چه مزایایی دارد انتقال برق با استفاده از HVDC نسبت به HVAC؟

مزایای HVDC نسبت به HVAC چیست؟

برق مسافت‌های طولانی را قبل از رسیدن به مصرف‌کنندگان طی می‌کند. نیروگاه‌ها، غالباً در مناطق دوردست، برق را از طریق صدها مایل و زیرстанیون‌های متعدد تأمین می‌کنند. انتقال با ولتاژ بالا خطوط ضبط را کاهش می‌دهد، هم با AC و هم با DC استفاده می‌شود. اگرچه AC از طریق ستون‌های توزیع و پریزهای خانگی آشنا است، اما HVDC مزایای منحصر به فردی در انتقال قدرت دارد.

هدف انتقال قدرت کاهش ضیب‌ها و هزینه‌ها است. اگرچه هر دو با عوامل مؤثر مواجه هستند، اما HVDC مزایای بیشتری دارد. این مقاله مزایای HVDC نسبت به HVAC را بررسی می‌کند:

هزینه‌های انتقال پایین‌تر
هزینه‌های انتقال به تجهیزات تبدیل ولتاژ انتهایی، تعداد/اندازه رساناها، ابعاد برج‌ها و ضیب‌ها بستگی دارد. HVAC از ترانسفورماتورها برای تبدیل استفاده می‌کند که ساده‌تر و ارزان‌تر از تبدیل‌کننده‌های thyristor مبتنی بر HVDC است، تنها مزیت هزینه‌ای آن است.

HVAC حداقل ۳ رسانا برای انتقال ۳ فازی نیاز دارد. HVDC با استفاده از زمین به عنوان مسیر بازگشت، ۱ رسانا (یک‌قطبی) یا ۲ (دو‌قطبی) استفاده می‌کند که هزینه‌ها را کاهش می‌دهد. حتی رساناهای ۳ فازی می‌توانند با استفاده از پیوندهای دو‌قطبی دوگانه HVDC دو برابر قدرت را منتقل کنند.

HVAC فاصله بزرگ‌تری بین فاز به زمین و فاز به فاز نیاز دارد که نیازمند برج‌های بلندتر و گسترده‌تر است. برج‌های HVDC هزینه‌های نصب را کاهش می‌دهند. همچنین ضیب‌های انتقال در HVDC به طور قابل توجهی کمتر است که آن را کارآمدتر می‌کند.

هزینه‌های کلی انتقال می‌تواند به دو دسته اصلی تقسیم شود: هزینه‌های ایستگاه انتهایی و هزینه‌های خط انتقال. اولی یک هزینه ثابت است که مستقل از فاصله انتقال است، در حالی که دومی با طول خط متغیر است. هزینه‌های ایستگاه انتهایی AC نسبتاً پایین است، در حالی که هزینه‌های ایستگاه انتهایی HVDC به طور قابل توجهی بیشتر است. با این حال، هزینه هر ۱۰۰ کیلومتر خط انتقال HVAC به طور قابل توجهی بیشتر از خطوط HVDC است. بنابراین، منحنی‌های هزینه کلی HVAC و HVDC در یک نقطه معروف به فاصله تعادلی متقاطع می‌شوند.

فاصله تعادلی طول انتقالی است که در آن هزینه سرمایه‌گذاری کلی HVAC از HVDC فراتر می‌رود. این فاصله با نوع انتقال متفاوت است: تقریباً ۴۰۰ تا ۵۰۰ مایل (۶۰۰ تا ۸۰۰ کیلومتر) برای خطوط هوایی، ۲۰ تا ۵۰ کیلومتر برای خطوط زیرآبی و ۵۰ تا ۱۰۰ کیلومتر برای خطوط زیرزمینی. فراتر از این آستانه، HVDC یک گزینه کارآمدتر و اقتصادی‌تر برای انتقال قدرت می‌شود.

