Koji su prednosti HVDC preko HVAC u prijenosu električne energije

Koje su prednosti HVDC nad HVAC?

Električna energija putuje daleke udaljenosti pre nego što stigne do potrošača. Elektrane, često u udaljenim lokacijama, snabdeju električnu energiju kroz stotine milja i više pretvorbenih stanica. Visokonaponska prijenosnica smanjuje gubitke na liniji, koristeći kako AC tako i DC. Iako je AC poznat putem utility stubova i domaćih izvoda, HVDC nudi jedinstvene prednosti u prijenosu struje.

Cilj prijenosa struje je da se svedu na minimum gubitci i troškovi. Dok oba sistema imaju uticajne faktore, HVDC ima više prednosti. Ovaj članak istražuje prednosti HVDC nad HVAC:

Niži troškovi prijenosa
Troškovi prijenosa zavise od opreme za pretvaranje terminalne napona, količine/veličine vodilaca, dimenzija toranjeva i gubitaka. HVAC koristi transformere za pretvaranje – jednostavnije i jeftinije od pretvarača na bazi tiristora koji se koriste u HVDC, što je njegova jedina prednost u pogledu troškova.

HVAC zahteva najmanje 3 vodiča za trofazni prijenos. HVDC, koristeći Zemlju kao povratni put, koristi 1 (monopolar) ili 2 vodiča (bipolar), smanjujući troškove. Čak i trofazni vodiči mogu prenositi dvostruko više moći putem dvobipolarnih veza HVDC.

HVAC zahteva veće razmak između faza i zemlje, te između faza, zahtevajući visoke i šire toranjeve. Toranjevi HVDC smanjuju troškove instalacije. HVDC takođe ima značajno niže gubitke prijenosa, što ga čini efikasnijim.

Ukupni troškovi prijenosa mogu se podeliti u dve glavne kategorije: troškovi terminalnih stanica i troškovi prijenosnih linija. Prvi su fiksni troškovi, nezavisni od rastojanja prijenosa, dok drugi variraju sa dužinom linije. Troškovi terminala AC su relativno niski, dok su troškovi terminala HVDC značajno veći. Međutim, trošak po 100 km za prijenosne linije HVAC je mnogo veći od troška za HVDC linije. Stoga se krive ukupnih troškova za HVAC i HVDC seku u tački poznatoj kao tačka ravnoteže.

Tačka ravnoteže je dužina prijenosa iznad koje ukupni investicioni trošak HVAC premašuje trošak HVDC. Ova dužina varira u zavisnosti od tipa prijenosa: otprilike 400–500 milja (600–800 km) za površinske linije, 20–50 km za podvodne linije i 50–100 km za podzemne linije. Izvan ove granice, HVDC postaje efikasnija i ekonomski isplativa opcija za prijenos struje.

Prijenos HVDC nudi značajno niže gubitke u poređenju s HVAC, sa ključnim poboljšanjima u sledećim oblastima:

Odsustvo gubitaka reaktivne moći

Prijenos HVAC trpi gubitke reaktivne moći, koji su direktno proporcionalni dužini linije, frekvenciji i induktivnim opterećenjima na primarnom kraju. Ovi gubitci smanjuju efektivni prijenos moći i štete energiji, ograničavajući maksimalnu dužinu efikasnih linija HVAC. Da bi se to smanjilo, sistemi HVAC se oslanjaju na serije i shunt kompenzacije da bi smanjili VAR-e (volt-amper reaktivni) i održali stabilnost.

Zaprotiv, HVDC radi bez frekvencije ili punioca, eliminisući potpuno gubitke reaktivne moći. To uklanja potrebu za takvim mjerama kompenzacije.

Smanjeni gubitci korone

Kada naponski nivo prekođe kritičnu granicu (napon nastanka korone), molekuli vazduha oko vodilaca se jonizuju, stvarajući iskre (korona rasipanje) koje štete energiji. Gubitci korone zavise od nivoa napona i frekvencije. Pošto DC ima nultu frekvenciju, gubitci korone HVDC su otprilike trećina onih u sistemima HVAC.

