Hvad er fordelene ved HVDC sammenlignet med HVAC i energioverførsel

Hvad er fordelene ved HVDC sammenlignet med HVAC?

Elkraft rejser lange afstande inden den når forbrugerne. Kraftværker, ofte placeret i fjerne områder, leverer elektricitet gennem hundreder af miles og flere understationer. Højspændingstransmission reducerer ledningsforskydninger, både AC og DC anvendes. Selvom AC er kendt fra elstolper og hjemmeudtag, tilbyder HVDC unikke fordele i krafttransmission.

Målet med krafttransmission er at minimere tab og omkostninger. Selvom begge påvirkes af faktorer, har HVDC flere fordele. Denne artikel undersøger HVDC's fordele sammenlignet med HVAC:

Lavere transmissionsomkostninger
Transmissionsomkostninger afhænger af terminalspændingskonverteringsudstyr, antal/førerstørrelse, tårnhøjde og -bredde samt tab. HVAC bruger transformatorer til konvertering – enklere og billigere end HVDC's thyristorbaserede konvertere, hvilket er dets eneste omkostningsfordele.

HVAC kræver mindst 3 førere til 3-fase transmission. HVDC, der bruger jorden som returvej, bruger 1 fører (monopol) eller 2 (bipolar), hvilket reducerer omkostningerne. Endda 3-fase førere kan transportere dobbelt så meget kraft via HVDC dobbelt bipolar links.

HVAC kræver større fase-til-jord og fase-til-fase afstand, hvilket kræver højere og bredere tårne. HVDC-tårne reducerer installationsomkostninger. HVDC har også betydeligt lavere transmissionsforskydninger, hvilket gør det mere effektivt.

Samlede transmissionsomkostninger kan opdeles i to hovedkategorier: terminalstationsomkostninger og transmissionsledningsomkostninger. De første er faste udgifter, uafhængige af transmissionsafstand, mens de sidste varierer med linjelængden. AC-terminalomkostninger er relativt lave, mens HVDC-terminalomkostninger er betydeligt højere. Dog er omkostningen pr. 100 km for HVAC-transmissionslinjer langt højere end for HVDC-linjer. Således krydser de samlede omkostningskurver for HVAC og HVDC et punkt, der kaldes break-even afstanden.

Break-even afstanden er transmissionslængden, hvorved den samlede investeringsomkostning for HVAC overstiger den for HVDC. Denne afstand varierer afhængigt af transmissions type: cirka 400–500 miles (600–800 km) for overgrundsledninger, 20–50 km for undervandsledninger, og 50–100 km for undergrundsledninger. Ud over denne grænse bliver HVDC en mere effektiv og økonomisk forsvarlig valgmulighed for krafttransmission.

HVDC-transmission resulterer i betydeligt lavere tab sammenlignet med HVAC, med nøglen forbedringer i følgende områder:

Fradødning af reaktiv effekttab

HVAC-transmission lider af reaktiv effekttab, som er direkte proportional med linjelængde, frekvens og induktive belastninger ved modtagende ende. Disse tab reducerer effektiv kraftoverførsel og spilder energi, hvilket begrænser den maksimale længde af effektive HVAC-linjer. For at mindske dette, afhænger HVAC-systemer af serie- og shunt-kompensation for at reducere VAR (volt-ampere reaktiv) og opretholde stabilitet.

I modsætning hermed opererer HVDC uden frekvens eller opladningsstrøm, hvilket helt eliminerer reaktiv effekttab. Dette fjerner behovet for sådanne kompensationsforanstaltninger.

Reducerede koronatab

Når transmissionsvoltage overstiger en kritisk grænse (koronainceptions voltage), ioniserer luftmolekyler omkring førere, skaber gnister (koronadischarge), der spilder energi. Koronatab afhænger af voltage niveau og frekvens. Da DC har nul frekvens, er HVDC koronatab ca. en tredjedel af dem i HVAC-systemer.

Fradødning af hud effekt

AC-strøm viser hud effekt, hvor strømmen koncentrerer sig nær føreroverfladen, efterladende kerne underutilized. Denne ulige strømfordeling reducerer den effektive tværsnitsareal af føreren, øger resistansen (som er invers proportional til arealet) og resulterer i højere I²R-tab i HVAC-linjer. HVDC, med sin stabil direkte strøm, undgår denne effekt, sikrer en ensartet strømfordeling over føreren og minimere resistive tab.

Ingen stråling eller induktionstab

HVAC-transmissionslinjer lider af stråling og induktionstab på grund af deres konstante variérerende magnetiske felter. Strålingstab opstår, fordi lange AC-linjer fungerer som antennear, stråler energi, der er irrecoverable. Induktionstab opstår fra strømme, der induceres i nærliggende førere af det alternerende felt. I HVDC-systemer er det magnetiske felt konstant, hvilket eliminerer både stråling og induktionstab helt.

Reducerede opladningsstrømtab

Undergrunds- og undervandskabler har inbygget parasit kapacitance, der kræver opladning, før de kan transmittere kraft. Kapacitance øges med kabellængde, og dermed stiger opladningsstrømmen proportionalt.

I AC-systemer oplader og aflader kabler flere gange pr. sekund, drager ekstra strøm fra kilden for at opretholde denne cyklus. Denne ekstra strøm øger I²R-tab i kablen. HVDC-kabler, imidlertid, kræver kun opladning en gang under initial energisering eller switching. Dette eliminerer tab forbundet med kontinuerlige opladningsstrømme.