انتقال HVDC ضیب‌های قابل توجهی کمتر نسبت به HVAC دارد، با بهبود‌های کلیدی در زمینه‌های زیر:

عدم وجود ضیب‌های قدرت واکنشی

انتقال HVAC از ضیب‌های قدرت واکنشی رنج می‌برد که مستقیماً با طول خط، فرکانس و بارهای القایی در انتهای دریافت کننده متناسب است. این ضیب‌ها انتقال قدرت موثر را کاهش می‌دهند و انرژی را می‌سوزانند، که محدودیت حداکثر طول خطوط کارآمد HVAC را تعیین می‌کند. برای کاهش این مشکل، سیستم‌های HVAC از جبران‌سازی سری و موازی برای کاهش VARs (وا-آمپر واکنشی) و حفظ پایداری استفاده می‌کنند.

در مقایسه، HVDC بدون فرکانس یا جریان شارژ عمل می‌کند و ضیب‌های قدرت واکنشی را کاملاً حذف می‌کند. این امر نیاز به چنین اقدامات جبرانی را حذف می‌کند.

کاهش ضیب‌های کرونایی

وقتی ولتاژ انتقال فراتر از آستانه ای (ولتاژ شروع کرونایی) می‌رود، مولکول‌های هوا در اطراف رساناها یونیزه می‌شوند و اسپارک‌های (انتشار کرونا) ایجاد می‌کنند که انرژی را می‌سوزانند. ضیب‌های کرونایی به سطح ولتاژ و فرکانس بستگی دارد. چون DC فرکانس صفر دارد، ضیب‌های کرونا در سیستم‌های HVDC تقریباً یک سوم ضیب‌های سیستم‌های HVAC است.

عدم وجود اثر پوستی

جریان AC اثر پوستی را نشان می‌دهد که در آن جریان در نزدیکی سطح رسانا متمرکز می‌شود و هسته کمتر استفاده می‌شود. این توزیع نامتعادل جریان مساحت مؤثر رسانا را کاهش می‌دهد، مقاومت (که با مساحت نسبت معکوس دارد) را افزایش می‌دهد و منجر به ضیب‌های I²R بیشتر در خطوط HVAC می‌شود. HVDC با جریان مستقیم ثابت خود از این اثر پرهیز می‌کند، تضمین می‌کند که جریان به طور یکنواخت در سراسر رسانا توزیع شود و ضیب‌های مقاومتی را به حداقل می‌رساند.

عدم وجود ضیب‌های تابش یا القایی

خطوط انتقال HVAC از ضیب‌های تابش و القایی به دلیل میدان‌های مغناطیسی مداوم خود رنج می‌برند. ضیب‌های تابش به دلیل عملکرد خطوط AC بلند مانند آنتن‌ها که انرژی را تابش می‌کنند و غیرقابل بازیابی است، ایجاد می‌شود. ضیب‌های القایی از جریان‌های القایی در رساناهای نزدیک به میدان متناوب ناشی می‌شود.در سیستم‌های HVDC، میدان مغناطیسی ثابت است و هر دو ضیب تابش و القایی کاملاً حذف می‌شوند.

کاهش ضیب‌های جریان شارژ

کابل‌های زیرزمینی و زیرآبی ظرفیت پارازیتی ذاتی دارند که نیاز به شارژ شدن قبل از انتقال قدرت دارند. ظرفیت با طول کابل افزایش می‌یابد و بنابراین جریان شارژ نیز به طور متناسب افزایش می‌یابد.

در سیستم‌های AC، کابل‌ها چندین بار در هر ثانیه شارژ و دشارژ می‌شوند، جریان اضافی از منبع برای حفظ این چرخه می‌گیرند. این جریان اضافی ضیب‌های I²R در کابل را افزایش می‌دهد.کابل‌های HVDC، اما فقط یک بار در هنگام انرژی‌دهی اولیه یا تغییر وضعیت نیاز به شارژ دارند. این امر ضیب‌های مرتبط با جریان‌های شارژ مداوم را حذف می‌کند.

