Τι είναι τα πλεονεκτήματα του ΥΨΗ σε σχέση με το ΥΦΗ στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας

Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του HVDC έναντι του HVAC;

Η ηλεκτρική ενέργεια διασχίζει μεγάλες αποστάσεις πριν φθάσει στους καταναλωτές. Οι παραγωγοί, συχνά απομακρυσμένοι, εφοδιάζουν ηλεκτρική ενέργεια μέσω εκατοντάδων χιλιομέτρων και πολλών υποσταθμών. Η μεταφορά υψηλής τάσης μειώνει τις απώλειες στις γραμμές, με τη χρήση και του AC και του DC. Παρόλο που το AC είναι γνωστό μέσω των στύλων των εταιρειών διανομής και των οικιακών πηνίων, το HVDC προσφέρει μοναδικά πλεονεκτήματα στη μεταφορά ενέργειας.

Το στόχος της μεταφοράς ενέργειας είναι να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες και οι δαπάνες. Αν και και τα δύο αντιμετωπίζουν επηρεασμούς, το HVDC έχει περισσότερα πλεονεκτήματα. Αυτό το άρθρο εξετάζει τα πλεονεκτήματα του HVDC έναντι του HVAC:

Χαμηλότερες Δαπάνες Μεταφοράς
Οι δαπάνες μεταφοράς εξαρτώνται από το εξοπλισμό μετατροπής τάσης στις εκτελεστικές σταθμούς, το πλήθος/το μέγεθος των συγκόλλησης, το μέγεθος των πύργων και τις απώλειες. Το HVAC χρησιμοποιεί μετατροπείς για τη μετατροπή, η οποία είναι απλούστερη και φθηνότερη από τους βασισμένους σε thyristor μετατροπείς του HVDC, το μόνο πλεονέκτημα στο κόστος.

Το HVAC χρειάζεται τουλάχιστον 3 συγκόλλησης για την τριφασική μεταφορά. Το HVDC, χρησιμοποιώντας τη γη ως διαδρομή επιστροφής, χρησιμοποιεί 1 συγκόλληση (μονοπολική) ή 2 (διπολική), μειώνοντας το κόστος. Ακόμη και 3 τριφασικές συγκόλλησης μπορούν να μεταφέρουν διπλάσια ισχύ μέσω των διπλών διπολικών συνδέσεων του HVDC.

Το HVAC απαιτεί μεγαλύτερη απόσταση μεταξύ φάσης-γης και φάσης-φάσης, χρειάζοντας ψηλότερους και ευρύτερους πύργους. Οι πύργοι του HVDC μειώνουν το κόστος εγκατάστασης. Το HVDC έχει επίσης σημαντικά χαμηλότερες απώλειες μεταφοράς, κάνοντάς το πιο αποτελεσματικό.

Το συνολικό κόστος μεταφοράς μπορεί να χωριστεί σε δύο κύριες κατηγορίες: το κόστος των εκτελεστικών σταθμών και το κόστος των γραμμών μεταφοράς. Το πρώτο είναι μια σταθερή δαπάνη, ανεξάρτητη από την απόσταση μεταφοράς, ενώ το δεύτερο μεταβάλλεται με την μήκος της γραμμής. Το κόστος των εκτελεστικών σταθμών του AC είναι σχετικά χαμηλό, ενώ το κόστος των εκτελεστικών σταθμών του HVDC είναι σημαντικά υψηλότερο. Ωστόσο, το κόστος ανά 100 χλμ για τις γραμμές μεταφοράς HVAC είναι πολύ μεγαλύτερο από το κόστος των γραμμών μεταφοράς HVDC. Έτσι, οι συνολικές καμπύλες κόστους του HVAC και του HVDC τείνουν να τεμνούνται σε ένα σημείο γνωστό ως σημείο ισοπεδώσεως.

Το σημείο ισοπεδώσεως είναι η μήκος μεταφοράς πέρα από το οποίο το συνολικό κόστος επένδυσης του HVAC υπερβαίνει αυτό του HVDC. Αυτή η απόσταση μεταβάλλεται ανάλογα με τον τύπο μεταφοράς: περίπου 400-500 μίλια (600-800 χλμ) για αεροφωρικές γραμμές, 20-50 χλμ για υποθαλάσσιες γραμμές και 50-100 χλμ για υπόγειες γραμμές. Πέρα από αυτό το όριο, το HVDC γίνεται μια πιο αποτελεσματική και οικονομικά βιώσιμη επιλογή για τη μεταφορά ενέργειας.

