Quins són els avantatges del HVDC sobre l'HVAC en la transmissió d'energia?
Quins són els avantatges de la HVDC sobre la HVAC?
L'electricitat recorre llargues distàncies abans d'arribar als consumidors. Les centrals elèctriques, sovint remotes, subministren electricitat a través de centenars de milles i múltiples subestacions. La transmissió en alt voltatge redueix les pèrdues en línia, tant en corrent alternada com en corrent contínua. Encara que la CA és familiar mitjançant postes elèctrics i prises domèstiques, la HVDC ofereix avantatges únics en la transmissió d'energia.
L'objectiu de la transmissió d'energia és minimitzar les pèrdues i els costos. Tot i que ambdós sistemes es veuen afectats per factors d'influència, la HVDC té més avantatges. Aquest article explora els avantatges de la HVDC sobre la HVAC:
Costs de Transmissió Inferiors
Els costs de transmissió depenen de l'equipament de conversió de tensió terminal, la quantitat/mida dels conductors, les dimensions de les torres i les pèrdues. La HVAC utilitza transformadors per a la conversió—més simples i barats que els convertidors basats en tiristors de la HVDC, que és el seu únic avantatge en costos.
La HVAC necessita almenys 3 conductors per a la transmissió tri-fàsica. La HVDC, utilitzant la terra com a camí de retorn, usa 1 conductor (monopolar) o 2 (bipolar), reduint els costos. Fins i tot els conductors tri-fàsics poden portar el doble de potència mitjançant enllaços HVDC bipolars dobles.
La HVAC requereix un major espaiament entre fase i terra i entre fases, necessitant torres més altes i amplies. Les torres de HVDC reduïxen els costos d'instal·lació. La HVDC també té significativament menys pèrdues de transmissió, fent-la més eficient.
Els costos totals de transmissió es poden dividir en dues categories principals: els costos de les estacions terminals i els costos de les línies de transmissió. Els primers són un despesa fixa, independent de la distància de transmissió, mentre que els segons varien amb la longitud de la línia. Els costos de les estacions terminals de CA són relativament baixos, mentre que els costos de les estacions terminals de HVDC són significativament més alts. No obstant això, el cost per 100 km de les línies de transmissió de HVAC és molt superior al de les línies de HVDC. Així doncs, les corbes de cost total de HVAC i HVDC s'intersequen en un punt conegut com a distància d'equilibri.
La distància d'equilibri és la longitud de transmissió més enllà de la qual el cost total d'investigació de HVAC supera el de HVDC. Aquesta distància varia segons el tipus de transmissió: aproximadament 400-500 milles (600-800 km) per a línies aeriennes, 20-50 km per a línies submarines, i 50-100 km per a línies soterrades. Més enllà d'aquesta llindar, la HVDC es converteix en una opció més eficient i econòmicament viable per a la transmissió d'energia.
La transmissió HVDC genera significativament menys pèrdues en comparació amb la HVAC, amb millors resultats en les següents àrees:
Absència de Pèrdues de Potència Reactiva
La transmissió HVAC patix pèrdues de potència reactiva, que són directament proporcionals a la longitud de la línia, la freqüència i les càrregues inductives a l'extrem receptor. Aquestes pèrdues redueixen la transferència efectiva de potència i desperdicien energia, limitant la longitud màxima de les línies HVAC eficients. Per mitigar això, els sistemes HVAC es depenen de la compensació en sèrie i paral·lela per reduir els VAR (volt-amperios reactius) i mantenir l'estabilitat.
En canvi, la HVDC opera sense freqüència ni corrent de càrrega, eliminant completament les pèrdues de potència reactiva. Això elimina la necessitat d'aquestes mesures de compensació.
Reducció de Pèrdues de Corona
Quan la tensió de transmissió excedeix un llindar crític (la tensió d'inici de corona), les molècules d'aire al voltant dels conductors s'ionitzen, creant escintilles (descàrrega de corona) que desperdicien energia. Les pèrdues de corona depenen del nivell de tensió i la freqüència. Com que la CC té freqüència zero, les pèrdues de corona en HVDC són aproximadament un terç de les que hi ha en els sistemes HVAC.