عدم وجود ضیب‌های گرمایی دی الکتریک

میدان الکتریکی متناوب در سیستم‌های AC مواد عایقی در خطوط انتقال را تحت تأثیر قرار می‌دهد و آنها را مجبور می‌کند انرژی را جذب کنند و آن را به گرما تبدیل کنند - یک پدیده که به عنوان ضیب دی الکتریک شناخته می‌شود. این امر نه تنها انرژی را می‌سوزاند بلکه عمر عایق را نیز کاهش می‌دهد.سیستم‌های HVDC یک میدان الکتریکی ثابت ایجاد می‌کنند، ضیب‌های دی الکتریک را کاملاً حذف می‌کنند و مشکلات گرمایی عایق را رفع می‌کنند.

۳) رساناهای لاغر‌تر

اثر پوستی در AC باعث می‌شود جریان در نزدیکی سطح رسانا متمرکز شود و نیاز به رساناهای ضخیم‌تر برای افزایش سطح و تحمل جریان‌های بالاتر باشد.HVDC که از اثر پوستی آزاد است، اجازه می‌دهد جریان به طور یکنواخت در سراسر مقطع رسانا توزیع شود. این امر امکان استفاده از رساناهای لاغر‌تر را فراهم می‌کند در حالی که ظرفیت جریان‌رسانی یکسان را حفظ می‌کند، هزینه مواد و وزن را کاهش می‌دهد.

۴) محدودیت‌های طول خط

خطوط HVAC از ضیب‌های قدرت واکنشی رنج می‌برند که مستقیماً با طول خط افزایش می‌یابند. این امر یک محدودیت بحرانی بر طول خطوط HVAC تحمیل می‌کند: فراتر از حدود ۵۰۰ کیلومتر برای خطوط هوایی، ضیب‌های قدرت واکنشی به طور قابل توجهی افزایش می‌یابند و سیستم را ناپایدار می‌کنند.انتقال HVDC، در مقایسه، هیچ محدودیت طولی ندارد و برای انتقال قدرت در مسافت‌های بسیار طولانی مناسب است.

۵) کاهش نیاز به رتبه‌بندی کابل

کابل‌ها برای ولتاژ و جریان حداکثر تحمل‌پذیر رتبه‌بندی می‌شوند. در سیستم‌های AC، ولتاژ و جریان پیک تقریباً ۱.۴ برابر مقادیر میانگین آنها (که متناظر با قدرت واقعی منتقل شده است) است. با این حال، رساناها باید برای این مقادیر پیک رتبه‌بندی شوند.در سیستم‌های DC، مقادیر پیک و میانگین یکسان هستند. این بدان معناست که HVDC می‌تواند با استفاده از کابل‌هایی با رتبه‌بندی ولتاژ و جریان پایین‌تر نسبت به HVAC همان قدرت را منتقل کند. در واقع، سیستم‌های HVAC به طور موثر حدود ۳۰٪ ظرفیت یک رسانا را به دلیل نیازهای پیک بالاتر خود می‌سوزانند.

۶) مسیر کناری باریک‌تر

"مسیر کناری" به کوریدور زمینی مورد نیاز برای زیرساخت‌های انتقال اشاره دارد. سیستم‌های HVDC مسیر کناری باریک‌تری نیاز دارند چون از برج‌های کوچک‌تر و رساناهای کمتر استفاده می‌کنند.در مقایسه، HVAC نیاز به برج‌های بلندتر برای حمایت از رساناهای بیشتر و عایقهای بزرگ‌تر (رتبه‌بندی شده برای ولتاژ پیک AC) دارد که نیاز به حمایت ساختاری قوی‌تر دارند. این پایه گسترده‌تر هزینه‌های مصالح، ساخت و زمین را افزایش می‌دهد - که HVDC از نظر کارایی مسیر کناری برتر است.

۷) انتقال براساس کابل بهتر

کابل‌های زیرزمینی و زیرآبی شامل چندین رسانا جدا شده با عایق هستند که ظرفیت پارازیتی بین آنها ایجاد می‌کنند. این کابل‌ها نمی‌توانند قدرت را منتقل کنند تا زمانی که کاملاً شارژ شوند، و ظرفیت (و بنابراین جریان شارژ) با طول افزایش می‌یابد.سیستم‌های AC کابل‌ها را چندین بار (۵۰-۶۰ بار در هر ثانیه) شارژ و دشارژ می‌کنند، که ضیب‌های I²R را افزایش می‌دهد و طول کابل را محدود می‌کند. کابل‌های HVDC، اما فقط یک بار (در هنگام انرژی‌دهی اولیه یا تغییر وضعیت) شارژ می‌شوند، این ضیب‌ها و محدودیت‌های طول را حذف می‌کنند.این امر HVDC را به گزینه مطلوب برای انتقال کابل‌های دریایی، زیرآبی و زیرزمینی می‌کند.

