อะไรคือข้อดีของ HVDC เมื่อเทียบกับ HVAC ในระบบส่งกำลังไฟฟ้า

ข้อดีของ HVDC เมื่อเทียบกับ HVAC มีอะไรบ้าง?

พลังงานไฟฟ้าเดินทางเป็นระยะทางไกลก่อนที่จะถึงผู้บริโภค โรงไฟฟ้าซึ่งมักอยู่ในที่ห่างไกลส่งพลังงานผ่านสายส่งหลายร้อยไมล์และสถานีเปลี่ยนแปลงหลายแห่ง การส่งผ่านแรงดันสูงช่วยลดการสูญเสียบนสายส่ง ทั้ง AC และ DC ใช้ในการส่งผ่าน แม้ว่า AC จะคุ้นเคยกับเสาไฟฟ้าและปลั๊กไฟในบ้าน แต่ HVDC มีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นในการส่งผ่านพลังงาน

เป้าหมายของการส่งผ่านพลังงานคือการลดการสูญเสียและการประหยัดค่าใช้จ่าย แม้ว่าทั้งสองระบบจะมีปัจจัยที่มีอิทธิพล แต่ HVDC มีข้อได้เปรียบมากกว่า บทความนี้สำรวจข้อดีของ HVDC เมื่อเทียบกับ HVAC:

ต้นทุนการส่งผ่านต่ำกว่า
ต้นทุนการส่งผ่านขึ้นอยู่กับอุปกรณ์แปลงแรงดันปลายทาง ปริมาณ/ขนาดของสายส่ง ขนาดของเสาไฟฟ้า และการสูญเสีย HVAC ใช้หม้อแปลงสำหรับการแปลงแรงดัน ซึ่งง่ายและถูกกว่าคอนเวอร์เตอร์แบบ thyristor ของ HVDC ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบเรื่องต้นทุนเพียงอย่างเดียว

HVAC ต้องการอย่างน้อย 3 สายส่งสำหรับการส่งผ่านแบบ 3 เฟส HVDC ใช้พื้นดินเป็นทางกลับ สามารถใช้ 1 สายส่ง (monopolar) หรือ 2 สายส่ง (bipolar) ทำให้ลดค่าใช้จ่าย แม้กระทั่งสายส่ง 3 เฟส ก็สามารถส่งกำลังสองเท่าผ่านทางเชื่อม bipolar คู่ของ HVDC

HVAC ต้องการระยะห่างระหว่างเฟสกับพื้นดินและระหว่างเฟสมากขึ้น ทำให้ต้องใช้เสาไฟฟ้าที่สูงและกว้างขึ้น ขณะที่เสาไฟฟ้าของ HVDC ช่วยลดค่าติดตั้ง HVDC ยังมีการสูญเสียในการส่งผ่านน้อยกว่ามาก ทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

ต้นทุนการส่งผ่านรวมสามารถแบ่งออกเป็นสองหมวดหลัก: ค่าใช้จ่ายของสถานีปลายทางและค่าใช้จ่ายของสายส่ง ค่าใช้จ่ายของสถานีปลายทางเป็นค่าใช้จ่ายคงที่ ไม่ขึ้นอยู่กับระยะทางการส่งผ่าน ในขณะที่ค่าใช้จ่ายของสายส่งแปรผันตามความยาวของสายส่ง ค่าใช้จ่ายของสถานีปลายทางของ AC ค่อนข้างต่ำ ในขณะที่ค่าใช้จ่ายของสถานีปลายทางของ HVDC สูงกว่ามาก อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายต่อ 100 กิโลเมตรของสายส่ง HVAC สูงกว่าสายส่ง HVDC ดังนั้น โค้งของต้นทุนรวมของ HVAC และ HVDC จะตัดกันที่จุดที่เรียกว่า break-even distance

Break-even distance คือ ระยะทางการส่งผ่านที่ต้นทุนการลงทุนรวมของ HVAC เกินกว่าของ HVDC ระยะทางนี้แตกต่างกันไปตามประเภทของการส่งผ่าน: ประมาณ 400-500 ไมล์ (600-800 กิโลเมตร) สำหรับสายส่งเหนือศีรษะ 20-50 กิโลเมตร สำหรับสายส่งใต้น้ำ และ 50-100 กิโลเมตร สำหรับสายส่งใต้ดิน ตั้งแต่จุดนี้ไป HVDC เป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพและคุ้มค่าทางเศรษฐกิจในการส่งผ่านพลังงาน

