Mikä on HVDC:n etu HVAC:sta sähkönsiirrossa?

Mikä ovat HVDC:n etuja HVAC:n suhteen?

Sähkönsiirron tavoitteena on minimoida häviöt ja kustannukset. Vaikka molemmilla on vaikutteita, HVDC:llä on enemmän etuja. Tämä artikkeli tutkii HVDC:n etuja HVAC:n suhteen:

Alemmat Siirtokustannukset
Siirtokustannukset perustuvat lopputerminalin muuntolaitteisiin, johtojen määrään/leveyteen, tornien mittoihin ja häviöihin. HVAC käyttää muuntajia muunnoksessa – yksinkertaisempia ja edullisempia kuin HVDC:n thyristori-pohjaiset muuntimet, jotka ovat sen ainoa kustannuseetu.

HVAC tarvitsee vähintään kolme johtoa kolmifasedolle siirtoon. HVDC, joka käyttää maata paluuteittä, käyttää yhden (monopolinen) tai kaksi (bipolinen) johtoa, mikä vähentää kustannuksia. Jopa kolmifaseiset johtot, voivat kuljettaa kaksinkertaisen tehon HVDC:n kaksibipolaarisilla linkkeillä.

HVAC vaatii suurempaa fasi-maan ja fasi-fasi-välistä etäisyyttä, mikä tarkoittaa korkeampia ja leveämpiä tornoja. HVDC-tornit vähentävät asennuskustannuksia. HVDC:llä on myös huomattavasti pienempiä siirtöhäviöitä, mikä tekee siitä tehokkaampaa.

Kokonaissiirtokustannukset voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: terminalaseman kustannuksiin ja siirtolinjan kustannuksiin. Edellä mainittu on kiinteä kulu, joka on itsenäinen siirtodistancista, kun taas jälkimmäinen vaihtelee linjan pituuden mukaan. AC-terminalien kustannukset ovat suhteellisen alhaiset, kun taas HVDC-terminalien kustannukset ovat merkittävästi korkeammat. Kuitenkin kilometrin kohtaiset kustannukset HVAC-siirtolinjoissa ovat paljon suuremmat kuin HVDC-linjoissa. Näin ollen HVAC:n ja HVDC:n kokonaiskustannuskuviot leikkaavat toisensa tietyssä pisteessä, jota kutsutaan tasa-arvopisteeksi.

Tasa-arvopiste on siirtodistanssi, jonka jälkeen HVAC:n kokonaissijoituskustannukset ylittävät HVDC:n kustannukset. Tämä etäisyys vaihtelee siirtotyypin mukaan: noin 400–500 mailia (600–800 km) ilmassa kulkeville linjoille, 20–50 km allevedelle kulkeville linjoille ja 50–100 km maanalaisille linjoille. Tämän rajan yli HVDC tulee tehokkaammaksi ja taloudellisesti kannattavammaksi valinnaksi sähkönsiirtoon.

HVDC-siirrossa on huomattavasti pienempiä häviöitä HVAC:n verrattuna, ja se tuottaa parannuksia seuraavissa alueissa:

Reaktiivisen Voiman Häviöiden Poissaolo

HVAC-siirrossa esiintyy reaktiivisten voimien häviöitä, jotka ovat suoraan verrannollisia linjan pituuteen, taajuuteen ja vastaanottavan päätteen induktiivisiin kuormiin. Nämä häviöt vähentävät tehokasta voimansiirtoa ja hukkaavat energiaa, rajoittaen tehokkaiden HVAC-linjojen maksimipituutta. Tämän lievittämiseksi HVAC-järjestelmät luottavat sarja- ja shunt-kompensointiin, jolla vähennetään VAReja (volt-ampere reaktiivinen) ja ylläpidetään vakautta.

Toisaalta HVDC toimii ilman taajuutta tai varausvirtaa, mikä poistaa reaktiivisten voimien häviöt kokonaan. Tämä poistaa tarpeen tällaisille kompensaatioille.

Pienemmät Corona-häviöt

Kun siirtovoltti ylittää kriittisen kynnyksen (corona-inception volt), johtimen ympärillä olevat ilamolekyylit ionisoituvat, luoden piikkeitä (corona-discharge), jotka hukkaavat energiaa. Corona-häviöt riippuvat jännitetasosta ja taajuudesta. Koska DC:llä ei ole taajuutta, HVDC:n corona-häviöt ovat noin kolmannes HVAC-järjestelmien häviöistä.