Absència de l'Efecte de Pell
El corrent AC presenta l'efecte de pell, on el corrent es concentra prop de la superfície del conductor, deixant el nucli infrautilitzat. Aquesta distribució desigual de corrent redueix l'àrea efectiva de secció transversal del conductor, incrementant la resistència (ja que la resistència és inversament proporcional a l'àrea) i resultant en pèrdues I²R més altes en les línies HVAC. La HVDC, amb el seu corrent directe constant, evita aquest efecte, assegurant una distribució uniforme del corrent a través del conductor i minimitzant les pèrdues resistives.
No Hi Ha Pèrdues per Radiació ni Inducció
Les línies de transmissió HVAC patixen pèrdues per radiació i inducció degut a seus camps magnètics constants. Les pèrdues per radiació ocorren perquè les línies AC llargues actuen com antenes, radiant energia que no es pot recuperar. Les pèrdues per inducció provenen de corrents induïdes en conductors propers pel camp alternant.En els sistemes HVDC, el camp magnètic és constant, eliminant completament les pèrdues per radiació i inducció.
Reducció de Pèrdues de Corrent de Càrrega
Els cables soterrats i submarins tenen una capacitance parasitària inherent, que requereix càrrega abans de poder transmetre potència. La capacitance augmenta amb la longitud del cable, i així ho fa el corrent de càrrega.
En els sistemes AC, els cables es carreguen i descarreguen diverses vegades per segon, atraient corrent addicional de la font per mantenir aquest cicle. Aquest corrent extra incrementa les pèrdues I²R en el cable.Els cables HVDC, en canvi, només requereixen càrrega una vegada durant l'energització inicial o el commutació. Això elimina les pèrdues associades als corrents de càrrega contínus.
No Hi Ha Pèrdues de Calor Dielèctrica
El camp elèctric alternant en els sistemes AC afecta els materials d'aislament en les línies de transmissió, fent-los absorbir energia i convertir-la en calor—un fenomen conegut com a pèrdua dielèctica. Això no només desperdicia energia sinó que també acurta la vida útil de l'aislament.Els sistemes HVDC generen un camp elèctric constant, evitant les pèrdues dielèctriques i els problemes associats al calentament de l'aislament.
3) Conductors Més Fins
L'efecte de pell en AC causa que el corrent es concentri prop de la superfície del conductor, necessitant conductors més gruixuts per augmentar l'àrea superficial i acomodar corrents més altes.La HVDC, lliure de l'efecte de pell, permet que el corrent es distribueixi uniformement a través de la secció transversal del conductor. Això permet l'ús de conductors més fins mentre es manté la mateixa capacitat de transport de corrent, reduint els costos de material i el pes.
4) Limitacions de Longitud de Línia
Les línies HVAC patixen pèrdues de potència reactiva que augmenten directament amb la longitud de la línia. Això implica un límit crític en la distància de transmissió HVAC: més enllà d'aproximadament 500 km per a línies aeriennes, les pèrdues de potència reactiva esdevenen excessivament altes, destabilitzant el sistema.La transmissió HVDC, en canvi, no té aquestes restriccions de longitud, fent-la adequada per a la transmissió d'energia a ultra-longa distància.
5) Reducció de Requisits de Classificació de Cables
Els cables es classifiquen per la tensió i corrent màximes tolerables. En els sistemes AC, la tensió i corrent màximes són aproximadament 1,4 vegades més altes que els seus valors mitjans (que corresponen a la potència real entregada). Tanmateix, els conductors han de ser classificats per aquests valors màxims.En els sistemes DC, els valors màxims i mitjans són idèntics. Això significa que la HVDC pot transmetre la mateixa potència utilitzant cables amb tensions i corrents més baixes en comparació amb la HVAC. De fet, els sistemes HVAC efectivament desperdicien al voltant del 30% de la capacitat d'un conductor degut als seus requisits màxims més alts.
