Apakah Kelebihan HVDC Berbanding HVAC dalam Penghantaran Tenaga?
Apakah Kelebihan HVDC berbanding HVAC?
Elektrik perlu melalui jarak yang jauh sebelum sampai kepada pengguna. Loji janakuasa, seringkali terletak di tempat yang jauh, menghantar elektrik melalui ratusan batu dan beberapa substesyen. Penghantaran tenaga voltan tinggi mengurangkan kerugian garis, dengan kedua-dua AC dan DC digunakan. Walaupun AC lebih dikenali melalui tiang utiliti dan soket rumah, HVDC menawarkan kelebihan unik dalam penghantaran tenaga.
Tujuan penghantaran tenaga adalah untuk mengurangkan kerugian dan kos. Walaupun kedua-duanya menghadapi faktor-faktor yang mempengaruhi, HVDC mempunyai lebih banyak kelebihan. Artikel ini meneroka kelebihan HVDC berbanding HVAC:
Kos Penghantaran yang Lebih Rendah
Kos penghantaran bergantung pada peralatan penukaran voltan terminal, jumlah/ukuran konduktor, dimensi menara, dan kerugian. HVAC menggunakan transformer untuk penukaran—lebih mudah dan murah daripada penukar berdasarkan thyristor HVDC, satu-satunya kelebihan kosnya.
HVAC memerlukan sekurang-kurangnya 3 konduktor untuk penghantaran 3 fasa. HVDC, menggunakan bumi sebagai laluan kembali, menggunakan 1 konduktor (monopolar) atau 2 (bipolar), mengurangkan kos. Bahkan konduktor 3 fasa boleh membawa kuasa dua kali ganda melalui tautan HVDC bipolar ganda.
HVAC memerlukan ruang fasa-ke-tanah dan fasa-ke-fasa yang lebih besar, memerlukan menara yang lebih tinggi dan lebar. Menara HVDC mengurangkan kos pemasangan. HVDC juga mempunyai kerugian penghantaran yang jauh lebih rendah, menjadikannya lebih cekap.
Jumlah kos penghantaran boleh dibahagikan kepada dua kategori utama: kos stesen terminal dan kos garisan penghantaran. Yang pertama adalah perbelanjaan tetap, tidak bergantung pada jarak penghantaran, manakala yang kedua berubah dengan panjang garisan. Kos terminal AC agak rendah, manakala kos terminal HVDC jauh lebih tinggi. Walau bagaimanapun, kos setiap 100 km untuk garisan penghantaran HVAC jauh lebih besar daripada garisan HVDC. Oleh itu, lengkung kos total HVAC dan HVDC bersilang pada titik yang dikenali sebagai jarak impas.
Jarak impas adalah panjang penghantaran di mana jumlah kos pelaburan HVAC melebihi HVDC. Jarak ini berbeza mengikut jenis penghantaran: kira-kira 400–500 batu (600–800 km) untuk garisan udara, 20–50 km untuk garisan bawah laut, dan 50–100 km untuk garisan bawah tanah. Di luar ambang ini, HVDC menjadi pilihan yang lebih cekap dan ekonomi untuk penghantaran tenaga.
Penghantaran HVDC mengalami kerugian yang jauh lebih rendah berbanding HVAC, dengan peningkatan utama dalam bidang-bidang berikut:
Tiada Kerugian Kuasa Reaktif
Penghantaran HVAC mengalami kerugian kuasa reaktif, yang berkadar langsung dengan panjang garis, frekuensi, dan beban induktif di hujung penerima. Kerugian ini mengurangkan pemindahan kuasa efektif dan membuang tenaga, membatasi panjang maksimum garisan HVAC yang cekap. Untuk mengurangkan ini, sistem HVAC bergantung pada kompensasi siri dan shunt untuk mengurangkan VAR (volt-ampere reaktif) dan mengekalkan kestabilan.
Sebaliknya, HVDC beroperasi tanpa frekuensi atau arus cas, menghapuskan sepenuhnya kerugian kuasa reaktif. Ini menghilangkan keperluan untuk langkah-langkah kompensasi tersebut.
Kerugian Corona yang Berkurangan
Apabila voltan penghantaran melebihi ambang kritikal (voltan inisiasi corona), molekul udara di sekitar konduktor ionized, mencipta percikan (pelepasan corona) yang membuang tenaga. Kerugian corona bergantung pada tahap voltan dan frekuensi. Karena DC mempunyai frekuensi sifar, kerugian corona HVDC kira-kira sepertiga daripada sistem HVAC.
