Kateri so prednosti HVDC nad HVAC v prenosu električne energije

Kateri so prednosti visokonapetostnega enosmerne (HVDC) prenosa električne energije v primerjavi z visokonapetostnim večfaznim (HVAC) prenosom?

Električna energija potuje dolgo razdaljo, preden pride do uporabnikov. Elektrarne, ki so pogosto oddaljene, posredujejo električno energijo skozi stotine milj in več presilniških postaj. Visokonapetostni prenos zmanjša izgube na vodnicah, pri čemer se uporablja tako enosmerna kot večfazna napetost. Čeprav je večfazna napetost znana s pomočjo utility stolpi in domačih vstopnih točk, HVDC ponuja edinstvene prednosti pri prenosu energije.

Cilj prenosa električne energije je zmanjšati izgube in stroške. Čeprav oba sistema soočajo z vplivnimi dejavniki, ima HVDC več prednosti. Ta članek raziskuje prednosti HVDC nad HVAC:

Nižji stroški prenosa
Stroški prenosa odvisni so od opreme za pretvorbo terminalne napetosti, količine/velikosti vodnikov, dimenzij stolpov in izgub. HVAC uporablja transformatorje za pretvorbo – enostavnejše in cenejše kot tiristorji v HVDC, ki so njegova edina prednost glede stroškov.

HVAC za treh-fazni prenos potrebuje vsaj 3 vodnike. HVDC, ki uporablja zemljo kot povratni tok, uporablja 1 vodnik (monopolarno) ali 2 (bipolarno), kar zmanjša stroške. Tudi treh-fazni vodniki lahko prenašajo dvojno moč preko dvopolarnih povezav HVDC.

HVAC zahteva večjo razdaljo med fazami in med fazo in zemljo, kar zahteva višje in širše stolpe. Stolpi HVDC zmanjšajo namestitvene stroške. HVDC tudi ima znatno manjša izgube pri prenosu, kar ga naredi bolj učinkovit.

Celotni stroški prenosa se lahko razdelijo na dve glavni kategoriji: stroški terminalne postaje in stroški prenosne linije. Prvi so fiksni stroški, neodvisni od razdalje prenosa, drugi pa se spreminjajo s dolžino linije. Stroški terminalne postaje za AC so relativno nizki, medtem ko so stroški terminalne postaje za HVDC znatno višji. Vendar je strošek na 100 km za HVAC prenosne linije veliko večji kot za HVDC linije. Torej, skupni stroškovni krivulji za HVAC in HVDC se sekata v točki, znani kot breakeven razdalja.

Breakeven razdalja je prenosna dolžina, pri kateri skupni investicijski stroški HVAC presežejo stroške HVDC. Ta razdalja se razlikuje glede na vrsto prenosa: približno 400–500 milj (600–800 km) za površinske linije, 20–50 km za podvodne linije in 50–100 km za podzemne linije. Za tem pragom postane HVDC bolj učinkovita in ekonomsko ustrezna izbira za prenos električne energije.

Prenos z HVDC prinaša znatno manjša izgube v primerjavi s HVAC, s ključnimi izboljšavami v naslednjih področjih:

Absence reaktivnih izgub moči

Prenos z HVAC trpi zaradi reaktivnih izgub moči, ki so neposredno sorazmerne s dolžino linije, frekvenco in induktivnimi bremeni na prejemni strani. Te izgube zmanjšujejo učinkovit prenos moči in število porabljenih energije, omejujejo pa tudi maksimalno dolžino učinkovitih linij HVAC. Za zmanjšanje teh izgub HVAC sistemi uporabljajo serijno in šunt kompenzacijo, da zmanjšajo VAR (volt-ampere reaktivne) in vzdržujejo stabilnost.

Na drugi strani operira HVDC brez frekvence in nabijanja, kar popolnoma odstrani reaktivne izgube moči. To odstranjuje potrebo po takšnih merilih kompenzacije.

Zmanjšane izgube zaradi korona efekta

Ko preseže napetost prenosa kritično mejo (korona inkicija napetost), se molekule zraka okoli vodnikov ionizirajo, kar ustvari iskre (korona razlaganje), ki porabljajo energijo. Izgube zaradi korona efekta so odvisne od ravni napetosti in frekvence. Ker ima DC ničelno frekvenco, so izgube zaradi korona efekta v sistemih HVDC približno ena tretjina tistih v sistemih HVAC.