การส่งผ่าน HVDC มีการสูญเสียน้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับ HVAC โดยมีการปรับปรุงสำคัญในด้านต่อไปนี้:

ไม่มีการสูญเสียพลังงาน-reactive power losses

การส่งผ่าน HVAC มีการสูญเสีย reactive power ซึ่งตรงกันข้ามกับความยาวของสายส่ง ความถี่ และโหลดอินดักทีฟที่ปลายทาง การสูญเสียนี้ลดการส่งผ่านพลังงานจริงและสิ้นเปลืองพลังงาน จำกัดความยาวสูงสุดของสายส่ง HVAC ที่มีประสิทธิภาพ เพื่อลดผลกระทบนี้ ระบบ HVAC อาศัยการชดเชยอนุกรมและขนานเพื่อลด VARs (volt-ampere reactive) และรักษาความเสถียร

ในทางตรงกันข้าม HVDC ทำงานโดยไม่มีความถี่หรือกระแสชาร์จ ทำให้ไม่มีการสูญเสีย reactive power ทั้งหมด ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้มาตรการชดเชยดังกล่าว

การสูญเสีย corona น้อยลง

เมื่อแรงดันการส่งผ่านเกินขีดจำกัดวิกฤต (corona inception voltage) โมเลกุลอากาศรอบ ๆ สายส่งจะไอออนไนซ์ สร้างประกายไฟ (corona discharge) ที่สิ้นเปลืองพลังงาน การสูญเสีย corona ขึ้นอยู่กับระดับแรงดันและความถี่ ด้วยความถี่ศูนย์ของ DC ทำให้การสูญเสีย corona ของ HVDC ประมาณหนึ่งในสามของระบบ HVAC

ไม่มีผล skin effect

กระแส AC แสดงผล skin effect ที่กระแสจะสะสมใกล้ผิวของสายส่ง ทำให้แกนกลางไม่ถูกใช้ ทำให้การกระจายกระแสไม่สม่ำเสมอ ลดพื้นที่ตัดขวางที่มีประสิทธิภาพของสายส่ง ทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น (เนื่องจากความต้านทานมีความสัมพันธ์ผกผันกับพื้นที่) และทำให้การสูญเสีย I²R ในสายส่ง HVAC สูงขึ้น HVDC ด้วยกระแสตรงที่คงที่ หลีกเลี่ยงผลนี้ ทำให้การกระจายกระแสสม่ำเสมอทั่วทั้งสายส่ง และลดการสูญเสียความต้านทาน

ไม่มีการสูญเสียจากการแผ่รังสีหรือการเหนี่ยวนำ

สายส่ง HVAC มีการสูญเสียจากการแผ่รังสีและการเหนี่ยวนำเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา การสูญเสียจากการแผ่รังสีเกิดขึ้นเนื่องจากสายส่ง AC ยาวๆ ทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศ แผ่พลังงานออกไปซึ่งไม่สามารถกู้คืนได้ การสูญเสียจากการเหนี่ยวนำเกิดจากกระแสที่เหนี่ยวนำในสายส่งใกล้เคียงโดยสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงในระบบ HVDC สนามแม่เหล็กคงที่ ทำให้ไม่มีการสูญเสียจากการแผ่รังสีและการเหนี่ยวนำเลย

การสูญเสียกระแสชาร์จน้อยลง

สายเคเบิลใต้ดินและใต้น้ำมีความจุพาราไซติกที่ต้องการชาร์จก่อนที่จะสามารถส่งผ่านพลังงานได้ ความจุเพิ่มขึ้นตามความยาวของสายเคเบิล และกระแสชาร์จเพิ่มขึ้นตามลำดับ

ในระบบ AC สายเคเบิลชาร์จและปล่อยประจุหลายครั้งต่อวินาที ดึงกระแสเพิ่มเติมจากแหล่งพลังงานเพื่อรักษาวงจรนี้ กระแสเพิ่มเติมนี้ทำให้การสูญเสีย I²R ในสายเคเบิลเพิ่มขึ้นในขณะที่สายเคเบิล HVDC ต้องการชาร์จเพียงครั้งเดียวในระหว่างการเปิดหรือเปลี่ยนแปลง ทำให้ไม่มีการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับกระแสชาร์จต่อเนื่อง