Odsustvo efekta kože

Struja AC pokazuje efekat kože, gde se struja koncentriše blizu površine vodilca, ostavljajući jezgra neiskorišćena. Ova neuniformna raspodela struje smanjuje efektivnu poprečnu površinu vodilca, povećavajući otpor (jer je otpor obrnut proporcionalan površini) i rezultujući većim I²R gubitcima u linijama HVAC. HVDC, sa svojom stalnom direktnom strujom, izbegava ovaj efekat, osiguravajući uniformnu raspodelu struje kroz vodilac i minimizirajući otporne gubitke.

Nema gubitaka od zračenja ili indukcije

Linije prijenosa HVAC trpe gubitke od zračenja i indukcije zbog njihovih stalno promenljivih magnetnih polja. Gubitci od zračenja se dešavaju jer dugi liniji AC deluju kao antene, emitujući energiju koja je neoporavljiva. Gubitci od indukcije nastaju od struja koje se indukuju u bližnjim vodilcima od strane alternativnog polja.U sistemima HVDC, magnetno polje je konstantno, eliminisući potpuno i gubitke od zračenja i indukcije.

Smanjeni gubitci od punioca struje

Podzemne i podvodne kablovi imaju inherentnu parazitnu kapacitet, koji zahteva punjenje pre nego što mogu prenositi struju. Kapacitet raste sa dužinom kabla, a time i punioca struja.

U sistemima AC, kablovi se puni i prazni više puta u sekundi, dovodeći dodatnu struju iz izvora da bi održali ovaj ciklus. Ova dodatna struja povećava I²R gubitke u kablama.Kablovi HVDC, međutim, zahtevaju punjenje samo jednom tokom početnog energiziranja ili prebacivanja. To eliminira gubitke vezane za kontinuirane punioca struje.

Nema gubitaka od dielektričnog zagrevanja

Alternativno električno polje u sistemima AC utiče na materijale izolacije u linijama prijenosa, dovodeći ih da apsorbiraju energiju i pretvaraju je u toplotu - pojavu poznatu kao gubitak dielektrika. Ovo ne samo da šteti energiji, već i skraćuje životnu vreme izolacije.Sistemi HVDC generišu konstantno električno polje, izbegavajući gubitke dielektrika i povezane probleme zagrevanja izolacije.

3) Tanji vodilac

Efekat kože u AC dovodi do koncentracije struje blizu površine vodilca, zahtevajući deblji vodilac da bi se povećala površinska površina i pružila prostor za veće struje.HVDC, slobodan od efekta kože, omogućava uniformnu raspodelu struje kroz poprečni presjek vodilca. To omogućava upotrebu tanjih vodilaca dok se održava ista kapacitet prenošenja struje, smanjujući materijalne troškove i težinu.

4) Ograničenja dužine linije

Linije HVAC trpe gubitke reaktivne moći koji rastu direktno sa dužinom linije. To stavlja kritično ograničenje na dužinu prijenosa HVAC: izvan otprilike 500 km za površinske linije, gubitci reaktivne moći postaju previše visoki, destabilizirajući sistem.Prijenos HVDC, zaprotiv, nema takva ograničenja dužine, čime se čini pogodnim za ultra-dugotrajni prijenos struje.

5) Smanjeni zahtevi za ocenom kabela

Kabeli se ocenjuju za maksimalno dopušteni napon i struju. U sistemima AC, vrhunski napon i struja su otprilike 1,4 puta veći od njihovih prosečnih vrednosti (koje odgovaraju stvarnoj prenesenoj snazi). Međutim, vodilci moraju biti ocenjeni za ove vrhunske vrednosti.U sistemima DC, vrhunske i prosečne vrednosti su identične. To znači da HVDC može prenositi istu snagu korišćenjem kabela sa nižim naponskim i strujnim ocenama u poređenju sa HVAC. Zapravo, sistemi HVAC efektivno gube oko 30% kapaciteta vodilca zbog njihovih većih vrhunskih zahteva.