Ihonvaikutuksen Poissaolo

Vaihtovirta näyttää ihonvaikutusta, jossa virta keskittyy johtimen pinta-alalle, jättäen ytimen käyttämättä. Tämä epätasainen virranjakautuminen vähentää johtimen tehokasta poikkileikkausala, lisääntien vastusta (koska vastus on käänteisesti verrannollinen alueeseen) ja aiheuttaen suurempia I²R-häviöitä HVAC-linjoissa. HVDC, jolla on tasainen suoravirta, välttää tämän vaikutuksen, varmistaa tasapainoisen virranjakautumisen johtimen läpi ja vähentää vastushäviöitä.

Ei Säteily- tai Induktionhäviöitä

HVAC-siirtolinjoissa esiintyy säteily- ja induktionhäviöitä niiden jatkuvasti muuttuvien magneettikenttien vuoksi. Säteilyhäviöt syntyvät, koska pitkät AC-linjat toimivat kuin antennit, säteilevät energiaa, jota ei voi palauttaa. Induktionhäviöt johtuvat nykyisten johtimien lähellä olevissa johtimissa aiheutuneista virtasuuntuuksista vaihtokentän vuoksi.HVDC-järjestelmissä magneettikenttä on vakio, mikä poistaa sekä säteily- että induktionhäviöt kokonaan.

Pienemmät Varausvirtahäviöt

Maanalaisilla ja altakuljettavilla kaapeleilla on ominaisparasitiivinen kapasitanssi, joka vaatii varautumisen ennen kuin ne voivat siirtää voimaa. Kapasitanssi kasvaa kaapelin pituuden mukaan, ja varausvirta nousee samassa suhteessa.

AC-järjestelmissä kaapelit varautuvat ja tyhjentyvät useita kertoja sekunnissa, vedoten lisävirtaa lähteestä ylläpitääkseen tämän kiertoperiaate. Tämä lisävirta lisää I²R-häviöitä kaapelissa.HVDC-kaapelit taas vaativat varautumista vain ensimmäisen kerran energioinnin tai kytkentän yhteydessä. Tämä poistaa jatkuvien varausvirtojen aiheuttamat häviöt.

Ei Dielektristen Lämpöhäviöiden

AC-järjestelmissä vaihtoehtoinen sähkökenttä vaikuttaa sähkölinjojen eristyshappeihin, saaden ne absorboimaan energiaa ja muuntaa sen lämpöenergiaksi – ilmiön, jota kutsutaan dielektriseksi häviökseksi. Tämä ei ainoastaan hukkaa energiaa, mutta myös lyhentää eritysmateriaalin käyttöikää.HVDC-järjestelmät luovat vakion sähkökentän, välttäen dielektriset häviöt ja liittyvät eritysmateriaalin lämpöongelmat.

3) Ohuemmat Johtimet

Ihonvaikutus AC:ssä aiheuttaa virran keskittyminen johtimen pinta-alalle, vaatien ohjempien johtimien lisäämiseksi pinta-alaan ja korkeampien virtojen mukauttamiseksi.HVDC, joka on vapaa ihonvaikutuksesta, sallii virran tasaisesti jakautua johtimen poikkileikkauksen yli. Tämä mahdollistaa ohuempien johtimien käyttö samalla virran kantokyvyn ylläpitämisellä, vähentäen materiaalikustannuksia ja painoa.

4) Linjan Pituuden Rajat

HVAC-linjat kärsivät reaktiivisten voimien häviöistä, jotka kasvavat suoraan linjan pituuden mukaan. Tämä asettaa kriittisen rajan HVAC-siirtoetäisyydelle: noin 500 km yläpuolella ilmassa kulkeville linjoille reaktiivisten voimien häviöt tulevat liian suureiksi, epästabiloivat järjestelmän.HVDC-siirrossa ei ole tällaisia pituusrajoituksia, mikä tekee siitä soveltuvan ultra-pitkiin siirtoetäisyyksiin.

5) Pienemmät Kaapelin Luokitusvaatimukset

Kaapelit luokitellaan maksimisietovolttiin ja -virtaan. AC-järjestelmissä huippujännite ja -virta ovat noin 1,4 kertaa suurempia kuin heidän keskiarvoarvonsa (jotka vastaavat todellista siirrettävää voimaa). Kuitenkin johtimet on luokiteltava näiden huippuarvojen mukaan.DC-järjestelmissä huippu- ja keskiarvoarvot ovat identtisiä. Tämä tarkoittaa, että HVDC voi siirtää samaa voimaa käyttäen kaapeleita, joilla on alhaisemmat jännite- ja virtaluokitusvaatimukset HVAC:n verrattuna. Itse asiassa HVAC-järjestelmät käyttävät noin 30 % johtimen kapasiteettia turhaan korkeampien huippuvaatimusten vuoksi.

