Hva er fordelene med HVDC sammenlignet med HVAC i kraftoverføring?

Hva er fordelene med HVDC sammenlignet med HVAC?

Elektrisiteten reiser lange veier før den når forbrukerne. Kraftverk, ofte fjerne, leverer elektrisitet gjennom hundrevis av mil og flere mellomstasjoner. Høyspenningsoverføring reduserer linjetap, både ved bruk av AC og DC. Selv om AC er kjent gjennom nettverkspoler og hjemmeuttak, tilbyr HVDC unike fordeler i kraftoverføring.

Målet med kraftoverføring er å minimere tap og kostnader. Mens begge møter påvirking fra faktorer, har HVDC flere fordeler. Denne artikkelen utforsker HVDCs fordeler overfor HVAC:

Lavere Overføringskostnader
Overføringskostnader avhenger av terminalspenningkonverteringsutstyr, lederantall/størrelse, tårndimensjoner og tap. HVAC bruker transformatorer for konvertering – enklere og billigere enn HVDCs thyristorbaserte konvertere, dens eneste kostnadsfordel.

HVAC trenger minst 3 ledere for 3-fase overføring. HVDC, som bruker jorden som returvei, bruker 1 leder (monopolar) eller 2 (bipolar), noe som skjærer kostnader. Selv 3-fase ledere kan bære dobbelt så mye kraft via HVDC dobbelt bipolare koblinger.

HVAC krever større fase-til-jord og fase-til-fase avstand, noe som krever høyere og bredere tårn. HVDC tårn reduserer installasjonskostnader. HVDC har også signifikant lavere overføringsTap, noe som gjør det mer effektivt.

Totale overføringskostnader kan deles inn i to hovedkategorier: terminalstasjonkostnader og overføringslinjekostnader. Det første er en fast utgift, uavhengig av overføringsavstand, mens det siste varierer med linjelengde. AC-terminalkostnader er relativt lave, mens HVDC-terminalkostnader er signifikant høyere. Imidlertid er kostnaden per 100 km for HVAC-overføringslinjer langt større enn for HVDC-linjer. Dermed krysser totalkostnadskurvene for HVAC og HVDC ved et punkt kjent som break-even avstand.

Break-even avstanden er overføringslengden der totalinvesteringen for HVAC overstiger den for HVDC. Denne avstanden varierer etter overførings type: omtrent 400–500 miles (600–800 km) for luftledninger, 20–50 km for under vannsledninger, og 50–100 km for undergrunnsledninger. Ut over denne terskelen blir HVDC en mer effektiv og økonomisk løsning for kraftoverføring.

HVDC-overføring fører til signifikant lavere tap sammenlignet med HVAC, med nøkkelforbedringer i følgende områder:

Fristand av Reaktiv Effekt Tap

HVAC-overføring lider av reaktiv effekt tap, som er direkte proporsjonalt med linjelengde, frekvens og induktive belastninger i mottakerenden. Disse tapene reduserer effektiv effektoverføring og spiller energi, noe som begrenser maksimal lengde for effektive HVAC-linjer. For å motvirke dette, støtter HVAC-systemer serie- og shunt-kompensasjon for å redusere VAR (volt-ampere reaktiv) og opprettholde stabilitet.

I motsetning til dette opererer HVDC uten frekvens eller ladestrøm, noe som eliminerer reaktiv effekt tap helt. Dette fjerner behovet for slike kompensasjonsforanstaltninger.

Reduserte Corona Tap

Når overføringspenning overstiger en kritisk terskel (corona inceptions penning), ioniseres luftmolekyler rundt ledere, skaper gnister (corona utslipp) som spiller energi. Corona tap avhenger av penningnivå og frekvens. Siden DC har null frekvens, er HVDC corona tap omtrent en tredjedel av de i HVAC-systemer.

Fristand av Skin Effekt

AC-strøm viser skin effekt, hvor strømmen koncentrerer seg nær lederytflaten, noe som la core ubrukt. Denne ulike strømfordelingen reduserer effektiv tversnittsareal av lederen, øker motstand (som er inversproporsjonal med areal) og resulterer i høyere I²R tap i HVAC-linjer. HVDC, med sin stabil direkte strøm, unngår denne effekten, sikrer jevn strømfordeling over hele lederen og minimerer motstandstap.

Ingen Stråling eller Induksjon Tap

HVAC-overføringslinjer lider av stråling og induksjon tap pga deres konstante endrende magnetiske felt. Stråling tap oppstår fordi lange AC-linjer fungerer som antenner, stråler energi som ikke kan gjenopprettes. Induksjon tap oppstår fra strømmer indusert i nærliggende ledere av det alternerende feltet.I HVDC-systemer er magnetfeltet konstant, noe som eliminerer både stråling og induksjon tap helt.

Reduserte Ladestrøm Tap

Undergrunns- og undervannskabler har innebygd parasittkapasitets, som krever lading før de kan overføre kraft. Kapasiteten øker med kabellengde, og dermed stiger ladestrømmen proporsjonalt.

I AC-systemer lades og lages kabler flere ganger per sekund, trekker ekstra strøm fra kilde for å opprettholde denne syklusen. Denne ekstra strømmen øker I²R tap i kabelen.HVDC-kabler, imidlertid, krever kun lading én gang under initial energiforsyning eller switching. Dette eliminerer tap forbundet med kontinuerlig ladestrøm.

