Milyen előnyei vannak a HVDC-nak az HVAC fölött az áramátvitel terén?

Milyen előnyei vannak a magasfeszültségű egyirányú áram (HVDC) rendszernek a magasfeszültségű váltakozó áram (HVAC) rendszerhez képest?

Az áram hosszú távolságon utazik, mielőtt elérné a fogyasztókat. A távoli erőművek számtalan aláállomás és százok mérföldes távolságon keresztül szolgáltatják az áramot. A magasfeszültségű továbbítás csökkenti a vonalveszteségeket, mind a váltakozó, mind az egyirányú áram esetén használható. Bár a váltakozó áram jól ismert a települeti oszlopokon és otthoni csapcsapokon keresztül, a magasfeszültségű egyirányú áram (HVDC) a hatalmas energiatovábbításban jelentős előnyökkel bír.

A hatalmas energiatovábbítás célja a veszteségek és költségek minimalizálása. Bár mindkét technológiának van befolyásoló tényezője, a HVDC több előnnyel is rendelkezik. Ez a cikk a HVDC előnyeit mutatja be a HVAC-hez képest:

Alacsonyabb továbbítási költségek
A továbbítási költségek a terminális feszültség átalakító berendezésektől, a vezeték mennyiségétől/merőlegességétől, a torony méretétől és a veszteségektől függnek. A HVAC transzformátorokat használ az átalakításhoz – ez egyszerűbb és olcsóbb, mint a HVDC thyristor-alapú átalakítói, amelyekben ez az egyetlen költségi előnyük.

A HVAC legalább 3 vezetékre szükséges a háromfázisú továbbításhoz. A HVDC a földet visszavezető útként használva 1 (monopolaris) vagy 2 (bipolaris) vezetéket használ, ezzel csökkentve a költségeket. Még a háromfázisú vezetékek is kétszer annyi teljesítményt tudnak továbbítani a HVDC dupla bipolaris kapcsolatokkal.

A HVAC nagyobb fázis-föld és fázis-fázis távolságot igényel, ami magasabb, szélesebb tornyokat tesz szükségessé. A HVDC tornyai csökkentik a telepítési költségeket. A HVDC továbbá jelentősen alacsonyabb továbbítási veszteségekkel is rendelkezik, így hatékonyabb.

A teljes továbbítási költségeket két fő kategóriába sorolhatjuk: a terminális állomás költségei és a továbbítási vonal költségei. Az első rögzített kiadás, független a továbbítási távolságtól, míg az utóbbi változik a vonal hosszával. A VÁLTAKÖZÓ áram terminális költségei viszonylag alacsonyak, míg a HVDC terminális költségei jelentősen magasabbak. Azonban a HVAC továbbítási vonalak 100 km-ra vonatkozó költségei sokkal nagyobbak, mint a HVDC vonalaké. Így a HVAC és a HVDC teljes költségvonalai egy ponton metszik egymást, amit "break-even distance" (befektetési meghatározó távolság) néven ismerünk.

A befektetési meghatározó távolság az a továbbítási hossz, ami felett a HVAC teljes befektetési költségei meghaladják a HVDC-ket. Ez a távolság a továbbítási típus szerint változik: kb. 400–500 mérföld (600–800 km) a légszinti vonalak esetén, 20–50 km a tengeri vonalak esetén, és 50–100 km a földalatti vonalak esetén. Ezen küszöb felett a HVDC hatékonyabb és gazdaságilag ésszerűbb választás a hatalmas energiatovábbításra.

A HVDC továbbítás jelentősen alacsonyabb veszteségekkel jár, mint a HVAC, a következő területeken mutatkozva:

Reaktív teljesítményveszteségek hiánya

A HVAC továbbítás reaktív teljesítményveszteségekkel küzd, amelyek közvetlenül arányosak a vonal hosszával, frekvenciájával és a fogadó végén lévő induktív terhelésekkel. Ezek a veszteségek csökkentik a hatékony teljesítményátvitelt és energiafelhasználást, korlátozva a HVAC hatékony vonalak maximális hosszát. Ennek enyhítésére a HVAC rendszerek soros és párhuzamos kompenzáción alapuló VAR (volt-ampere reaktív) csökkentésre és stabilitás fenntartására támaszkodnak.

Ellenben a HVDC frekvencia- és töltési árammentes, így teljesen megszünteti a reaktív teljesítményveszteségeket. Ez megfelelő kompenzálási intézkedések nélkül is lehetséges.

Csökkentett korona veszteségek

Amikor a továbbítási feszültség meghaladja a kritikus küszöböt (a korona kezdeti feszültséget), a vezetékek körül lévő levegő molekulái ionizálódnak, aminek eredményeként nyelvek (korona kibocsátás) alakulnak, amelyek energiafelszívóak. A korona veszteségek a feszültség szintjétől és frekvenciájától függnek. Mivel a DC nullával rendelkezik frekvenciában, a HVDC korona veszteségei csak kb. harmadannyian akkora, mint a HVAC rendszereké.