Absence kožnega efekta

Strujni tok AC kaže kožni efekt, pri katerem se struja koncentrirajo blizu površine vodnika, kar pusti notranjost podizkoriščena. Ta neravnomerna distribucija struje zmanjšuje učinkovito prečni prerez vodnika, kar poveča upornost (ker je upornost obratno sorazmerna s površino) in povzroča višje I²R izgube v linijah HVAC. HVDC, s svojo stalno enosmerno strujno, izogiba temu efektu, zagotavlja enakomerno distribucijo struje skozi vodnik in zmanjšuje uporne izgube.

Brez izgub zaradi radiacije ali indukcije

Linije za prenos z HVAC trpijo zaradi izgub zaradi radiacije in indukcije zaradi njihovih stalno spremenljivih magnetnih polj. Izgube zaradi radiacije nastanejo, ker delne AC linije delujejo kot antene, ki radiirajo energijo, ki je ne moremo obnoviti. Izgube zaradi indukcije nastanejo zaradi struj, ki se inducirajo v bližnjih vodnikih zaradi spremenljivega polja.V sistemih HVDC je magnetno polje konstantno, kar popolnoma odstrani obe vrste izgub.

Zmanjšane izgube zaradi nabijanja struje

Podzemne in podvodne kabelske vode imajo vgrajeno parazitsko kapacitivnost, ki zahteva nabijanje, preden lahko prenašajo energijo. Kapacitivnost se povečuje s dolžino kabla, in s tem se tudi nabijanje struje povečuje sorazmerno.

V sistemih AC se kabeli nabijajo in raznabijajo večkrat na sekundo, kar zahteva dodatno struj iz vira, da se vzdržuje ta cikel. Ta dodatna struja poveča I²R izgube v kabelu.Kabeli HVDC pa potrebujejo nabijanje le enkrat med začetnim energiziranjem ali preklapljanjem. To odstranjuje izgube, povezane s stalnimi nabijalskimi strujmi.

Brez izgub zaradi dielektričnega segrevanja

Spremenljivo električno polje v sistemih AC vpliva na izolacijske materiale v prenosnih linijah, kar jih nagnja, da absorbirajo energijo in jo pretvarjajo v toplotno energijo - fenomen, znani kot dielektrične izgube. To ne samo porablja energijo, ampak tudi skračuje življenjski čas izolacije.Sistemi HVDC generirajo konstantno električno polje, kar izogiba dielektričnim izgubam in povezanim problemom segrevanja izolacije.

3) Tanji vodniki

Kožni efekt v AC povzroča, da se struja koncentrirajo blizu površine vodnika, kar zahteva globlje vodnike, da se poveča površina in akomodira višje struje.HVDC, ki je prosto od kožnega efekta, omogoča enakomerno distribucijo struje skozi prečni prerez vodnika. To omogoča uporabo tankih vodnikov, hkrati pa ohranja isto zmogljivost prenosa struje, kar zmanjša materialne stroške in težo.

4) Omejitve dolžine linije

Linije HVAC trpijo zaradi reaktivnih izgub moči, ki se neposredno povečujejo s dolžino linije. To postavlja kritično omejitev za razdaljo prenosa HVAC: za površinske linije presegajo približno 500 km, reaktivne izgube moči postanejo previsoke, destabilizirajo pa sistem.Prenos z HVDC, na drugi strani, nima takšnih omejitev dolžine, kar ga naredi primernega za ultra-dolgčasni prenos moči.

5) Zmanjšana zahtevnost ocenjevanja kabla

Kabli so ocenjeni glede na največjo dopustno napetost in struj. V sistemih AC so vrhunska napetost in struja približno 1,4-krat višja od povprečnih vrednosti (ki odgovarjajo dejanski preneseni moči). Vendar morajo vodniki biti ocenjeni za te vrhunske vrednosti.V sistemih DC so vrhunske in povprečne vrednosti identične. To pomeni, da lahko HVDC prenaša isto moč z kabli, ki imajo nižje ocene napetosti in struje v primerjavi s HVAC. Dejansko HVAC sistemi učinkovito zavržejo približno 30% zmogljivosti vodnika zaradi višjih vrhunskih zahtev.