۸) انتقال دو قطبی

HVDC حالت‌های انتقال متنوعی را پشتیبانی می‌کند، با انتقال دو قطبی به عنوان یک گزینه گسترده و اقتصادی. این حالت شامل دو رسانای موازی با قطبیت‌های مخالف است، ولتاژ آنها نسبت به زمین متعادل است.اگر یک خط شکست یا قطع شود، سیستم به طور سلسله‌مرحلي به حالت یک‌قطبی تغییر می‌کند: خط باقی‌مانده جریان را ادامه می‌دهد و از زمین به عنوان مسیر بازگشت استفاده می‌کند.

۹) جریان قدرت قابل کنترل

تبدیل‌کننده‌های HVDC بر اساس الکترونیک جامد، کنترل دقیق بر جریان قدرت در شبکه‌های AC را امکان‌پذیر می‌کنند. توانایی سوئیچ‌گذاری سریع آنها (چندین بار در هر چرخه عمل می‌کنند) عملکرد هارمونیک را بهبود می‌بخشد، نوسانات قدرت را کاهش می‌دهد و ظرفیت تأمین قدرت شبکه را بهینه می‌کند.

۱۰) رفع سریع خطا

جریان‌های خطا - جریان‌های نامتعادل ناشی از خطاها - خطرات قابل توجهی ایجاد می‌کنند. در سیستم‌های HVAC، جریان‌های خطا بالا می‌توانند خطوط انتقال، ایستگاه‌ها، ژنراتورها و بارها را آسیب ببیند.HVDC این خطرات را به حداقل می‌رساند: جریان‌های خطا کمتر هستند، آسیب را به بخش‌های خاص محدود می‌کنند و عملکرد سوئیچ‌گذاری سریع آن اطمینان می‌دهد که پاسخ سریع به خطا را فراهم کند، که پایداری سیستم را افزایش می‌دهد.

۱۱) اتصال شبکه‌های نامتجانس

HVDC اتصال شبکه‌های AC نامتجانس با پارامترهای مختلف (مانند فرکانس، فاز) را ممکن می‌کند.مناطق اغلب از فرکانس‌های متفاوت (مانند ۵۰ Hz در اروپا و ۶۰ Hz در آمریکا) استفاده می‌کنند و شبکه‌ها ممکن است اختلاف فاز داشته باشند، که اتصال مستقیم AC را غیرممکن می‌کند. HVDC، که بدون محدودیت فرکانس یا فاز عمل می‌کند، این سیستم‌های مستقل را به راحتی مرتبط می‌کند.

۱۲) امکان‌پذیری شبکه‌های هوشمند

شبکه‌های هوشمند تولیدکننده‌های کوچک‌مقیاس (آفتابی، بادی، هسته‌ای) را در یک شبکه واحد با کنترل هوشمند جریان قدرت یکپارچه می‌کنند.این کار با استفاده از HVDC ممکن است که اتصال نامتجانس واحدهای تولید را پشتیبانی می‌کند و کنترل کامل بر توزیع قدرت را فراهم می‌کند، که با نیازهای شبکه‌های هوشمند همخوانی دارد.

۱۳) کاهش تداخل صوتی

HVDC تداخل صوتی بسیار کمتری نسبت به HVAC به خطوط ارتباطی نزدیک ایجاد می‌کند.HVAC صدای زوزه، رادیو و تلویزیون تولید می‌کند که شدت آن با فرکانس آن مرتبط است. HVDC با فرکانس صفر، تولید صدای کمتری دارد. علاوه بر این، تداخل صوتی HVAC در آب و هوای بد افزایش می‌یابد، در حالی که تداخل صوتی HVDC کاهش می‌یابد، که عملکرد پایدارتری را فراهم می‌کند.