Jakie są zalety HVDC w porównaniu do HVAC w transmisji energii elektrycznej

Jakie są zalety HVDC nad HVAC?

Prąd elektryczny przemieszcza się na duże odległości przed dotarciem do konsumentów. Elektrownie, często zlokalizowane w odosobnionych miejscach, dostarczają prądu przez setki mil i wiele podstacji przekształcających. Wysokonapięciowe przesyłanie zmniejsza straty w linii, zarówno przy użyciu prądu przemiennego, jak i stałego. Chociaż prąd przemienny jest powszechny dzięki słupom energetycznym i gniazdkom domowym, HVDC oferuje unikalne zalety w przesyłaniu energii.

Celem przesyłania energii jest minimalizacja strat i kosztów. Choć oba systemy mają wpływające na nie czynniki, HVDC ma więcej zalet. Ten artykuł bada zalety HVDC nad HVAC:

Niskie Koszty Przesyłania
Koszty przesyłania zależą od sprzętu konwertującego napięcie końcowe, ilości/wielkości przewodników, wymiarów wież i strat. HVAC używa transformatorów do konwersji - prostszych i tańszych niż thyristorowe konwertery HVDC, co stanowi jego jedyną korzyść kosztową.

HVAC wymaga co najmniej 3 przewodników dla trójfazowego przesyłania. HVDC, używając ziemi jako drogi powrotnej, używa 1 przewodnika (monopolarne) lub 2 (bipolarne), co obniża koszty. Nawet trójfazowe przewodniki mogą przesyłać podwójną moc za pomocą podwójnych połączeń bipolarnych HVDC.

HVAC wymaga większej odległości między fazami a ziemią oraz między fazami, co oznacza potrzebę wyższych i szerszych wież. Wieże HVDC obniżają koszty instalacji. HVDC ma również znacznie mniejsze straty przesyłania, co czyni go bardziej efektywnym.

Całkowite koszty przesyłania można podzielić na dwie główne kategorie: koszty stacji końcowej i koszty linii przesyłowej. Pierwsze to stałe wydatki, niezależne od odległości przesyłania, podczas gdy drugie zmieniają się wraz z długością linii. Koszty stacji końcowej AC są stosunkowo niskie, podczas gdy koszty stacji końcowej HVDC są znacznie wyższe. Jednak koszt na 100 km linii przesyłowej HVAC jest znacznie wyższy niż dla linii HVDC. Dlatego krzywe całkowitych kosztów HVAC i HVDC przecinają się w punkcie znanym jako punkt zrównoważony.

Punkt zrównoważony to odległość przesyłania, po której całkowity koszt inwestycji w HVAC przekracza koszt HVDC. Ta odległość różni się w zależności od typu przesyłania: około 400-500 mil (600-800 km) dla linii powietrznych, 20-50 km dla linii podwodnych i 50-100 km dla linii podziemnych. Po przekroczeniu tego progu HVDC staje się bardziej efektywnym i ekonomicznie opłacalnym wyborem do przesyłania energii.

Przesyłanie HVDC generuje znacznie mniejsze straty w porównaniu do HVAC, z kluczowymi poprawami w następujących obszarach:

Brak Strat Mocy Biernej

Przesyłanie HVAC cierpi na straty mocy biernej, które są bezpośrednio proporcjonalne do długości linii, częstotliwości i obciążeń indukcyjnych na końcu odbiorczym. Te straty zmniejszają skuteczność przesyłania mocy i marnują energię, ograniczając maksymalną długość efektywnych linii HVAC. Aby to złagodzić, systemy HVAC polegają na kompensacji szeregowej i równoległej, aby zmniejszyć VAR (volt-ampere reaktywne) i utrzymać stabilność.

W przeciwieństwie do tego, HVDC działa bez częstotliwości i prądu ładowania, eliminując całkowicie straty mocy biernej. To usuwa potrzebę takich środków kompensacji.

Zmniejszone Straty Koronowe

Gdy napięcie przesyłania przekracza krytyczny próg (napięcie początkowe korony), molekuły powietrza wokół przewodników jonizują, tworząc iskry (rozład koronowy), które marnują energię. Straty koronowe zależą od poziomu napięcia i częstotliwości. Ponieważ DC ma zerową częstotliwość, straty koronowe HVDC wynoszą około jednej trzeciej tych w systemach HVAC.