6) Širša pravica do prostora

"Pravica do prostora" se nanaša na koridor zemljišča, ki je potreben za infrastrukturo prenosa. Sistemi HVDC zahtevajo širšo pravico do prostora, ker uporabljajo manjše stolpe in manj vodnikov.HVAC, na drugi strani, potrebuje višje stolpe, da podpre več vodnikov in večje izolatorje (ocenjene za vrhunske napetosti AC), kar zahteva močnejšo strukturno podporo. Ta širši odtis poveča materialne, gradbeninske in zemljiške stroške - kar HVDC naredi boljšega v smislu učinkovitosti pravice do prostora.

7) Boljši prenos z kabeli

Podzemni in podvodni kabeli sestavljajo več vodnikov, ločenih z izolacijo, kar ustvari parazitsko kapacitivnost med njimi. Ti kabeli ne morejo prenašati moči, dokler niso popolnoma nabiti, in kapacitivnost (in s tem nabijalska struja) se povečuje s dolžino.Sistemi AC ponavljajo nabiranje in raznabiranje kablov (50-60-krat na sekundo), kar poveča I²R izgube in omejuje dolžino kablov. Kabeli HVDC pa se nabijajo le enkrat (med začetnim energiziranjem ali preklapljanjem), kar odstrani take izgube in omejitve dolžine.To HVDC naredi preferirano izbiro za prenos z kabeli na morju, pod vodo in pod zemljo.

8) Bipolarni prenos

HVDC podpira različne načine prenosa, pri čemer je bipolarni prenos široko uporabljena in ekonomsko učinkovita možnost. Vključuje dva vzporedna vodnika z nasprotnimi polaritami, njihove napetosti pa so uravnotežene glede na zemljo.Če ena linija odpade ali se prekine, sistem brezhibno preklopi na monopolarni način: preostala linija nadaljuje s prenašanjem struje, uporablja pa zemljo kot povratno pot.

9) Nadzorovan tok moči

Pretvorniki HVDC, ki temeljijo na tranzistorjih, omogočajo natančen nadzor nad tokom moči v omrežjih AC. Njihova hitra preklopna sposobnost (operacija večkrat na cikel) izboljša harmonično učinkovitost, utiša oscilacije moči in optimizira zmogljivost oskrbe omrežja s strujom.

10) Hitro odstranjevanje napak

Napakoštevnost - abnormalne struje zaradi električnih napak - predstavlja velik tveganje. V sistemih HVAC lahko visoke napakoštevnosti poškodujejo prenosne linije, presilniške postaje, generatorje in bremena.HVDC zmanjša takšna tveganja: napakoštevnosti so nižje, omejujejo škodo na specifične dele, in njegova hitra preklopna operacija zagotavlja hitro odziv na napake, kar izboljša odpor sistema.

11) Asinhrona povezava omrežja

HVDC omogoča povezavo asinhronih omrežij AC z različnimi parametri (npr., frekvenco, fazo).Regije pogosto uporabljajo različne frekvence (npr., 50 Hz v Evropi, 60 Hz v ZDA), in omrežja lahko imajo fazne razlike, kar neposredno povezovanje AC omogoča. HVDC, ki deluje brez omejitev frekvence ali faze, lahko lahko poveže ta neodvisna sistema.

12) Omogočanje pametnih omrežij

Pametna omrežja združujejo majhne generatorje (sončne, vetrske, jedrske) v enotno omrežje s inteligentnim nadzorom prenosa moči.To je mogoče s HVDC, ki podpira asinhrono povezovanje generatorjev in omogoča popoln nadzor nad distribucijo moči, kar je v skladu z zahtevami pametnih omrežij.

13) Zmanjšana motnja hrupa

HVDC povzroča mnogo manj motenj hrupa na bližnjih komunikacijskih linijah v primerjavi s HVAC.HVAC generira slišni brujanje, radijske in TV motnje, intenzivnost pa je vezana na frekvenco. HVDC, ki ima frekvenco nič, producira minimalno hrup. Poleg tega se HVAC hrup poveča v slabi vremenskih razmerah, medtem ko se HRUP HVDC zmanjša, kar zagotavlja bolj stabilno delovanje.