6) Uža prava putovanja

"Prava putovanja" odnosi se na zemljište potrebno za infrastrukturu prijenosa. Sistemi HVDC zahtevaju užu prava putovanja jer koriste manje toranjeve i manje vodilaca.HVAC, zaprotiv, zahteva više toranjeve da bi podržao više vodilaca i veće izolatore (ocenjene za vrhunske napone AC), što zahteva jaču strukturnu podršku. Ova šira stopa povećava materijalne, građevinske i zemljišne troškove - čime HVDC postaje superiorniji u pogledu efikasnosti prava putovanja.

7) Superiorna prijenosnica bazirana na kabelima

Podzemni i podvodni kablovi sastoje se od više vodilaca razdvojenih izolacijom, stvarajući parazitnu kapacitet između njih. Ovi kablovi ne mogu prenositi struju dok se ne puni, a kapacitet (i time punioca struje) raste sa dužinom.Sistemi AC ponavljano puni i prazni kablove (50-60 puta u sekundi), amplificirajući I²R gubitke i ograničavajući dužinu kabela. Kablovi HVDC, međutim, puni se samo jednom (tokom početnog energiziranja ili prebacivanja), eliminirajući takve gubitke i ograničenja dužine.To čini HVDC preferiranim izborom za offshore, podvodni i podzemni prijenos kablovima.

8) Bipolarna prijenosnica

HVDC podržava raznovrsne načine prijenosa, a bipolarna prijenosnica je široko korišćena i ekonomična opcija. Ona sadrži dva paralelna vodilca sa suprotnim polaritetima, njihovi naponi su balansirani u odnosu na Zemlju.Ako jedna linija padne ili se prekine, sistem se besprekorno prebacuje na monopolarni režim: preostala linija nastavlja da prenosi struju, koristeći Zemlju kao povratni put.

9) Kontrolisan prijenos snage

Pretvarači HVDC, temeljeni na čvrstom stanju elektronike, omogućavaju preciznu kontrolu nad prijenosom snage u mrežama AC. Njihova brza sposobnost prebacivanja (operacija više puta po ciklusu) unapređuje harmonijske performanse, utišuje oscilacije snage i optimizuje kapacitet prijenosa snage mreže.

10) Brzo otklanjanje grešaka

Greškovite struje - abnormalne struje iz električnih grešaka - predstavljaju značajne rizike. U sistemima HVAC, visoke greškovite struje mogu oštetiti linije prijenosa, stanice, generatora i opterećenja.HVDC minimalizuje takve rizike: greškovite struje su niže, ograničavajući oštećenje specifičnim sekcijama, a njegov brzi režim prebacivanja osigurava brzu reakciju na greške, unapređujući otpornost sistema.

11) Asinhrona interkonverzija mreža

HVDC omogućava interkonverziju asinhronih mreža AC sa različitim parametrima (npr. frekvencija, faza).Regioni često koriste različite frekvencije (npr. 50 Hz u Evropi vs. 60 Hz u SAD), a mreže mogu imati fazne razlike, što čini direktnu interkonverziju AC nemogućom. HVDC, koji radi bez ograničenja u pogledu frekvencije ili faze, lako povezuje ove nezavisne sisteme.

12) Omogućavanje pametnih mreža

Pametne mreže integrišu male generatore (sunčevu, vetrenu, nuklearnu energiju) u unificiranu mrežu sa inteligentnom kontrolom prijenosa snage.To je moguće sa HVDC, koji podržava asinhronu interkonverziju generacionih jedinica i pruža potpunu kontrolu nad distribucijom snage, usklađujući se sa zahtevima pametnih mreža.

13) Smanjena interferencija buke

HVDC dovodi do znatno manje interferencije buke na bližnjim komunikacionim linijama u poređenju sa HVAC.HVAC generiše audivno bukanje, radio i TV interferenciju, sa intenzitetom vezanim za njegovu frekvenciju. HVDC, sa nultom frekvencijom, proizvodi minimalnu buku. Dodatno, buka HVAC raste u lošim vremenskim uslovima, dok buka HVDC opada, osiguravajući stabilnije funkcionisanje.