Brak Efektu Skórnego

Prąd przemienny wykazuje efekt skórny, gdzie prąd koncentruje się w pobliżu powierzchni przewodnika, pozostawiając rdzeń nieużytkowany. Ta nierównomierna dystrybucja prądu zmniejsza efektywną przekrojową powierzchnię przewodnika, zwiększając opór (ponieważ opór jest odwrotnie proporcjonalny do powierzchni) i prowadząc do wyższych strat I²R w liniach HVAC. HVDC, z jego stałym prądem stałym, unika tego efektu, zapewniając równomierne rozłożenie prądu w przekroju przewodnika i minimalizując straty oporowe.

Brak Strat Radialnych ani Indukcyjnych

Linie przesyłające HVAC cierpią na straty radialne i indukcyjne ze względu na ich ciągle zmieniające się pola magnetyczne. Straty radialne występują, ponieważ długie linie AC działają jak anteny, emitując energię, która jest nieodwracalna. Straty indukcyjne powstają z prądów indukowanych w pobliskich przewodnikach przez pole alternujące.W systemach HVDC pole magnetyczne jest stałe, eliminując zarówno straty radialne, jak i indukcyjne.

Zmniejszone Straty Prądu Ładowania

Podziemne i podwodne kabiny mają naturalną pojemność pasożytniczą, która wymaga ładowania przed przesyłaniem mocy. Pojemność wzrasta wraz z długością kabla, a więc prąd ładowania również rośnie proporcjonalnie.

W systemach AC kabiny ładują i rozładowują się wielokrotnie na sekundę, pobierając dodatkowy prąd z źródła, aby utrzymać ten cykl. Ten dodatkowy prąd zwiększa straty I²R w kablu.Kabiny HVDC wymagają jedynie ładowania raz podczas początkowego napędzenia lub przełączania. To eliminuje straty związane z ciągłym prądem ładowania.

Brak Strat Dielektrycznych

Alternujące pole elektryczne w systemach AC wpływa na materiały izolacyjne w liniach przesyłowych, powodując ich absorpcję energii i jej przekształcanie w ciepło - zjawisko znane jako strata dielektryczna. To nie tylko marnuje energię, ale także skraca żywotność izolacji.Systemy HVDC generują stałe pole elektryczne, unikając strat dielektrycznych i związanych z tym problemów z nagrzewaniem izolacji.

3) Cieńsze Przewodniki

Efekt skórny w AC powoduje koncentrację prądu w pobliżu powierzchni przewodnika, wymagając grubszych przewodników, aby zwiększyć powierzchnię i pomieścić większe prądy.HVDC, wolny od efektu skórno, pozwala na równomierne rozłożenie prądu w przekroju przewodnika. To umożliwia użycie cieńszych przewodników, jednocześnie utrzymując tę samą zdolność przeprowadzania prądu, co obniża koszty materiałowe i wagę.

4) Ograniczenia Długości Linii

Linie HVAC cierpią na straty mocy biernej, które rosną wprost proporcjonalnie do długości linii. To narzuca krytyczne ograniczenie odległości przesyłania HVAC: po około 500 km dla linii powietrznych straty mocy biernej stają się zbyt wysokie, destabilizując system.Przesyłanie HVDC, z drugiej strony, nie ma takich ograniczeń długości, co sprawia, że jest odpowiednie do przesyłania mocy na bardzo długich dystansach.

5) Zmniejszone Wymagania Dotyczące Klasyfikacji Kabli

Kable są klasyfikowane według maksymalnie dopuszczalnego napięcia i prądu. W systemach AC wartości szczytowe napięcia i prądu są około 1,4 razy wyższe niż ich średnie wartości (które odpowiadają rzeczywistej przesyłanej mocy). Jednak przewodniki muszą być klasyfikowane dla tych wartości szczytowych.W systemach DC wartości szczytowe i średnie są identyczne. To oznacza, że HVDC może przesyłać tę samą moc, używając kabli o niższych klasyfikacjach napięcia i prądu w porównaniu do HVAC. W rzeczywistości, systemy HVAC efektywnie marnują około 30% pojemności przewodnika ze względu na wyższe wymagania szczytowe.