Tiada Efek Kulit
Arus AC menunjukkan efek kulit, di mana arus berpusat di dekat permukaan konduktor, meninggalkan inti tidak digunakan. Pembahagian arus yang tidak merata ini mengurangkan luas keratan rentas konduktor yang berkesan, meningkatkan rintangan (sebagai rintangan adalah berbanding songsang dengan luas) dan menghasilkan kerugian I²R yang lebih tinggi dalam garisan HVAC. HVDC, dengan arus langsungnya yang stabil, mengelakkan kesan ini, memastikan pembahagian arus yang merata di seluruh konduktor dan mengurangkan kerugian rintangan.
Tiada Kerugian Radiasi atau Induksi
Garisan penghantaran HVAC mengalami kerugian radiasi dan induksi disebabkan oleh medan magnetik yang berubah-ubah secara berterusan. Kerugian radiasi berlaku kerana garisan AC panjang bertindak seperti antena, memancarkan tenaga yang tidak dapat dipulihkan. Kerugian induksi timbul dari arus yang diinduksi dalam konduktor berdekatan oleh medan alterna.Dalam sistem HVDC, medan magnetik adalah tetap, menghapuskan sepenuhnya kedua-dua kerugian radiasi dan induksi.
Kerugian Arus Cas yang Berkurangan
Kabel bawah tanah dan bawah air mempunyai kapasitansi parasit intrinsik, yang memerlukan cas sebelum mereka boleh menghantar tenaga. Kapasitansi meningkat dengan panjang kabel, dan oleh itu arus cas juga meningkat secara proporsional.
Dalam sistem AC, kabel cas dan discas beberapa kali setiap saat, menarik arus tambahan dari sumber untuk mengekalkan siklus ini. Arus tambahan ini meningkatkan kerugian I²R dalam kabel.Kabel HVDC, bagaimanapun, hanya memerlukan cas sekali semasa penggerakan awal atau penukaran. Ini menghapuskan kerugian yang berkaitan dengan arus cas berterusan.
Tiada Kerugian Pemanasan Dielektrik
Medan elektrik alternatif dalam sistem AC mempengaruhi bahan isolasi dalam garisan penghantaran, menyebabkan mereka menyerap tenaga dan menukarnya menjadi haba—fenomena yang dikenali sebagai kerugian dielektrik. Ini bukan sahaja membuang tenaga tetapi juga memendekkan umur isolasi.Sistem HVDC menghasilkan medan elektrik yang tetap, mengelakkan kerugian dielektrik dan isu-isu pemanasan isolasi yang berkaitan.
3) Konduktor yang Lebih Tipis
Efek kulit dalam AC menyebabkan arus berpusat di dekat permukaan konduktor, memerlukan konduktor yang lebih tebal untuk meningkatkan luas permukaan dan menampung arus yang lebih tinggi.HVDC, bebas dari efek kulit, membolehkan arus didistribusikan secara merata di seluruh keratan rentas konduktor. Ini membolehkan penggunaan konduktor yang lebih tipis sambil mengekalkan kapasiti penghantaran arus yang sama, mengurangkan kos bahan dan berat.
4) Had Panjang Garisan
Garisan HVAC mengalami kerugian kuasa reaktif yang meningkat secara langsung dengan panjang garis. Ini memberi had kritikal pada jarak penghantaran HVAC: di luar kira-kira 500 km untuk garisan udara, kerugian kuasa reaktif menjadi terlalu tinggi, mengganggu sistem.Penghantaran HVDC, sebaliknya, tidak mempunyai had panjang, menjadikannya sesuai untuk penghantaran jarak jauh yang sangat panjang.
5) Syarat Penilaian Kabel yang Berkurangan
Kabel dinilai berdasarkan voltan dan arus maksimum yang dapat ditoleransi. Dalam sistem AC, voltan dan arus puncak kira-kira 1.4 kali lebih tinggi daripada nilai purata mereka (yang berkoresponden dengan tenaga yang sebenarnya dihantar). Walau bagaimanapun, konduktor harus dinilai untuk nilai-nilai puncak ini.Dalam sistem DC, nilai puncak dan purata adalah identik. Ini bermaksud HVDC dapat menghantar tenaga yang sama menggunakan kabel dengan penilaian voltan dan arus yang lebih rendah berbanding HVAC. Faktanya, sistem HVAC secara efektif membuang kira-kira 30% kapasiti konduktor disebabkan syarat puncak yang lebih tinggi.