6) Dret de Pas Més Estret
El "dret de pas" es refereix al corredor de terra requerit per a la infraestructura de transmissió. Els sistemes HVDC requereixen un dret de pas més estret perquè utilitzen torres més petites i menys conductors.En canvi, la HVAC necessita torres més altes per suportar més conductors i aïllants més grans (classificats per a les tensions màximes de CA), que requereixen un suport estructural més fort. Aquesta major empraugera incrementa els costos de material, construcció i terra—fent que la HVDC sigui superior en termes d'eficiència del dret de pas.
7) Transmissió Superior Basada en Cables
Els cables soterrats i submarins consisteixen en diversos conductors separats per aïllament, creant una capacitance parasitària entre ells. Aquests cables no poden transmetre potència fins que estiguin completament carregats, i la capacitance (i, per tant, el corrent de càrrega) augmenta amb la longitud.Els sistemes AC carreguen i descarreguen repetidament els cables (50-60 vegades per segon), amplificant les pèrdues I²R i limitant la longitud del cable. Els cables HVDC, tanmateix, només es carreguen una vegada (durant l'energització inicial o el commutació), eliminant aquestes pèrdues i les restriccions de longitud.Això fa que la HVDC sigui la preferida per a la transmissió offshore, submarina i soterrada.
8) Transmissió Bipolar
La HVDC admet modes de transmissió versàtils, amb la transmissió bipolar sent una opció ampliament utilitzada i econòmica. Té dos conductors paral·lels amb polaritats oposades, amb les seves tensions equilibrades respecte a la terra.Si una línia falla o es trenca, el sistema passa de manera transparent a mode monopolar: la línia restant continua subministrant corrent, utilitzant la terra com a camí de retorn.
9) Flux de Potència Controlable
Els convertidors HVDC, basats en electrònica de estado sòlid, permeten un control precís sobre el flux de potència en xarxes AC. La seva capacitat de commutació ràpida (operant diverses vegades per cicle) millora el rendiment harmònic, atenua els vaiven de potència i optimitza la capacitat de subministrament de la xarxa.
10) Eliminació Ràpida de Faults
Els corrents de fault—corrents anòmals causats per faults elèctrics—presenten riscos significatius. En els sistemes HVAC, els corrents de fault elevats poden enderrocar línies de transmissió, estacions, generadors i càrregues.La HVDC minimitza aquests riscos: els corrents de fault són més baixos, limitant els danys a seccions específiques, i la seva operació de commutació ràpida assegura una resposta ràpida a les faults, millorant la resiliència del sistema.
11) Interconnexió de Xarxes Asíncrones
La HVDC permet l'interconnexió de xarxes AC asíncrones amb paràmetres diferents (p. ex., freqüència, fase).Les regions sovint utilitzen freqüències distinctes (p. ex., 50 Hz a Europa vs. 60 Hz als EUA), i les xarxes poden tenir diferències de fase, fent impossible la interconnexió directa en AC. La HVDC, operant sense restriccions de freqüència o fase, lliga fàcilment aquests sistemes independents.
12) Habilitació de Xarxes Intel·ligents
Les xarxes intel·ligents integren generadors a petita escala (solar, eòlic, nuclear) en una xarxa unificada amb control intel·ligent del flux de potència.Això és possible amb la HVDC, que suporta la interconnexió asíncrona d'unitats de generació i proporciona un control total sobre la distribució de potència, alineant-se amb els requisits de les xarxes intel·ligents.
13) Reducció de la Interferència Sonora
La HVDC provoca molt menys interferència sonora a les línies de comunicació properes en comparació amb la HVAC.La HVAC genera zumbido audible, interferència de ràdio i TV, amb intensitat vinculada a la seva freqüència. La HVDC, amb freqüència zero, produeix un mínim de soroll. A més, el soroll de la HVAC augmenta en condicions meteorològiques dolentes, mentre que el soroll de la HVDC disminueix, assegurant una operació més estable.
