Ano ang mga Advantages ng HVDC sa Pagkumpara kay HVAC sa Power Transmission?

Ano ang mga Advantages ng HVDC sa Pagkakaiba-iba sa HVAC?

Ang kuryente ay naglalakbay ng mahabang layunin bago ito maabot ng mga consumer. Ang mga power plant, kadalasang malayo, ay nagbibigay ng kuryente sa pamamagitan ng daan-daang mga milya at maraming substation. Ang high-voltage transmission ay nagbabawas ng line losses, na may paggamit ng parehong AC at DC. Bagama't ang AC ay kilala sa pamamagitan ng utility poles at home outlets, ang HVDC ay nagbibigay ng mga natatanging advantages sa power transmission.

Ang layunin ng power transmission ay ang pagminimize ng losses at costs. Habang parehong nakakaranas ng mga factor na nakakaapekto, ang HVDC ay may mas maraming advantages. Ang artikulong ito ay isang pag-aaral ng mga advantages ng HVDC sa pagkakaiba-iba sa HVAC:

Mas Mababang Transmission Costs
Ang transmission costs ay depende sa terminal voltage conversion equipment, bilang at laki ng conductor, sukat ng tower, at losses. Ang HVAC ay gumagamit ng transformers para sa conversion—mas simple at mas mura kaysa sa thyristor-based converters ng HVDC, ang tanging cost advantage nito.

Ang HVAC ay nangangailangan ng hindi bababa sa 3 conductors para sa 3-phase transmission. Ang HVDC, na gumagamit ng earth bilang return path, ay gumagamit ng 1 conductor (monopolar) o 2 (bipolar), na nagbabawas ng costs. Kahit ang 3-phase conductors ay maaaring magdala ng doble ang power sa pamamagitan ng HVDC double bipolar links.

Ang HVAC ay nangangailangan ng mas malaking phase-to-ground at phase-to-phase spacing, na nangangailangan ng mas mataas at mas malapad na towers. Ang HVDC towers ay nagbabawas ng installation costs. Ang HVDC din ay may mas mababang transmission losses, na nagpapahusay ng efficiency nito.

Ang kabuuang transmission costs ay maaaring hatiin sa dalawang pangunahing kategorya: terminal station costs at transmission line costs. Ang unang bahagi ay isang fixed expense, independent sa transmission distance, habang ang huli ay nagbabago depende sa haba ng line. Ang AC terminal costs ay relatibong mababa, samantalang ang HVDC terminal costs ay mas mataas. Gayunpaman, ang cost per 100 km para sa HVAC transmission lines ay mas mataas kaysa sa HVDC lines. Kaya, ang kabuuang cost curves para sa HVAC at HVDC ay tumatakas sa isang punto na kilala bilang break-even distance.

Ang break-even distance ay ang transmission length na lumampas sa kung saan ang kabuuang investment cost ng HVAC ay lumampas sa HVDC. Ito ay nag-iiba depende sa uri ng transmission: humigit-kumulang 400–500 miles (600–800 km) para sa overhead lines, 20–50 km para sa underwater lines, at 50–100 km para sa underground lines. Lumampas sa threshold na ito, ang HVDC ay naging mas efficient at ekonomiko na choice para sa power transmission.

Ang HVDC transmission ay may mas mababang losses kumpara sa HVAC, na may mga key improvements sa mga sumusunod na aspeto:

Walang Reactive Power Losses

Ang HVAC transmission ay may reactive power losses, na direktang proportional sa haba ng line, frequency, at inductive loads sa receiving end. Ang mga losses na ito ay nagbabawas ng effective power transfer at nagwawasto ng energy, na naglimita sa maximum length ng efficient HVAC lines. Upang mapigilan ito, ang HVAC systems ay umasa sa series at shunt compensation upang mabawasan ang VARs (volt-ampere reactive) at panatilihin ang stability.

Sa kabilang banda, ang HVDC ay gumagana nang walang frequency o charging current, na nagtatanggal ng reactive power losses nang buo. Ito ay nagtanggal ng pangangailangan para sa mga ganyang compensation measures.