6) Lelanggaran Hak Jalur yang Lebih Sempit
"Hak jalur" merujuk kepada koridor tanah yang diperlukan untuk infrastruktur penghantaran. Sistem HVDC memerlukan hak jalur yang lebih sempit kerana ia menggunakan menara yang lebih kecil dan konduktor yang lebih sedikit.HVAC, sebaliknya, memerlukan menara yang lebih tinggi untuk menyokong lebih banyak konduktor dan insulator yang lebih besar (dinilai untuk voltan puncak AC), yang memerlukan sokongan struktur yang lebih kuat. Jejak yang lebih luas ini meningkatkan kos bahan, pembinaan, dan tanah—membuat HVDC lebih unggul dari segi kecekapan hak jalur.
7) Penghantaran Berdasarkan Kabel yang Lebih Baik
Kabel bawah tanah dan bawah air terdiri daripada beberapa konduktor yang dipisahkan oleh isolasi, mencipta kapasitansi parasit antara mereka. Kabel-kabel ini tidak dapat menghantar tenaga sehingga sepenuhnya dicas, dan kapasitansi (dan oleh itu arus cas) meningkat dengan panjang.Sistem AC secara berulang kali mencas dan discas kabel (50–60 kali setiap saat), memperbesar kerugian I²R dan membatasi panjang kabel. Kabel HVDC, bagaimanapun, hanya dicas sekali (semasa penggerakan awal atau penukaran), menghapuskan kerugian dan had panjang tersebut.Ini menjadikan HVDC pilihan yang lebih disukai untuk penghantaran kabel luar pesisir, bawah air, dan bawah tanah.
8) Penghantaran Bipolar
HVDC menyokong mod penghantaran yang berbilang, dengan penghantaran bipolar menjadi pilihan yang luas digunakan dan berkos rendah. Ia mempunyai dua konduktor paralel dengan polaritas yang bertentangan, voltan mereka seimbang berbanding bumi.Jika salah satu garis gagal atau putus, sistem secara lancar beralih ke mod monopolar: garis yang tersisa terus menghantar arus, menggunakan bumi sebagai laluan kembali.
9) Aliran Kuasa yang Terkawal
Penukar HVDC, berdasarkan elektronik padat, membolehkan kawalan tepat atas aliran kuasa dalam rangkaian AC. Kemampuan penukaran cepat mereka (beroperasi beberapa kali setiap siklus) meningkatkan prestasi harmonik, meredam ayunan kuasa, dan mengoptimumkan kapasiti bekalan kuasa rangkaian.
10) Pembersihan Cepat Kesalahan
Arus kesalahan—arus abnormal dari kesalahan elektrik—menimbulkan risiko yang signifikan. Dalam sistem HVAC, arus kesalahan yang tinggi boleh merosakkan garisan penghantaran, stesen, penjana, dan beban.HVDC mengurangkan risiko tersebut: arus kesalahan lebih rendah, membatasi kerosakan kepada bahagian tertentu, dan operasi penukaran cepatnya memastikan respons kesalahan yang cepat, meningkatkan ketahanan sistem.
11) Interkoneksi Grid Asinkron
HVDC membolehkan interkoneksi grid AC asinkron dengan parameter yang berbeza (contohnya, frekuensi, fasa).Wilayah sering menggunakan frekuensi yang berbeza (contohnya, 50 Hz di Eropah vs. 60 Hz di AS), dan grid mungkin mempunyai perbezaan fasa, membuat interkoneksi AC langsung mustahil. HVDC, beroperasi tanpa keterbatasan frekuensi atau fasa, dengan mudah menghubungkan sistem-sistem ini.
12) Mewujudkan Grid Cerdas
Grid cerdas mengintegrasikan penjana skala kecil (surya, angin, nuklear) ke dalam rangkaian yang disatukan dengan kawalan aliran kuasa yang cerdas.Ini adalah kemungkinan dengan HVDC, yang menyokong interkoneksi asinkron unit penjana dan memberikan kawalan penuh atas distribusi kuasa, sejajar dengan keperluan grid cerdas.
13) Gangguan Bunyi yang Berkurangan
HVDC mengakibatkan gangguan bunyi yang jauh lebih sedikit kepada garisan komunikasi berdekatan berbanding HVAC.HVAC menghasilkan bunyi mendengung, gangguan radio, dan TV, dengan intensiti yang berkaitan dengan frekuensinya. HVDC, dengan frekuensi sifar, menghasilkan bunyi minimal. Selain itu, gangguan HVAC meningkat dalam cuaca buruk, sementara gangguan HVDC berkurang, memastikan operasi yang lebih stabil.