ไม่มีการสูญเสียจากการทำความร้อนดิเอเล็กทริก

สนามไฟฟ้าสลับในระบบ AC ส่งผลกระทบต่อวัสดุฉนวนในสายส่ง ทำให้วัสดุดูดซับพลังงานและแปลงเป็นความร้อน ซึ่งเรียกว่าการสูญเสียดิเอเล็กทริก ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานและย่นอายุการใช้งานของฉนวนระบบ HVDC สร้างสนามไฟฟ้าคงที่ หลีกเลี่ยงการสูญเสียดิเอเล็กทริกและปัญหาความร้อนที่เกี่ยวข้องกับฉนวน

3) สายส่งบางกว่า

ผล skin effect ใน AC ทำให้กระแสสะสมใกล้ผิวของสายส่ง ทำให้ต้องใช้สายส่งที่หนาขึ้นเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวและรองรับกระแสที่สูงขึ้นHVDC ไม่มีผล skin effect ทำให้กระแสกระจายสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นที่ตัดขวางของสายส่ง ทำให้สามารถใช้สายส่งที่บางลง แต่ยังคงความสามารถในการส่งกระแสเท่าเดิม ลดค่าใช้จ่ายและน้ำหนักของวัสดุ

4) ข้อจำกัดของความยาวสายส่ง

สายส่ง HVAC มีการสูญเสีย reactive power ที่เพิ่มขึ้นตามความยาวของสายส่ง ทำให้มีข้อจำกัดสำคัญในการส่งผ่าน HVAC: สำหรับสายส่งเหนือศีรษะ ระยะทางที่เกินประมาณ 500 กิโลเมตร การสูญเสีย reactive power จะสูงมาก ทำให้ระบบไม่เสถียรในทางตรงกันข้าม การส่งผ่าน HVDC ไม่มีข้อจำกัดดังกล่าว ทำให้เหมาะสมสำหรับการส่งผ่านระยะทางยาวมาก

5) ความต้องการเรตติ้งของสายเคเบิลน้อยลง

สายเคเบิลมีการเรตติ้งสำหรับแรงดันและกระแสสูงสุดที่ทนทานได้ ในระบบ AC แรงดันและกระแสสูงสุดประมาณ 1.4 เท่าของค่าเฉลี่ย (ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานที่ส่งจริง) แต่สายส่งต้องเรตติ้งสำหรับค่าสูงสุดเหล่านี้ในระบบ DC ค่าสูงสุดและค่าเฉลี่ยเท่ากัน ทำให้ HVDC สามารถส่งพลังงานเท่ากันโดยใช้สายเคเบิลที่มีการเรตติ้งแรงดันและกระแสต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ HVAC แท้จริงแล้ว ระบบ HVAC ใช้ความจุของสายส่งประมาณ 30% ไปกับความต้องการสูงสุดที่สูงกว่า

6) แนวทางแคบลง

"แนวทาง" หมายถึงทางผ่านที่จำเป็นสำหรับโครงสร้างการส่งผ่าน ระบบ HVDC ต้องการแนวทางที่แคบลงเนื่องจากใช้เสาไฟฟ้าที่เล็กกว่าและสายส่งน้อยกว่าในทางตรงกันข้าม HVAC ต้องการเสาไฟฟ้าที่สูงขึ้นเพื่อรองรับสายส่งและฉนวนที่ใหญ่ขึ้น (เรตติ้งสำหรับแรงดันสูงสุดของ AC) ซึ่งต้องการการสนับสนุนโครงสร้างที่แข็งแกร่ง ทำให้แนวทางกว้างขึ้น ทำให้ค่าใช้จ่ายวัสดุ การก่อสร้าง และที่ดินเพิ่มขึ้น ทำให้ HVDC มีประสิทธิภาพมากกว่าในเรื่องแนวทาง

7) การส่งผ่านผ่านสายเคเบิลที่เหนือกว่า

สายเคเบิลใต้ดินและใต้น้ำประกอบด้วยสายส่งหลายเส้นที่แยกออกจากกันด้วยฉนวน สร้างความจุพาราไซติกระหว่างพวกมัน สายเคเบิลเหล่านี้ไม่สามารถส่งผ่านพลังงานได้จนกว่าจะชาร์จเต็ม และความจุ (และกระแสชาร์จ) เพิ่มขึ้นตามความยาวระบบ AC ชาร์จและปล่อยประจุสายเคเบิลซ้ำๆ (50-60 ครั้งต่อวินาที) ทำให้การสูญเสีย I²R เพิ่มขึ้นและจำกัดความยาวของสายเคเบิล สายเคเบิล HVDC แต่ละเส้นชาร์จเพียงครั้งเดียว (ในระหว่างการเปิดหรือเปลี่ยนแปลง) ทำให้ไม่มีการสูญเสียและข้อจำกัดความยาวทำให้ HVDC เป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับการส่งผ่านนอกชายฝั่ง ใต้น้ำ และใต้ดิน