Ingen dielektriske opvarmningsforskydninger

Det alternativende elektriske felt i AC-systemer påvirker isoleringsmaterialer i transmissionslinjer, får dem til at absorbere energi og konvertere den til varme – et fænomen kendt som dielektrisk tab. Dette spilder ikke bare energi, men forkorter også isoleringens levetid. HVDC-systemer genererer et konstant elektrisk felt, undgår dielektriske tab og de tilhørende isoleringsopvarmningsproblemer.

3) Tyndere førere

Hud effekten i AC forårsager, at strømmen koncentrerer sig nær føreroverfladen, hvilket kræver tykkere førere for at øge overfladearealet og akkommodere højere strømme. HVDC, fri for hud effekten, tillader, at strømmen fordeler ensartet over førerens tværsnitsareal. Dette gør det muligt at bruge tyndere førere, mens man bibeholder samme strømbærerkapacitet, reducerer materialomkostninger og vægt.

4) Linjelængde begrænsninger

HVAC-linjer lider af reaktiv effekttab, der øges direkte med linjelængde. Dette pålægger en kritisk grænse for HVAC-transmissionsafstand: ud over ca. 500 km for overgrundsledninger, bliver reaktiv effekttab for høje, destabiliserer systemet. HVDC-transmission, i modsætning, har ingen sådanne længdebegrænsninger, gør det egnet til ultra-langdistancetransport.

5) Reduceret kableratings krav

Kabler er rated for maksimal tolerabel voltage og strøm. I AC-systemer er topvoltage og -strøm ca. 1,4 gange højere end deres gennemsnitlige værdier (som svarer til den faktiske kraftleveret). Imidlertid skal førere være rated for disse topværdier. I DC-systemer er top- og gennemsnitlige værdier identiske. Dette betyder, at HVDC kan transmittere samme kraft ved hjælp af kabler med lavere voltage- og strømratings sammenlignet med HVAC. Faktisk spilder HVAC-systemer ca. 30% af en førers kapacitet på grund af deres højere topkrav.

6) Smal rute

"Rute" refererer til landkorridoren, der kræves til transmissionsinfrastruktur. HVDC-systemer kræver en smal rute, da de bruger mindre tårne og få førere. HVAC, i modsætning, har brug for højere tårne for at understøtte flere førere og større isolatorer (rated for AC-topvoltage), som kræver stærkere struktur. Dette bredere fodprint øger material-, konstruktion- og landomkostninger, gør HVDC superiør i forhold til ruteforvaltning.

7) Superiør kabelført transmission

Undergrunds- og undervandskabler består af flere førere, adskilt af isolation, skaber parasit kapacitance mellem dem. Disse kabler kan ikke transmittere kraft, før de er fuldt opladt, og kapacitance (og dermed opladningsstrøm) øges med længde. AC-systemer oplader og aflader kabler gentagne gange (50–60 gange pr. sekund), forstærker I²R-tab og begrænser kabellængde. HVDC-kabler, imidlertid, oplader kun en gang (under initial energisering eller switching), eliminerer sådanne tab og længdebegrænsninger. Dette gør HVDC den foretrukne valgmulighed for offshore, undervands- og undergrunds-kabelført transmission.

8) Bipolare transmission

HVDC understøtter versatile transmissionsmodi, med bipolare transmission som en bredt anvendt og kostnadseffektiv mulighed. Det har to parallelle førere med modsat polaritet, deres voltage er balanceret i forhold til jorden. Hvis en linje mislykkes eller brænder, skifter systemet problemfrit til monopolar mode: den resterende linje fortsætter med at levere strøm, bruger jorden som returvej.

9) Kontrollerbar kraftflow

HVDC-konvertere, baseret på faststater elektronik, giver præcis kontrol over kraftflow i AC-netværk. Deres hurtige switching-evne (opererer flere gange pr. cyklus) forbedrer harmonisk ydeevne, dæmpet kraftsvingninger og optimere netværkets kraftforsyningskapacitet.

10) Hurtig fejlafvikling

Fejlstrømmer – abnormale strømme fra elektriske fejl – udgør betydelige risici. I HVAC-systemer kan høje fejlstrømme skade transmissionslinjer, stationer, generatorer og belastninger. HVDC minimaliserer sådanne risici: fejlstrømme er lavere, begrænser skade til specifikke sektioner, og dens hurtige switching-operation sikrer hurtig fejlrespons, forbedrer systemets resiliens.

11) Asynkron grid interconnection

HVDC gør det muligt at forbinde asynkron AC-grids med forskellige parametre (fx frekvens, fase). Regioner bruger ofte forskellige frekvenser (fx 50 Hz i Europa vs. 60 Hz i USA), og grids kan have fasenormaler, gør direkte AC-interconnection umulig. HVDC, der opererer uden frekvens- eller fasebegrænsninger, forbinder nemt disse uafhængige systemer.

12) Understøttelse af smart grids

Smart grids integrerer smågeneratorer (sol, vind, nuklear) i et enkelt netværk med intelligent kraftflow kontrol. Dette er muligt med HVDC, der understøtter asynkron interconnection af generationsenheder og giver fuld kontrol over kraftdistribution, aligner med smart grid krav.

13) Reduceret støjinterference

HVDC forårsager langt mindre støjinterference til nærliggende kommunikationslinjer sammenlignet med HVAC. HVAC genererer hørbart brum, radio- og TV-interference, intensitet knyttet til dens frekvens. HVDC, med nul frekvens, producerer minimal støj. Desuden øger HVAC-støj i dårligt vejr, mens HVDC-støj formindskes, sikrer mere stabil drift.