6) Węższy Pasaż Uprawnień

"Pasaż uprawnień" odnosi się do pasa terenu wymaganego do infrastruktury przesyłowej. Systemy HVDC wymagają węższego pasa uprawnień, ponieważ używają mniejszych wież i mniej przewodników.HVAC, z drugiej strony, potrzebuje wyższych wież, aby wspierać więcej przewodników i większe izolatory (klasyfikowane dla szczytowych napięć AC), co wymaga silniejszego wsparcia strukturalnego. Szeroki stopa zwiększa koszty materiałowe, budowlane i terenowe - co sprawia, że HVDC jest lepszy pod względem efektywności pasa uprawnień.

7) Wyższa Jakość Przesyłania Kablowego

Podziemne i podwodne kabiny składają się z wielu przewodników oddzielonych izolacją, tworząc pojemność pasożytniczą między nimi. Te kabiny nie mogą przesyłać mocy, dopóki nie zostaną w pełni naładowane, a pojemność (i tym samym prąd ładowania) rośnie wraz z długością.Systemy AC wielokrotnie ładują i rozładowują kabiny (50-60 razy na sekundę), zwiększając straty I²R i ograniczając długość kabla. Kabiny HVDC, jednak, ładują się tylko raz (podczas początkowego napędzenia lub przełączania), eliminując takie straty i ograniczenia długości.To sprawia, że HVDC jest preferowanym wyborem do przesyłania mocy na wyspy, pod wodę i pod ziemię.

8) Bipolarny Przesył

HVDC obsługuje różne tryby przesyłania, z bipolarnym przesyłem będącym szeroko stosowanym i kosztownym rozwiązaniem. Charakteryzuje się on dwoma równoległymi przewodnikami o przeciwnych biegunach, których napięcia są zrównoważone względem Ziemi.Jeśli jedna linia ulegnie awarii lub uszkodzeniu, system płynnie przełączy się na tryb monopolarny: pozostała linia będzie nadal dostarczać prąd, używając Ziemi jako drogi powrotnej.

9) Kontrolowalny Przepływ Mocy

Konwertery HVDC, oparte na elektronice przestankowej, umożliwiają precyzyjną kontrolę nad przepływem mocy w sieciach AC. Ich szybkie przełączanie (działające wielokrotnie na cykl) poprawia wydajność harmoniczna, tłumione oscylacje mocy i optymalizuje zdolność przesyłania mocy w sieci.

10) Szybka Likwidacja Uszkodzeń

Prądy uszkodzeniowe - nietypowe prądy spowodowane uszkodzeniami elektrycznymi - stanowią istotne ryzyko. W systemach HVAC wysokie prądy uszkodzeniowe mogą uszkodzić linie przesyłowe, stacje, generatory i obciążenia.HVDC minimalizuje takie ryzyko: prądy uszkodzeniowe są niższe, ograniczając uszkodzenia do określonych sekcji, a szybkie przełączanie zapewnia szybką reakcję na uszkodzenia, zwiększając odporność systemu.

11) Asynchroniczne Łączenie Sieci

HVDC umożliwia łączenie asynchronicznych sieci AC o różnych parametrach (np. częstotliwość, faza).Regiony często używają różnych częstotliwości (np. 50 Hz w Europie vs. 60 Hz w USA), a sieci mogą mieć różnice fazowe, co uniemożliwia bezpośrednie łączenie AC. HVDC, działając bez ograniczeń częstotliwości czy fazy, łatwo łączy te niezależne systemy.

12) Wspieranie Inteligentnych Sieci Energetycznych

Inteligentne sieci integrują małe generatory (solarne, wiatrowe, jądrowe) w jednolitą sieć z inteligentną kontrolą przepływu mocy.To jest możliwe dzięki HVDC, który obsługuje asynchroniczne łączenie jednostek produkcyjnych i zapewnia pełną kontrolę nad dystrybucją mocy, zgodnie z wymogami inteligentnych sieci.

13) Zmniejszone Zakłócenia Akustyczne

HVDC powoduje znacznie mniejsze zakłócenia akustyczne dla pobliskich linii komunikacyjnych w porównaniu z HVAC.HVAC generuje słyszalne brzęczenie, zakłócenia radiowe i telewizyjne, których intensywność jest związana z częstotliwością. HVDC, mając zerową częstotliwość, produkuje minimalne zakłócenia. Dodatkowo, zakłócenia HVAC wzrastają w złych warunkach pogodowych, podczas gdy zakłócenia HVDC maleją, zapewniając bardziej stabilne działanie.