Bőrhatás hiánya

A váltakozó áram bőrhatásnak nevezett jelenséget mutat, ahol az áram koncentrálódik a vezeték felületén, hagyva a belső részeket alulhasznosított állapotban. Ez a nem egyenletes árameloszlás csökkenti a vezeték hatékony kerületi területét, növelve a ellenállást (mivel az ellenállás fordítottan arányos a területtel) és emelkedő I²R veszteségeket okoz a HVAC vonalakban. A HVDC, a konstans egyirányú árammal, elkerüli ezt a hatást, biztosítva egyenletes árameloszlást a vezeték teljes kerületén, és minimalizálva a ellenállási veszteségeket.

Nincs sugárzás vagy indukció vesztesége

A HVAC továbbítási vonalak sugárzás és indukció veszteségekkel küzdenek, mivel állandóan változó mágneses mezőkkel rendelkeznek. A sugárzás veszteségek oka, hogy a hosszú VÁLTAKÖZÓ vonalak antennek hasonlóan viselkednek, sugárzva energia, amit nem lehet visszaszerezni. Az indukció veszteségek a közeli vezetékekben indukált áramokból adódnak a váltakozó mező révén.A HVDC rendszerekben a mágneses mező állandó, így teljesen megszünteti a sugárzás és indukció veszteségeket.

Csökkentett töltési áram veszteségek

A földalatti és tengeri kábelek rendelkeznek természetes paraszitikus kapacitással, amelyeket töltöttnek kell lenniük, mielőtt energiát továbbíthattanak. A kapacitás növekszik a kábel hosszával, és így a töltési áram is arányosan növekszik.

A VÁLTAKÖZÓ rendszerekben a kábelek töltődnek és üresednek többször másodpercenként, további áramot vonva a forrásból, hogy fenntartsák ezt a ciklust. Ez a további áram növeli a kábel I²R veszteségeit.A HVDC kábeleknek csak egyszer kell töltődniük, a kezdeti energizálás vagy kapcsoláskor. Ez megszünteti a folyamatos töltési áramokkal kapcsolatos veszteségeket.

Nincs dielektromos hőveszteség

A váltakozó áramrendszerben a váltakozó elektromos mező hatással van a továbbítási vonal izolációs anyagain, amelyek energiafelszívóak, és hővé alakítják, ami a dielektromos veszteségnek nevezik. Ez nemcsak energiafelszívó, de rövidíti az izoláció élettartamát is.A HVDC rendszerek állandó elektromos mezőt generálnak, így elkerülhető a dielektromos veszteség és a vele összefüggő izoláció hőproblémái.

3) Vékonyabb vezetékek

A VÁLTAKÖZÓ áram bőrhatása miatt az áram koncentrálódik a vezeték felületén, ami súlyosabb vezetékeket igényel, hogy növelje a felületi területet, és elfogadhassa a magasabb áramokat.A HVDC, amely a bőrhatástól mentes, lehetővé teszi, hogy az áram egyenletesen eloszódjon a vezeték kerületi területén. Ez lehetővé teszi a vékonyabb vezetékek használatát, miközben ugyanazt az áramviszonyt fenntartja, csökkentve a anyagköltségeket és a súlyt.

4) Vonal hosszának korlátai

A HVAC vonalak reaktív teljesítményveszteségekkel küzdenek, amelyek közvetlenül arányosak a vonal hosszával. Ez kritikus korlátot rón a HVAC továbbítási távolságra: kb. 500 km felett a légszinti vonalak esetén a reaktív teljesítményveszteségek túlságosan magasak, destabilizálva a rendszert.A HVDC továbbítás ilyen hosszúság korlátai nélkül működik, így alkalmas a nagyon hosszú távolságú energiaszállításra.

5) Csökkentett kábel besorolási követelmények

A kábelek besorolva vannak a legnagyobb tolerálható feszültség és áram alapján. A VÁLTAKÖZÓ rendszerekben a csúcsfeszültség és -áram körülbelül 1,4-szerese az átlagos értékeknek (amelyek megfelelnek a tényleges átadott teljesítménynek). Azonban a vezetékeknek a csúcsértékekre kell besorolva lenniük.A DC rendszerekben a csúcs- és átlagos értékek azonosak. Ez azt jelenti, hogy a HVDC ugyanolyan teljesítményt tud továbbítani alacsonyabb feszültség- és árambesorolt kábelekkel, mint a HVAC. Valójában a HVAC rendszerek kb. 30%-kal veszítik el a vezeték kapacitását a magasabb csúcsigények miatt.

