Quels sont les avantages du courant continu à haute tension (HVDC) par rapport au courant alternatif à haute tension (HVAC) dans la transmission d'électricité

Quels sont les avantages de l'HTCD par rapport à l'HTCA ?

L'électricité parcourt de longues distances avant d'atteindre les consommateurs. Les centrales électriques, souvent éloignées, fournissent de l'électricité à travers des centaines de kilomètres et plusieurs postes de transformation. La transmission à haute tension réduit les pertes en ligne, tant pour le courant alternatif que pour le courant continu. Bien que le courant alternatif soit familier via les poteaux de distribution et les prises de courant domestiques, l'HTCD offre des avantages uniques dans la transmission de l'énergie.

Le but de la transmission de l'énergie est de minimiser les pertes et les coûts. Bien que les deux soient confrontés à des facteurs influents, l'HTCD présente plus d'avantages. Cet article explore les avantages de l'HTCD sur l'HTCA :

Coûts de transmission inférieurs
Les coûts de transmission dépendent du matériel de conversion de tension aux terminaux, de la quantité et de la taille des conducteurs, des dimensions des pylônes et des pertes. L'HTCA utilise des transformateurs pour la conversion - plus simples et moins chers que les convertisseurs thyristor basés sur l'HTCD, qui constituent son seul avantage en termes de coûts.

L'HTCA nécessite au moins 3 conducteurs pour la transmission triphasée. L'HTCD, en utilisant la terre comme voie de retour, n'utilise qu'un conducteur (monopolaire) ou deux (bipolaire), réduisant ainsi les coûts. Même avec trois conducteurs triphasés, ils peuvent transporter le double de la puissance via des liaisons bipolaires doubles HTCD.

L'HTCA nécessite une plus grande distance entre les phases et la terre, ainsi que entre les phases, nécessitant des pylônes plus hauts et plus larges. Les pylônes HTCD réduisent les coûts d'installation. L'HTCD présente également des pertes de transmission significativement plus faibles, ce qui la rend plus efficace.

Les coûts totaux de transmission peuvent être divisés en deux catégories principales : les coûts des stations terminales et les coûts des lignes de transmission. Le premier est une dépense fixe, indépendante de la distance de transmission, tandis que le second varie avec la longueur de la ligne. Les coûts des stations terminales AC sont relativement faibles, tandis que ceux des stations terminales HTCD sont considérablement plus élevés. Cependant, le coût par 100 km pour les lignes de transmission HTCA est bien plus élevé que celui des lignes HTCD. Ainsi, les courbes de coûts totaux pour l'HTCA et l'HTCD se croisent en un point connu sous le nom de distance d'équilibre.

La distance d'équilibre est la longueur de transmission au-delà de laquelle le coût total d'investissement de l'HTCA dépasse celui de l'HTCD. Cette distance varie selon le type de transmission : environ 400 à 500 miles (600 à 800 km) pour les lignes aériennes, 20 à 50 km pour les lignes sous-marines et 50 à 100 km pour les lignes souterraines. Au-delà de ce seuil, l'HTCD devient un choix plus efficace et économiquement viable pour la transmission de l'énergie.

La transmission HTCD présente des pertes significativement plus faibles par rapport à l'HTCA, avec des améliorations clés dans les domaines suivants :

Absence de pertes de puissance réactive

La transmission HTCA souffre de pertes de puissance réactive, qui sont directement proportionnelles à la longueur de la ligne, à la fréquence et aux charges inductives au niveau du récepteur. Ces pertes réduisent le transfert effectif de puissance et gaspillent de l'énergie, limitant la longueur maximale des lignes HTCA efficaces. Pour atténuer cela, les systèmes HTCA s'appuient sur la compensation en série et en parallèle pour réduire les VAR (volt-ampère réactifs) et maintenir la stabilité.

En revanche, l'HTCD fonctionne sans fréquence ni courant de charge, éliminant entièrement les pertes de puissance réactive. Cela supprime la nécessité de telles mesures de compensation.

