكامل، ويزداد القدرة الكهربية (وبالتالي التيار الشاحن) مع الطول.تقوم أنظمة التيار المتناوب بشحن وتفريغ الكابلات بشكل متكرر (50-60 مرة في الثانية)، مما يزيد من خسائر I²R ويحد من طول الكابل. ولكن الكابلات ذات التيار المستمر عالي الجهد تقوم بشحن مرة واحدة فقط (خلال التنشيط الأولي أو التبديل)، مما يلغي هذه الخسائر وقيود الطول.هذا يجعل التيار المستمر عالي الجهد الخيار المفضل لنقل الكابلات البحرية والجوفية.

8) نقل ثنائي القطب

يدعم التيار المستمر عالي الجهد أنماط نقل متنوعة، مع كون النقل ثنائي القطب خيارًا شائعًا وكفوءًا. يتميز بنقاط موصلتين متوازيتين ذات قطبيات معاكسة، يتم توازن جهدهما بالنسبة للأرض.إذا فشلت أو انقطعت إحدى الخطوط، ينتقل النظام بسلاسة إلى وضع أحادي القطب: تستمر الخطوة المتبقية في تزويد التيار، باستخدام الأرض كمسار العودة.

9) تدفق طاقة قابل للتحكم

تمكن محولات التيار المستمر عالي الجهد، التي تعتمد على الإلكترونيات ذات الحالة الصلبة، من التحكم الدقيق في تدفق الطاقة في شبكات التيار المتناوب. قدرتها على التحويل السريع (تعمل عدة مرات في كل دورة) تحسن الأداء التناغمي، وتقلل من تقلبات الطاقة، وتحسن من قدرة الشبكة على تزويد الطاقة.

10) إزالة العيوب بسرعة

تشكل التيارات العابثة - التيارات الغير طبيعية الناتجة عن أعطال كهربائية - مخاطر كبيرة. في أنظمة التيار المتناوب عالي الجهد، يمكن أن تسبب التيارات العابثة العالية أضرارًا خطيرة في خطوط النقل والمحطات والمولدات والأحمال.يقلل التيار المستمر عالي الجهد من هذه المخاطر: تكون التيارات العابثة أقل، مما يحد من الأضرار في أقسام محددة، ويشغل نظامه القادر على التحويل السريع يضمن استجابة سريعة للعيوب، مما يعزز مرونة النظام.

11) ربط شبكات غير متزامنة

يتيح التيار المستمر عالي الجهد ربط شبكات التيار المتناوب غير المتزامنة ذات المعلمات المختلفة (مثل التردد والطور).غالبًا ما تستخدم المناطق ترددات مختلفة (مثل 50 هرتز في أوروبا مقابل 60 هرتز في الولايات المتحدة)، وقد تكون هناك اختلافات في الطور، مما يجعل الربط المباشر للتيار المتناوب مستحيلًا. التيار المستمر عالي الجهد، الذي يعمل دون قيود التردد أو الطور، يمكنه ربط هذه الأنظمة المستقلة بسهولة.

12) تمكين الشبكات الذكية

تشمل الشبكات الذكية دمج المولدات الصغيرة (مثل الطاقة الشمسية والرياح والنووية) في شبكة موحدة مع التحكم الذكي في تدفق الطاقة.هذا ممكن مع التيار المستمر عالي الجهد، الذي يدعم الربط غير المتزامن للوحدات المولدة ويقدم السيطرة الكاملة على توزيع الطاقة، مما يتوافق مع متطلبات الشبكات الذكية.

13) تقليل التداخل الضوضائي

يسبب التيار المستمر عالي الجهد تداخلًا ضوضائيًا أقل بكثير للخطوط المجاورة للاتصال مقارنة بالتيار المتناوب عالي الجهد.يسبب التيار المتناوب عالي الجهد صوتًا مسموعًا وتداخلًا في الراديو والتلفزيون، مع زيادة الشدة مع التردد. التيار المستمر عالي الجهد، الذي له تردد صفر، ينتج ضوضاء ضئيلة. بالإضافة إلى ذلك، يزداد الضوضاء في التيار المتناوب عالي الجهد في الأحوال الجوية السيئة، بينما يقل الضوضاء في التيار المستمر عالي الجهد، مما يضمن تشغيلًا أكثر استقرارًا.