6) Szűbb jogbiztonsági sáv

A "jogbiztonsági sáv" a továbbítási infrastruktúrához szükséges földterületet jelenti. A HVDC rendszerek szűbb jogbiztonsági sávot igényelnek, mivel kisebb tornyokat és kevesebb vezetéket használnak.A HVAC, szemben vele, magasabb tornyokat igényel, hogy támogassák a több vezetéket és nagyobb izolátort (amelyek a VÁLTAKÖZÓ csúcsfeszültségekre besoroltak), ami erősebb szerkezeti támogatást igényel. Ez a szélesebb lábonyomat növeli az anyagköltségeket, a építési és a földköltségeket – így a HVDC a jogbiztonsági sáv hatékonyságánál is jobb.

7) Jobb kábelalapú továbbítás

A földalatti és tengeri kábelek több vezetékből és őket elválasztó izolációból állnak, amelyek paraszitikus kapacitást kialakítanak. Ezek a kábelek nem tudnak energiát továbbítani, amíg teljesen töltöttnek nem lesznek, és a kapacitás (és így a töltési áram) növekszik a hosszával.A VÁLTAKÖZÓ rendszerek folyamatosan töltik és üresítik a kábeleket (50–60-szer másodpercenként), növelve az I²R veszteségeket és korlátozva a kábel hosszát. A HVDC kábeleknek csak egyszer kell töltődniük (a kezdeti energizálás vagy kapcsoláskor), így megszüntetve ilyen veszteségeket és hosszúság korlátokat.Ez a HVDC-t a tengeri, tengeri és földalatti kábel továbbítás preferált választásává teszi.

8) Bipoláris továbbítás

A HVDC támogatja a sokoldalú továbbítási módokat, a bipoláris továbbítás a széles körben használt és költséghatékony opció. Két párhuzamos vezetékből áll, amelyek ellentétes polaritásúak, a feszültségek a Földre viszonyítva kiegyensúlyozottak.Ha egy vonal meghibásodik vagy megszakad, a rendszer zökkenőmentesen átvált monopoláris módra: a maradék vonal folytatja az áramellátást, a Földet visszavezető útként használva.

9) Irányítható teljesítményáramlás

A HVDC átalakítók, melyek szilárdtest-elektronikai alapúak, lehetővé teszik a precíz irányítást a VÁLTAKÖZÓ hálózatokban. Gyors kapcsolási képessége (többször is ciklusonként működik) javítja a harmonikus teljesítményt, dämpeli a teljesítmény-ingadozásokat, és optimalizálja a hálózat teljesítményáramló kapacitását.

10) Gyors hiba-kiürítés

A hiba-áramok – amelyek elektrikus hibákból eredő anomális áramok – jelentős kockázatokat jelentenek. A HVAC rendszerekben a magas hiba-áramok károsíthatják a továbbítási vonalakat, állomásokat, generátort és terhelést.A HVDC minimalizálja ilyen kockázatokat: a hiba-áramok alacsonyabbak, korlátozva a károkat adott szakaszokra, és gyors kapcsolási működése biztosítja a gyors hiba-reagálást, javítva a rendszer erősséget.

11) Aszinkron hálózat-összekapcsolás

A HVDC lehetővé teszi aszinkron VÁLTAKÖZÓ hálózatok összekapcsolását, különböző paraméterekkel (pl. frekvencia, fázis).A régiók gyakran különböző frekvenciákat használnak (pl. 50 Hz Európában, 60 Hz az USA-ban), és a hálózatok különböző fázis eltérésekkel rendelkezhetnek, ami közvetlen VÁLTAKÖZÓ összekapcsolást lehetetlenít. A HVDC, amely frekvencia- és fázis-szabályozás nélkül működik, könnyen összekapcsolja ezeket a független rendszereket.

12) Okos hálózatok engedélyezése

Az okos hálózatok kis léptékű generátorkapacitásokat (napenergia, szélenergia, nukleáris energia) integrálják egy unifikált hálózatra intelligens teljesítményáramlás-irányítással.Ez a HVDC segítségével lehetséges, amely aszinkron összekapcsolást biztosít a generátor egységek között, és teljes irányítást biztosít a teljesítmény-elosztás felett, összhangban az okos hálózatok követelményeivel.

13) Csökkentett zajzavar

A HVDC sokkal kevesebb zajzavart okoz a közeli kommunikációs vonalaknak, mint a HVAC.A HVAC hallható buzgóságot, rádió- és TV-zajt okoz, melyek intenzitása a frekvenciához kötődik. A HVDC, amely nullával rendelkezik frekvenciában, minimális zajt okoz. Továbbá, a HVAC zajzavar rossz időjárási körülmények között nő, míg a HVDC zajzavara csökken, biztosítva stabilabb működést.