Nabawasan ang Corona Losses

Kapag ang transmission voltage ay lumampas sa critical threshold (ang corona inception voltage), ang mga air molecules sa paligid ng mga conductor ay ionize, na nagpoproduce ng sparks (corona discharge) na nagwawasto ng energy. Ang corona losses ay depende sa voltage level at frequency. Dahil ang DC ay may zero frequency, ang HVDC corona losses ay humigit-kumulang one-third ng mga nasa HVAC systems.

Walang Skin Effect

Ang AC current ay ipinapakita ang skin effect, kung saan ang current ay nakoncentrate sa paligid ng surface ng conductor, na iiwan ang core underutilized. Ang uneven current distribution na ito ay nagbabawas ng effective cross-sectional area ng conductor, nagpapataas ng resistance (bilang ang resistance ay inversely proportional sa area) at nagresulta sa mas mataas na I²R losses sa HVAC lines. Ang HVDC, na may steady direct current, ay iwas sa epekto na ito, na nagaseguro ng uniform current distribution sa buong conductor at nagmimina ng resistive losses.

Walang Radiation o Induction Losses

Ang HVAC transmission lines ay may radiation at induction losses dahil sa kanilang constantly varying magnetic fields. Ang radiation losses ay nangyayari dahil ang long AC lines ay gumagana tulad ng antennas, na nagradiate ng energy na hindi na makuha. Ang induction losses ay nanggaling sa currents na induced sa mga nearby conductors ng alternating field. Sa HVDC systems, ang magnetic field ay constant, na nagtatalo sa parehong radiation at induction losses nang buo.

Nabawasan ang Charging Current Losses

Ang underground at underwater cables ay may inherent parasitic capacitance, na nangangailangan ng charging bago sila makapagtransmit ng power. Ang capacitance ay tumataas kasabay ng haba ng cable, at kaya ang charging current ay tumataas proportionally.

Sa AC systems, ang cables ay charge at discharge multiple times per second, na nagdraw ng additional current mula sa source upang panatilihin ang cycle na ito. Ang extra current na ito ay nagpapataas ng I²R losses sa cable. Ang HVDC cables, ngunit, ay nangangailangan lamang ng charging once during initial energization o switching. Ito ay nagtanggal ng losses na associated sa continuous charging currents.

Walang Dielectric Heating Losses

Ang alternating electric field sa AC systems ay nakakaapekto sa insulation materials sa transmission lines, na nag-absorb ng energy at konvert ito sa heat—a phenomenon known as dielectric loss. Ito ay hindi lang nagwawasto ng energy kundi nagshorten din ng lifespan ng insulation. Ang HVDC systems ay naggenerate ng constant electric field, na nagtanggal ng dielectric losses at ang associated insulation heating issues.

3) Mas Delgado ang Conductors

Ang skin effect sa AC ay nagconcentrate ng current sa paligid ng surface ng conductor, na nangangailangan ng mas thick na conductors upang mapalawak ang surface area at makatampok ng mas mataas na currents. Ang HVDC, free from the skin effect, ay nagallow ng current na distribute uniformly across the conductor cross-section. Ito ay nagenable ng paggamit ng mas delgado na conductors habang pinapanatili ang same current-carrying capacity, na nagreduce ng material costs at weight.

4) Line Length Limitations

Ang HVAC lines ay may reactive power losses na tumataas directly with line length. Ito ay nagimpose ng critical limit sa HVAC transmission distance: lumampas sa humigit-kumulang 500 km para sa overhead lines, ang reactive power losses ay naging labis na mataas, na nagdestabilize ng system. Ang HVDC transmission, sa kabilang banda, ay walang ganitong length restrictions, na ginagawa ito na suitable para sa ultra-long-distance power delivery.