Ingen Dielektrisk Varme Tap

Den alternerende elektriske feltet i AC-systemer påvirker isolasjonsmaterialer i overføringslinjer, gjør at de absorberer energi og konverterer den til varme – et fenomen kjent som dielektrisk tap. Dette spiller ikke bare energi, men forkorter også isolasjons livslengde.HVDC-systemer genererer et konstant elektrisk felt, unngår dielektriske tap og de tilknyttede isolasjonsvarme problemer.

3) Tyndere Ledere

Skin effekten i AC fører til at strømmen koncentrerer seg nær lederytflaten, noe som krever tykkere ledere for å øke ytflaten og akkommodere høyere strøm.HVDC, fri fra skin effekten, tillater strømfordeling jevnt over leder tversnittet. Dette muliggjør bruk av tyndere ledere samtidig som man beholder samme strømføringsevne, reduserer materialekostnader og vekt.

4) Linje Lengde Begrensninger

HVAC-linjer lider av reaktiv effekt tap som øker direkte med linjelengde. Dette pålegger en kritisk grense for HVAC-overføringsavstand: ut over omtrent 500 km for luftledninger, blir reaktiv effekt tap for høye, destabiliserer systemet.HVDC-overføring, imidlertid, har ingen slike lengdebegrensninger, gjør det egnet for ultra-langdistanse kraftlevering.

5) Reduserte Kabel Rating Krav

Kabler er rated for maksimal tolerabel spenning og strøm. I AC-systemer er toppspenning og -strøm omtrent 1.4 ganger høyere enn deres gjennomsnittlige verdier (som tilsvarer faktisk overført effekt). Imidlertid må ledere være rated for disse toppverdiene.I DC-systemer er topp- og gjennomsnittsverdier identiske. Dette betyr at HVDC kan overføre samme effekt ved bruk av kabler med lavere spenning og strøm rating sammenlignet med HVAC. Faktisk, HVAC-systemer sløser omtrent 30% av en leder kapasitet grunnet deres høyere toppkrav.

6) Smalere Rettighetsbane

"Rettighetsbane" refererer til landkorridoren som kreves for overføringsinfrastruktur. HVDC-systemer krever en smalere rettighetsbane fordi de bruker mindre tårn og færre ledere.HVAC, imidlertid, trenger høyere tårn for å støtte flere ledere og større isolatorer (rated for AC toppspenninger), som krever sterke strukturelle støtter. Denne bredere fotavtrykk øker materiale, bygging og landkostnader – gjør HVDC superiør i rettighetsbane effektivitet.

7) Superiør Kabelbasert Overføring

Undergrunns- og undervannskabler består av flere ledere separert av isolasjon, skaper parasittkapasitets mellom dem. Disse kablene kan ikke overføre kraft før de er fullt laded, og kapasiteten (og dermed ladestrøm) øker med lengde.AC-systemer lader og lager kabler repetitivt (50–60 ganger per sekund), forsterker I²R tap og begrenser kablelengde. HVDC-kabler, imidlertid, lades bare én gang (under initial energiforsyning eller switching), eliminerer slike tap og lengdebegrensninger.Dette gjør HVDC foretrukket valg for offshore, undervanns- og undergrunnskabeloverføring.

8) Bipolar Overføring

HVDC støtter versertle overføringsmodi, med bipolar overføring som et bredt anvendt og kostnadseffektivt alternativ. Det inneholder to parallelle ledere med motsatte polariteter, deres spenninger balanseres i forhold til jorden.Hvis en linje mislykkes eller bryter, skifter systemet flytende til monopolar modus: den gjenstående linjen fortsetter med å levere strøm, bruker jorden som returvei.

9) Kontrollerbar Effektflyt

HVDC-konvertere, basert på faststilte elektronikker, muliggjør nøyaktig kontroll over effektflyt i AC-nettverk. Deres raskt switchings evne (opererer flere ganger per syklus) forbedrer harmonisk yte, demp effektsvingninger og optimere nettverkets effektforbrukskapasitet.

10) Hurtig Feilhåndtering

Feilstrømmer – abnormale strømmer fra elektriske feil – representerer betydelige risikoer. I HVAC-systemer kan høye feilstrømmer skade overføringslinjer, stasjoner, generatorer og laster.HVDC minimiserer slike risikoer: feilstrømmer er lavere, begrenser skade til spesifikke seksjoner, og dens hurtige switchings drift sikrer rask feilrespons, forbedrer systemets motstandsdyktighet.

11) Asynkron Nettkobling

HVDC muliggjør kobling av asynkron AC-nett med ulike parametre (f.eks., frekvens, fase).Områder bruker ofte forskjellige frekvenser (f.eks., 50 Hz i Europa vs. 60 Hz i USA), og nett kan ha faseforskjeller, gjør direkte AC-kobling umulig. HVDC, som opererer uten frekvens eller fasebegrensninger, kobler lett disse uavhengige systemene.

12) Muliggjør Smart Grids

Smart grids integrerer småskala generatorer (sol, vind, nuklear) i et enhetlig nettverk med intelligent effektflytkontroll.Dette er mulig med HVDC, som støtter asynkron kobling av generasjonsenheter og gir full kontroll over effektfordeling, alligner med smart grid krav.

13) Redusert Støy Interferens

HVDC forårsaker langt mindre støyinterferens til nærliggende kommunikasjonslinjer sammenlignet med HVAC.HVAC genererer hørbart summing, radio- og TV-interferens, med intensitet knyttet til dens frekvens. HVDC, med null frekvens, produserer minimal støy. I tillegg øker HVAC-støy i dårlig vær, mens HVDC-støy minsker, sikrer mer stabil drift.