Réduction des pertes de couronne

Lorsque la tension de transmission dépasse un seuil critique (la tension d'apparition de la couronne), les molécules d'air autour des conducteurs s'ionisent, créant des étincelles (décharge de couronne) qui gaspillent de l'énergie. Les pertes de couronne dépendent du niveau de tension et de la fréquence. Comme le courant continu a une fréquence nulle, les pertes de couronne en HTCD sont environ un tiers de celles des systèmes HTCA.

Absence de l'effet peau

Le courant alternatif présente l'effet peau, où le courant se concentre près de la surface du conducteur, laissant le cœur sous-utilisé. Cette distribution inégale du courant réduit la section effective du conducteur, augmentant la résistance (qui est inversement proportionnelle à la section) et entraînant des pertes I²R plus importantes dans les lignes HTCA. L'HTCD, avec son courant continu stable, évite cet effet, assurant une distribution uniforme du courant à travers le conducteur et minimisant les pertes résistives.

Aucune perte de rayonnement ou d'induction

Les lignes de transmission HTCA subissent des pertes de rayonnement et d'induction en raison de leurs champs magnétiques constamment variables. Les pertes de rayonnement se produisent car les lignes CA longues agissent comme des antennes, rayonnant de l'énergie qui est irrécupérable. Les pertes d'induction proviennent des courants induits dans les conducteurs voisins par le champ alternatif. Dans les systèmes HTCD, le champ magnétique est constant, éliminant entièrement les pertes de rayonnement et d'induction.

Réduction des pertes de courant de charge

Les câbles souterrains et sous-marins ont une capacité parasite inhérente, qui nécessite une charge avant de pouvoir transmettre de l'énergie. La capacité augmente avec la longueur du câble, et donc le courant de charge augmente proportionnellement.

Dans les systèmes AC, les câbles se chargent et se déchargent plusieurs fois par seconde, tirant un courant supplémentaire de la source pour maintenir ce cycle. Ce courant supplémentaire augmente les pertes I²R dans le câble. En revanche, les câbles HTCD ne nécessitent qu'une charge initiale lors de l'énergisation ou du commutage. Cela élimine les pertes associées aux courants de charge continus.

Aucune perte de chauffage diélectrique

Le champ électrique alternatif dans les systèmes AC affecte les matériaux d'isolation des lignes de transmission, les faisant absorber de l'énergie et la convertir en chaleur - un phénomène connu sous le nom de perte diélectrique. Cela non seulement gaspille de l'énergie mais raccourcit également la durée de vie de l'isolation. Les systèmes HTCD génèrent un champ électrique constant, évitant les pertes diélectriques et les problèmes de chauffage de l'isolation associés.

3) Conducteurs plus fins

L'effet peau dans l'AC cause la concentration du courant près de la surface du conducteur, nécessitant des conducteurs plus épais pour augmenter la surface et accueillir des courants plus importants. L'HTCD, exempt de l'effet peau, permet une distribution uniforme du courant à travers la section transversale du conducteur. Cela permet l'utilisation de conducteurs plus fins tout en maintenant la même capacité de transport de courant, réduisant les coûts de matériau et le poids.

4) Limitations de la longueur des lignes

Les lignes HTCA souffrent de pertes de puissance réactive qui augmentent directement avec la longueur de la ligne. Cela impose une limite critique sur la distance de transmission HTCA : au-delà d'environ 500 km pour les lignes aériennes, les pertes de puissance réactive deviennent excessivement élevées, déséquilibrant le système. En revanche, la transmission HTCD n'a pas de telles restrictions de longueur, la rendant adaptée pour la livraison de puissance sur de très longues distances.

5) Réduction des exigences de classement des câbles

Les câbles sont classés pour leur tension et leur courant maximum tolérables. Dans les systèmes AC, la tension et le courant de crête sont environ 1,4 fois plus élevés que leurs valeurs moyennes (qui correspondent à la puissance réellement transmise). Cependant, les conducteurs doivent être classés pour ces valeurs de crête. Dans les systèmes DC, les valeurs de crête et moyennes sont identiques. Cela signifie que l'HTCD peut transmettre la même puissance en utilisant des câbles avec des tensions et des courants de classement inférieurs par rapport à l'HTCA. En fait, les systèmes HTCA gaspillent environ 30% de la capacité d'un conducteur en raison de leurs exigences de crête plus élevées.