6) Kapeampi Reitti

"Reitti" viittaa maarekisteriippuun, joka tarvitaan siirtorakenteiden asentamiseksi. HVDC-järjestelmät vaativat kapeampaa reittiä, koska ne käyttävät pienempiä tornoja ja vähemmän johtimia.HVAC taas tarvitsee korkeampia tornoja tukeakseen useampia johtimia ja suurempia eristimpiä (AC-huippujännitteitä varten), jotka vaativat vahvempaa rakennusrakennetta. Tämä laajempi jalanjälki lisää materiaali-, rakennus- ja maakustannuksia – tekeen HVDC:stä tehokkaampaa reitin suhteen.

7) Parempi Kaapelinperustainen Siirto

Maanalaiset ja altakuljettavat kaapelit koostuvat useista johtimista, jotka on erotettu eristyksellä, luoden parasitiivisen kapasitanssin niiden välille. Nämä kaapelit eivät voi siirtää voimaa ennen kuin ne on täysin varattu, ja kapasitanssi (ja siten varausvirta) kasvaa pituuden mukaan.AC-järjestelmät varautuvat ja tyhjentyvät kaapeleita toistuvasti (50–60 kertaa sekunnissa), lisäämällä I²R-häviöitä ja rajoittamalla kaapelin pituutta. HVDC-kaapelit taas varautuvat vain kerran (energian yhteydessä tai kytkennässä), poistamalla tällaiset häviöt ja pituusrajoitukset.Tämä tekee HVDC:stä suosittuun valinta offshore-, altakuljettaviin ja maanalaisiin kaapelin siirtoon.

8) Bipolaari Siirto

HVDC tukee monipuolisia siirtotapoja, joista bipolaari siirto on yleisesti käytetty ja kustannustehokas vaihtoehto. Se sisältää kaksi rinnakkaisia johtimia, joilla on päinvastaiset napayhteydet, joiden jännitteet on tasapainotettu maan suhteen.Jos yksi linja epäonnistuu tai katkeaa, järjestelmä siirtyy sujuvasti monopolilaumaan: jäljellä oleva linja jatkaa virran toimittamista, käyttäen maata paluuteittä.

9) Hallittava Voimansiirto

HVDC-muuntimet, jotka perustuvat kiinteän tilan elektronikkaan, mahdollistavat tarkkan tason hallinnan voimansiirrosta AC-verkoissa. Niiden nopea kytkentäkyky (toimii useita kertoja syklissä) parantaa harmonisointisuorituskykyä, hillitsee voimavaihteluja ja optimoi verkon voimansiirtovalmiutta.

10) Nopea Virhepoisto

Virhevirtat – epänormaalit virtat sähkövirheistä – aiheuttavat merkittäviä riskejä. HVAC-järjestelmissä korkeat virhevirtat voivat vahingoittaa siirtolinjoja, asemia, generaattoreita ja kuormia.HVDC minimoi tällaiset riskit: virhevirtat ovat pienempiä, rajoittamalla vahingot tiettyihin osiin, ja sen nopea kytkentätoiminto varmistaa nopean virheredityksen, parantaen järjestelmän resilienssia.

11) Asynkroninen Verkkoyhteyden Yhdistäminen

HVDC mahdollistaa eri parametreilla (esimerkiksi taajuudella, faasilla) toimivien asynkronisten AC-verkkojen yhdistämisen.Alueet käyttävät usein eri taajuutta (esimerkiksi 50 Hz Euroopassa vs. 60 Hz Yhdysvalloissa), ja verkot voivat olla faasieroissa, mikä tekee suoran AC-yhteyden mahdotonta. HVDC, joka toimii ilman taajuuden tai faasin rajoituksia, yhdistää nämä itsenäiset järjestelmät helposti.

12) Älyverkkoihin Mahdollistaminen

Älyverkot integroitavat pienimuotoisia tuotantojärjestelmiä (aurinko, tuuli, ydin) yhdeksi verkostoksi älykkään voimansiirron kanssa.Tämä on mahdollista HVDC:llä, joka tukee asynkronisen tuotantojärjestelmien yhdistämistä ja tarjoaa täydellisen hallinnan voimansiirrosta, vastaavat älyverkkovaatimukset.

13) Vähäinen Melusuuruuden Häiriö

HVDC aiheuttaa huomattavasti vähemmän melusuuruuden häiriötä lähellä oleville kommunikaatiolinjoille HVAC:n verrattuna.HVAC tuottaa kuulostavia, radio- ja TV-häiriöt, joiden intensiteetti on sidottu taajuuteen. HVDC, jolla ei ole taajuutta, tuottaa vähän melua. Lisäksi HVAC:n melu kasvaa huonossa säässä, kun taas HVDC:n melu vähenee, varmistamalla vakauden toiminnassa.