Jaké jsou výhody HVDC oproti HVAC při přenosu elektrické energie

Jaké jsou výhody HVDC oproti HVAC?

Elektřina cestuje dlouhé vzdálenosti, než dorazí k spotřebitelům. Elektrárny, často vzdálené, dodávají elektrickou energii přes stovky mil a mnoho transformačních stanic. Vysokonapěťová přenosová technologie snižuje ztráty na liniích, používají se zde jak střídavý, tak stejnosměrný proud. Ačkoliv jsme s AC obeznámeni díky elektrickým sloupům a domácím zásuvkám, HVDC nabízí unikátní výhody při přenosu energie.

Cílem přenosu energie je minimalizovat ztráty a náklady. Ačkoli obě technologie čelí různým faktorům, HVDC má více výhod. Tento článek zkoumá výhody HVDC nad HVAC:

Nižší náklady na přenos
Náklady na přenos závisí na převodovém zařízení terminálního napětí, počtu a rozměrech vodičů, rozměrech stožárů a ztrátách. HVAC používá transformátory pro převod – jednodušší a levnější než thyristorové převodníky používané u HVDC, což je jeho jedinou výhodou v nákladech.

HVAC potřebuje alespoň 3 vodiče pro třífázový přenos. HVDC, které používá zem jako návratovou cestu, používá 1 vodič (monopolární) nebo 2 (bipolární), což snižuje náklady. I třífázové vodiče mohou přenášet dvojnásobnou sílu prostřednictvím dvoubipolárních propojení HVDC.

HVAC vyžaduje větší vzdálenost mezi fázemi a mezi fází a zemí, což vyžaduje vyšší a širší stožáry. Stožáry HVDC snižují náklady na instalaci. HVDC má také podstatně nižší ztráty při přenosu, což ho činí efektivnějším.

Celkové náklady na přenos lze rozdělit do dvou hlavních kategorií: náklady na terminální stanice a náklady na přenosové linky. První jsou pevnými náklady, nezávislými na délce přenosu, zatímco druhé se mění s délkou linky. Náklady na terminální stanice AC jsou relativně nízké, zatímco náklady na terminální stanice HVDC jsou podstatně vyšší. Nicméně, náklady na každých 100 km přenosových linek HVAC jsou mnohem vyšší než u linek HVDC. Proto se celkové nákladové křivky HVAC a HVDC protínají v bodě známém jako break-even distance.

Break-even distance je délka přenosu, při které celkové investiční náklady HVAC přesahují náklady HVDC. Tato vzdálenost se liší podle typu přenosu: přibližně 400–500 mil (600–800 km) pro povrchové linky, 20–50 km pro podmořské linky a 50–100 km pro podzemní linky. Za touto hranicí se HVDC stává efektivnější a ekonomicky výhodnější volbou pro přenos energie.

Přenos HVDC má podstatně nižší ztráty než HVAC, s klíčovými zlepšeními v následujících oblastech:

Absence ztrát reaktivního výkonu

Přenos HVAC trpí ztrátami reaktivního výkonu, které jsou přímo úměrné délce linky, frekvenci a induktivním zatížením na přijímací straně. Tyto ztráty snižují efektivní přenos výkonu a plýtvají energií, což omezují maximální délku efektivních linek HVAC. K jejich snížení HVAC systémy spoléhají na sériovou a paralelní kompenzaci, aby snížily VAR (volt-ampere reaktivní) a udržely stabilitu.

Naopak HVDC funguje bez frekvence nebo nabíjecího proudu, což zcela eliminuje ztráty reaktivního výkonu. To odstraňuje potřebu takových opatření k kompenzaci.

Snížené ztráty koruny

Když přenosové napětí překročí kritickou hranici (napětí vzniku koruny), vzdušné molekuly okolo vodičů ionizují, vytvářejí jiskry (výbojkový výboj), které plýtvají energií. Ztráty koruny závisí na úrovni napětí a frekvenci. Protože DC má nulovou frekvenci, ztráty koruny u HVDC jsou přibližně třetinou těch u systémů HVAC.