Η μεταφορά HVDC έχει σημαντικά χαμηλότερες απώλειες σε σύγκριση με το HVAC, με βασικές βελτιώσεις στους παρακάτω τομείς:

Απουσία Απώλειων Ρεακτίβης Ισχύος

Η μεταφορά HVAC υφίσταται απώλειες ρεακτίβης ισχύος, οι οποίες είναι ανάλογες με την μήκος της γραμμής, τη συχνότητα και τις επιβαρύνσεις στη λήψη. Αυτές οι απώλειες μειώνουν την αποτελεσματική μεταφορά ισχύος και απορρίπτουν ενέργεια, περιορίζοντας την μέγιστη μήκος αποτελεσματικών γραμμών HVAC. Για την αντιμετώπιση αυτού, τα συστήματα HVAC εξαρτώνται από σειριακή και παράλληλη αντιστάθμιση για τη μείωση των VARs (volt-ampere reactive) και τη διατήρηση της σταθερότητας.

Σε αντίθεση, το HVDC λειτουργεί χωρίς συχνότητα ή ρεύμα φόρτισης, εξαλείφοντας εντελώς τις απώλειες ρεακτίβης ισχύος. Αυτό αφαιρεί την ανάγκη για τέτοια μέτρα αντιστάθμισης.

Μειωμένες Απώλειες Κορωνής

Όταν η τάση μεταφοράς υπερβαίνει ένα κρίσιμο όριο (την τάση εκκίνησης κορωνής), τα αέρια μόρια γύρω από τους συγκόλλησης ιονίζονται, δημιουργώντας λαμπρότητες (απώλειες κορωνής) που απορρίπτουν ενέργεια. Οι απώλειες κορωνής εξαρτώνται από το επίπεδο τάσης και τη συχνότητα. Επειδή το DC έχει μηδενική συχνότητα, οι απώλειες κορωνής του HVDC είναι περίπου το ένα τρίτο των απώλειων στα συστήματα HVAC.

Απουσία Επίδρασης Δέρματος

Το ρεύμα AC εμφανίζει την επίδραση δέρματος, όπου το ρεύμα συγκεντρώνεται κοντά στην επιφάνεια του συγκόλλησης, αφήνοντας τον πυρήνα ανεκμετάλλευτο. Αυτή η ανομοιογενής κατανομή ρεύματος μειώνει την αποτελεσματική διατομική περιοχή του συγκόλλησης, αυξάνοντας την αντίσταση (δεδομένου ότι η αντίσταση είναι αντίστροφα ανάλογη με την περιοχή) και αποτελεί σε υψηλότερες I²R απώλειες στις γραμμές HVAC. Το HVDC, με το σταθερό άμεσο ρεύμα, αποφεύγει αυτή την επίδραση, εξασφαλίζοντας ομοιόμορφη κατανομή ρεύματος στον συγκόλλησης και μειώνοντας τις αντιστατικές απώλειες.

Χωρίς Απώλειες Ακτινοβολίας ή Επιδράσεως

Οι γραμμές μεταφοράς HVAC υφίστανται απώλειες ακτινοβολίας και επιδράσεως λόγω των συνεχώς μεταβαλλόμενων μαγνητικών πεδίων. Οι απώλειες ακτινοβολίας συμβαίνουν επειδή οι μακρές γραμμές AC λειτουργούν ως αντένες, ακτινώνοντας ενέργεια που είναι ανακτήσιμη. Οι απώλειες επιδράσεως προκύπτουν από τα ρεύματα που επικαλύπτονται σε κοντινούς συγκόλλησης από το εναλλασσόμενο πεδίο.Στα συστήματα HVDC, το μαγνητικό πεδίο είναι σταθερό, εξαλείφοντας εντελώς και τις απώλειες ακτινοβολίας και επιδράσεως.

Μειωμένες Απώλειες Ρεύματος Φόρτισης

Οι υπόγειες και υποθαλάσσιες καλωδιακές εγκαταστάσεις έχουν παρασιτική παραγωγικότητα, η οποία απαιτεί φόρτιση πριν μπορέσουν να μεταφέρουν ενέργεια. Η παραγωγικότητα αυξάνει με τη μήκος του καλωδίου, και έτσι το ρεύμα φόρτισης αυξάνει ανάλογα.