6) Droit de passage plus étroit

"Droit de passage" fait référence au corridor de terrain nécessaire pour l'infrastructure de transmission. Les systèmes HTCD nécessitent un droit de passage plus étroit car ils utilisent des pylônes plus petits et moins de conducteurs. En revanche, l'HTCA a besoin de pylônes plus hauts pour supporter plus de conducteurs et de plus grands isolateurs (classés pour les tensions de crête AC), ce qui nécessite un support structurel plus robuste. Cette empreinte plus large augmente les coûts de matériau, de construction et de terrain, rendant l'HTCD supérieur en termes d'efficacité du droit de passage.

7) Transmission supérieure par câbles

Les câbles souterrains et sous-marins sont composés de multiples conducteurs séparés par de l'isolation, créant une capacité parasite entre eux. Ces câbles ne peuvent pas transmettre de puissance jusqu'à ce qu'ils soient complètement chargés, et la capacité (et donc le courant de charge) augmente avec la longueur. Les systèmes AC rechargent et déchargent les câbles de manière répétée (50-60 fois par seconde), amplifiant les pertes I²R et limitant la longueur des câbles. Les câbles HTCD, en revanche, ne se chargent qu'une fois (lors de l'énergisation initiale ou du commutage), éliminant ces pertes et les restrictions de longueur. Cela fait de l'HTCD le choix préféré pour la transmission par câbles offshore, sous-marins et souterrains.

8) Transmission bipolaire

L'HTCD supporte des modes de transmission polyvalents, la transmission bipolaire étant une option largement utilisée et rentable. Elle comporte deux conducteurs parallèles de polarités opposées, leurs tensions équilibrées par rapport à la terre. Si une ligne tombe en panne ou se rompt, le système bascule sans heurt en mode monopolaire : la ligne restante continue de fournir le courant, en utilisant la terre comme voie de retour.

9) Flux de puissance contrôlable

Les convertisseurs HTCD, basés sur l'électronique à semi-conducteurs, permettent un contrôle précis du flux de puissance dans les réseaux AC. Leur capacité de commutation rapide (fonctionnant plusieurs fois par cycle) améliore les performances harmoniques, atténue les oscillations de puissance et optimise la capacité d'alimentation du réseau.

10) Détection rapide des défauts

Les courants de défaut - courants anormaux dus à des défauts électriques - posent des risques importants. Dans les systèmes HTCA, les courants de défaut élevés peuvent endommager les lignes de transmission, les stations, les générateurs et les charges. L'HTCD minimise ces risques : les courants de défaut sont plus faibles, limitant les dommages à des sections spécifiques, et son opération de commutation rapide assure une réponse rapide aux défauts, renforçant la résilience du système.

11) Interconnexion asynchrone des réseaux

L'HTCD permet l'interconnexion de réseaux AC asynchrones avec des paramètres différents (par exemple, fréquence, phase). Les régions utilisent souvent des fréquences distinctes (par exemple, 50 Hz en Europe contre 60 Hz aux États-Unis), et les réseaux peuvent avoir des différences de phase, rendant impossible une interconnexion directe AC. L'HTCD, fonctionnant sans contraintes de fréquence ou de phase, relie facilement ces systèmes indépendants.

12) Facilitation des réseaux intelligents

Les réseaux intelligents intègrent des générateurs à petite échelle (solaire, éolien, nucléaire) dans un réseau unifié avec un contrôle intelligent du flux de puissance. Ceci est réalisable avec l'HTCD, qui prend en charge l'interconnexion asynchrone des unités de génération et fournit un contrôle total sur la distribution de la puissance, répondant aux exigences des réseaux intelligents.

13) Réduction des interférences sonores

L'HTCD cause beaucoup moins d'interférences sonores aux lignes de communication adjacentes par rapport à l'HTCA. L'HTCA génère un bourdonnement audible, des interférences radio et TV, dont l'intensité est liée à sa fréquence. L'HTCD, avec une fréquence nulle, produit un bruit minimal. De plus, le bruit de l'HTCA augmente par mauvais temps, tandis que celui de l'HTCD diminue, assurant un fonctionnement plus stable.