Absence kůžového efektu

Střídavý proud projevuje kůžový efekt, při němž se proud soustřeďuje poblíž povrchu vodiče, což zanechává jádro nedostatečně využitým. Toto nerovnoměrné rozdělení proudu snižuje efektivní plochu průřezu vodiče, zvyšuje odpor (protože odpor je nepřímo úměrný ploše) a vede k vyšším I²R ztrátám v linech HVAC. HVDC, s jeho stabilním stejnosměrným proudem, tento efekt vyhrazuje, zajistí rovnoměrné rozdělení proudu po celém průřezu vodiče a minimalizuje odporové ztráty.

Žádné ztráty radiace nebo indukce

Přenosové linky HVAC trpí ztrátami radiace a indukce kvůli svým neustále se měnícím magnetickým polím. Ztráty radiace nastávají, protože dlouhé linky AC fungují jako antény, radiují energii, kterou není možné získat zpět. Ztráty indukce vznikají z proudů indukovaných v blízkých vodičích střídavým polem.V systémech HVDC je magnetické pole konstantní, což zcela eliminuje ztráty radiace i indukce.

Snížené ztráty nabíjecího proudu

Podzemní a podvodní kabely mají inerční parasitní kapacitu, která vyžaduje nabíjení, než budou schopny přenášet energii. Kapacita roste s délkou kabelu a tedy i nabíjecí proud roste úměrně.

V systémech AC se kabely nabíjejí a vybíjejí několikrát za sekundu, což vyžaduje dodatečný proud ze zdroje, aby se udržoval tento cyklus. Tento dodatečný proud zvyšuje I²R ztráty v kabelu.Kabely HVDC, naopak, vyžadují nabíjení pouze během počáteční energizace nebo přepnutí. To eliminuje ztráty spojené s kontinuálním nabíjecím proudem.

Žádné ztráty dielektrického ohřevu

Střídavé elektrické pole v systémech AC ovlivňuje izolační materiály v přenosových linech, což způsobuje absorpci energie a její převod na teplo – fenomén známý jako ztráty dielektrického ohřevu. To nejen plýtvá energií, ale také zkracuje životnost izolace.Systémy HVDC generují konstantní elektrické pole, což eliminuje ztráty dielektrického ohřevu a související problémy s ohřevem izolace.

3) Tenčí vodiče

Kůžový efekt u AC způsobuje, že se proud soustřeďuje poblíž povrchu vodiče, což vyžaduje tenčí vodiče, aby zvýšila povrchovou plochu a akomodovala vyšší proudy.HVDC, osvobozené od kůžového efektu, umožňuje rovnoměrné rozdělení proudu po celém průřezu vodiče. To umožňuje použití tenčích vodičů, zatímco se udržuje stejná nosnost proudu, což snižuje náklady na materiál a hmotnost.

4) Omezení délky linky

Linky HVAC trpí ztrátami reaktivního výkonu, které rostou přímo úměrně s délkou linky. To klade kritické omezení na délku přenosu HVAC: za přibližně 500 km pro povrchové linky se ztráty reaktivního výkonu stávají příliš vysoké, což destabilizuje systém.Přenos HVDC, naopak, nemá taková omezení délky, což ho činí vhodným pro přenos energie na velmi dlouhé vzdálenosti.

5) Snížené požadavky na hodnocení kabelů

Kabely jsou hodnoceny podle maximálně tolerovatelného napětí a proudu. V systémech AC jsou vrcholové napětí a proud přibližně 1,4 krát vyšší než jejich průměrné hodnoty (které odpovídají skutečně dodanému výkonu). Nicméně, vodiče musí být hodnoceny pro tyto vrcholové hodnoty.V systémech DC jsou vrcholové a průměrné hodnoty identické. To znamená, že HVDC může přenášet stejný výkon pomocí kabelů s nižším hodnocením napětí a proudu než HVAC. Ve skutečnosti systémy HVAC efektivně ztrácejí přibližně 30 % kapacity vodiče kvůli jejich vyšším vrcholovým požadavkům.