Σε συστήματα AC, τα καλώδια φορτίζονται και αποφορτίζονται πολλές φορές ανά δευτερόλεπτο, απαιτώντας πρόσθετο ρεύμα από την πηγή για τη διατήρηση αυτού του κύκλου. Αυτό το πρόσθετο ρεύμα αυξάνει τις I²R απώλειες στο καλώδιο.Τα καλώδια HVDC, αντίθετα, απαιτούν φόρτιση μόνο κατά την αρχική ενεργοποίηση ή την αλλαγή. Αυτό εξαλείφει τις απώλειες που σχετίζονται με το συνεχές ρεύμα φόρτισης.

Χωρίς Απώλειες Θερμοποίησης Διελεκτρικού

Το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο στα συστήματα AC επηρεάζει τα υλικά απομόνωσης στις γραμμές μεταφοράς, προκαλώντας την απορρόφηση ενέργειας και τη μετατροπή της σε θερμότητα - ένα φαινόμενο γνωστό ως απώλειες διελεκτρικού. Αυτό όχι μόνο απορρίπτει ενέργεια, αλλά μειώνει επίσης τη διάρκεια ζωής της απομόνωσης.Τα συστήματα HVDC παράγουν σταθερό ηλεκτρικό πεδίο, αποφεύγοντας τις απώλειες διελεκτρικού και τα συναφή θερμαντικά προβλήματα απομόνωσης.

3) Λεπτότερα Συγκόλλησης

Η επίδραση δέρματος στο AC προκαλεί το ρεύμα να συγκεντρώνεται κοντά στην επιφάνεια του συγκόλλησης, απαιτώντας πιο παχύτερα συγκόλλησης για την αύξηση της επιφάνειας και την επιτροπή υψηλότερων ρευμάτων.Το HVDC, ελεύθερο από την επίδραση δέρματος, επιτρέπει την ομοιόμορφη κατανομή του ρεύματος στην διατομική περιοχή του συγκόλλησης. Αυτό επιτρέπει τη χρήση λεπτότερων συγκόλλησης ενώ διατηρεί την ίδια ικανότητα μεταφοράς ρεύματος, μειώνοντας το κόστος υλικών και το βάρος.

4) Περιορισμοί Μήκους Γραμμής

Οι γραμμές HVAC υφίστανται απώλειες ρεακτίβης ισχύος που αυξάνονται ανάλογα με το μήκος. Αυτό επιβάλλει ένα κρίσιμο όριο στην απόσταση μεταφοράς HVAC: πέρα από περίπου 500 χλμ για αεροφωρικές γραμμές, οι απώλειες ρεακτίβης ισχύος γίνονται εξαιρετικά υψηλές, διαταράσσοντας το σύστημα.Η μεταφορά HVDC, αντίθετα, δεν έχει τέτοιους περιορισμούς στο μήκος, κάνοντάς την κατάλληλη για μεταφορά ενέργειας σε υπερμακρά αποστάσεις.

5) Μειωμένες Απαιτήσεις Βαθμολογίας Καλωδίων

Τα καλώδια βαθμολογούνται για τη μέγιστη ανεπτυγμένη τάση και ρεύμα. Σε συστήματα AC, οι κορυφαίες τάσεις και ρεύματα είναι περίπου 1,4 φορές υψηλότερες από τις μέσες τιμές (οι οποίες αντιστοιχούν στην πραγματική μεταφερόμενη ισχύ). Ωστόσο, τα συγκόλλησης πρέπει να βαθμολογούνται για αυτές τις κορυφαίες τιμές.Σε συστήματα DC, οι κορυφαίες και μέσες τιμές είναι ίδιες. Αυτό σημαίνει ότι το HVDC μπορεί να μεταφέρει την ίδια ισχύ χρησιμοποιώντας καλώδια με χαμηλότερες βαθμολογίες τάσης και ρεύματος σε σύγκριση με το HVAC. Στην πραγματικότητα, τα συστήματα HVAC αποτελούνται περίπου 30% της ικανότητας ενός συγκόλλησης λόγω των υψηλότερων κορυφαίων απαιτήσεων.

6) Στενότερη Διαδρομή