8) การส่งผ่านแบบ bipolar

HVDC รองรับโหมดการส่งผ่านที่หลากหลาย โดยการส่งผ่านแบบ bipolar เป็นตัวเลือกที่ใช้กันอย่างกว้างขวางและมีราคาถูก ประกอบด้วยสายส่งสองเส้นขนานที่มีขั้วตรงกันข้าม แรงดันของพวกมันสมดุลกับพื้นดินหากเส้นใดเส้นหนึ่งเกิดข้อผิดพลาดหรือขาดหาย ระบบจะเปลี่ยนไปเป็นโหมด monopolar: เส้นที่เหลือจะดำเนินการส่งกระแสโดยใช้พื้นดินเป็นทางกลับ

9) การควบคุมการไหลของพลังงาน

คอนเวอร์เตอร์ HVDC ที่ใช้เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์แบบ solid-state ทำให้สามารถควบคุมการไหลของพลังงานในเครือข่าย AC ได้อย่างแม่นยำ ความสามารถในการสวิตช์อย่างรวดเร็ว (ทำงานหลายครั้งต่อวงจร) ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการส่งผ่านฮาร์โมนิก ลดการแกว่งของพลังงาน และเพิ่มความจุการส่งผ่านพลังงานของเครือข่าย

10) การกำจัดข้อผิดพลาดอย่างรวดเร็ว

กระแสข้อผิดพลาด—กระแสที่ผิดปกติจากข้อผิดพลาดทางไฟฟ้า—เป็นความเสี่ยงที่สำคัญ ในระบบ HVAC กระแสข้อผิดพลาดสูงอาจทำให้สายส่ง สถานี ส่วนกำเนิดไฟฟ้า และโหลดเสียหายHVDC ลดความเสี่ยงดังกล่าว: กระแสข้อผิดพลาดน้อยลง จำกัดความเสียหายเฉพาะส่วน และการทำงานสวิตช์อย่างรวดเร็วทำให้ตอบสนองต่อข้อผิดพลาดอย่างรวดเร็ว ทำให้ระบบมีความยืดหยุ่นมากขึ้น

11) การเชื่อมโยงเครือข่าย AC แบบ asynchronous

HVDC ทำให้สามารถเชื่อมโยงเครือข่าย AC แบบ asynchronous ที่มีพารามิเตอร์ต่างกัน (เช่น ความถี่ เฟส)ภูมิภาคต่างๆ มักใช้ความถี่ที่แตกต่างกัน (เช่น 50 Hz ในยุโรป 60 Hz ในสหรัฐอเมริกา) และเครือข่ายอาจมีความแตกต่างของเฟส ทำให้การเชื่อมโยง AC ตรงๆ ไม่สามารถทำได้ HVDC ทำงานโดยไม่มีข้อจำกัดเรื่องความถี่หรือเฟส ทำให้สามารถเชื่อมโยงระบบเหล่านี้ได้อย่างง่ายดาย

12) สนับสนุน Smart Grids

Smart grids รวมผู้ผลิตไฟฟ้าขนาดเล็ก (อาทิตย์ พลังงานลม นิวเคลียร์) เข้ากับเครือข่ายเดียวที่มีการควบคุมการไหลของพลังงานอย่างชาญฉลาดการทำเช่นนี้เป็นไปได้ด้วย HVDC ซึ่งสนับสนุนการเชื่อมโยงแบบ asynchronous ของหน่วยการผลิต และให้การควบคุมการแจกแจงพลังงานอย่างเต็มที่ ตรงตามความต้องการของ smart grids

13) การลดการรบกวนเสียง

HVDC ทำให้เกิดการรบกวนเสียงต่อสายสื่อสารใกล้เคียงน้อยกว่า HVACHVAC ทำให้เกิดเสียงรบกวนที่ได้ยินได้ รบกวนวิทยุและโทรทัศน์ ความเข้มข้นของเสียงรบกวนขึ้นอยู่กับความถี่ HVDC ไม่มีความถี่ ทำให้เกิดเสียงรบกวนน้อย นอกจากนี้ การรบกวนเสียงจาก HVAC เพิ่มขึ้นในสภาพอากาศที่ไม่ดี ในขณะที่การรบกวนเสียงจาก HVDC ลดลง ทำให้การทำงานมีความเสถียรมากขึ้น