6) Užší pruh pozemku

"Pruh pozemku" označuje koridor pozemků vyžadovaný pro infrastrukturu přenosu. Systémy HVDC vyžadují užší pruh pozemku, protože používají menší stožáry a méně vodičů.HVAC, naopak, potřebuje vyšší stožáry, aby podporovaly více vodičů a větší izolátory (hodnocené pro vrcholové napětí AC), což vyžaduje silnější konstrukční podporu. Tento širší stopový otisk zvyšuje náklady na materiál, stavbu a pozemky – což činí HVDC lepší v termínu efektivity pruhu pozemku.

7) Superiorní přenos založený na kabelech

Podzemní a podvodní kabely se skládají z několika vodičů oddělených izolací, což vytváří parasitní kapacitu mezi nimi. Tyto kabely nemohou přenášet energii, dokud nejsou plně nabité, a kapacita (a tedy i nabíjecí proud) roste s délkou.Systémy AC opakovaně nabíjejí a vybíjejí kabely (50–60 krát za sekundu), což zvyšuje I²R ztráty a omezují délku kabelu. Kabely HVDC, naopak, nabíjejí pouze jednou (během počáteční energizace nebo přepnutí), což eliminuje takové ztráty a omezení délky.To dělá HVDC preferovanou volbou pro offshore, podvodní a podzemní kabelový přenos.

8) Bipolární přenos

HVDC podporuje různé módy přenosu, s bipolárním přenosem běžně používanou a ekonomicky výhodnou možností. Obsahuje dva paralelní vodiče s opačnými polaritami, jejich napětí je vyváženo vzhledem k zemi.Pokud selže nebo se poruší jeden vodič, systém bezproblémově přepne do monopolárního režimu: zbývající vodič pokračuje v dodávání proudu, používá zemi jako návratovou cestu.

9) Kontrolovatelný tok energie

Převodníky HVDC, založené na pevných polovodičových elektronických členech, umožňují přesnou kontrolu toku energie v sítích AC. Jejich rychlé přepínání (funkční několikrát za cyklus) zlepšuje harmonické vlastnosti, tlumí oscilace výkonu a optimalizuje kapacitu dodávky v sítích.

10) Rychlé odstranění chyb

Chybové proudy – neobvyklé proudy způsobené elektrickými chybami – představují významné riziko. V systémech HVAC mohou vysoké chybové proudy poškodit přenosové linky, stanice, generátory a spotřebiče.HVDC minimalizuje taková rizika: chybové proudy jsou nižší, což omezí poškození specifických částí, a jeho rychlé přepínání zajišťuje rychlou odezvu na chyby, což zvyšuje odolnost systému.

11) Asynchronní interkonexe sítí

HVDC umožňuje interkonexi asynchronních sítí AC s různými parametry (např. frekvencí, fází).Regiony často používají různé frekvence (např. 50 Hz v Evropě vs. 60 Hz v USA) a sítě mohou mít fázové rozdíly, což způsobuje, že přímá interkonexe AC není možná. HVDC, pracující bez omezení frekvence nebo fáze, snadno spojuje tyto nezávislé systémy.

12) Podpora inteligentních sítí

Inteligentní sítě integrují malé generátory (sluneční, větrné, jaderné) do jednotné sítě s inteligentní kontrolou toku energie.To je možné s HVDC, které podporuje asynchronní interkonexi generátorských jednotek a poskytuje plnou kontrolu nad distribucí energie, což odpovídá požadavkům inteligentních sítí.

13) Snížené rušení hluku

HVDC způsobuje mnohem méně rušení hluku na blízkých komunikačních linkách než HVAC.HVAC generuje slyšitelné hučení, rádiové a televizní rušení, jehož intenzita je spojena s jeho frekvencí. HVDC, s nulovou frekvencí, produkuje minimální hluk. Navíc, rušení HVAC se zvyšuje za špatného počasí, zatímco rušení HVDC se snižuje, což zajišťuje stabilnější provoz.