5) Nabawasan ang Cable Rating Requirements

Ang cables ay rated para sa maximum tolerable voltage at current. Sa AC systems, ang peak voltage at current ay humigit-kumulang 1.4 times higher kaysa sa kanilang average values (na kumakatawan sa actual power delivered). Ngunit, ang mga conductors ay kailangang rated para sa mga peak values. Sa DC systems, ang peak at average values ay identical. Ito ay nangangahulugan na ang HVDC ay maaaring magtransmit ng parehong power gamit ang cables na may mas mababang voltage at current ratings kumpara sa HVAC. Sa katunayan, ang HVAC systems ay effectively waste about 30% ng capacity ng isang conductor dahil sa kanilang mas mataas na peak requirements.

6) Mas Narrow Right-of-Way

"Right-of-way" refers to the land corridor required for transmission infrastructure. Ang HVDC systems ay nangangailangan ng mas narrow right-of-way dahil sila ay gumagamit ng mas maliliit na towers at fewer conductors. Ang HVAC, sa kabilang banda, ay nangangailangan ng mas mataas na towers upang suportahan ang mas maraming conductors at mas malalaking insulators (rated for AC peak voltages), na nangangailangan ng mas malakas na structural support. Ang mas malawak na footprint na ito ay nagpapataas ng material, construction, at land costs—making HVDC superior in terms of right-of-way efficiency.

7) Superior Cable-Based Transmission

Ang underground at submarine cables ay binubuo ng multiple conductors na hinati ng insulation, na nagcreate ng parasitic capacitance sa pagitan nila. Ang mga cables na ito ay hindi maaaring magtransmit ng power hanggang fully charged, at ang capacitance (at thus charging current) ay tumataas kasabay ng haba. Ang AC systems ay repeatedly charge at discharge cables (50–60 times per second), na nagamplify ng I²R losses at naglimita ng cable length. Ang HVDC cables, ngunit, ay charge once (during initial energization or switching), na nagtanggal ng such losses at length restrictions. Ito ay ginagawa ang HVDC ang preferred choice para sa offshore, underwater, at underground cable transmission.

8) Bipolar Transmission

Ang HVDC ay sumusuporta ng versatile transmission modes, na ang bipolar transmission ay isang widely used at cost-effective option. Ito ay may dalawang parallel conductors na may opposite polarities, na balanced ang kanilang voltages relative sa earth. Kung ang isa sa mga line ay fail o break, ang system ay seamless switch sa monopolar mode: ang remaining line ay patuloy na magdeliver ng current, using the earth as the return path.

9) Controllable Power Flow

Ang HVDC converters, based on solid-state electronics, ay nag-enable ng precise control over power flow sa AC networks. Ang kanilang rapid switching capability (operating multiple times per cycle) ay nag-enhance ng harmonic performance, nagdampen ng power swings, at optimized ang network’s power supply capacity.

10) Fast Fault Clearance

Ang fault currents—abnormal currents mula sa electrical faults—ay nagpo-pose ng significant risks. Sa HVAC systems, ang mataas na fault currents ay maaaring magdamage sa transmission lines, stations, generators, at loads. Ang HVDC ay nagminimize ng mga risks na ito: ang fault currents ay mas mababa, na limited ang damage sa specific sections, at ang fast-switching operation nito ay nagensure ng rapid fault response, na nag-enhance ng system resilience.

11) Asynchronous Grid Interconnection

Ang HVDC ay nag-enable ng interconnection ng asynchronous AC grids na may iba’t ibang parameters (e.g., frequency, phase). Ang mga rehiyon ay kadalasang gumagamit ng distinct frequencies (e.g., 50 Hz sa Europe vs. 60 Hz sa U.S.), at ang mga grid ay maaaring may phase differences, na nagbibigay ng imposible ang direct AC interconnection. Ang HVDC, na operating without frequency or phase constraints, ay easily link ang mga independent systems.

12) Enabling Smart Grids

Ang smart grids ay nagintegrate ng small-scale generators (solar, wind, nuclear) sa isang unified network na may intelligent power flow control. Ito ay feasible sa HVDC, na supports asynchronous interconnection ng generation units at provides full control over power distribution, aligning with smart grid requirements.

13) Reduced Noise Interference

Ang HVDC ay nagcause ng mas mababa noise interference sa nearby communication lines kumpara sa HVAC. Ang HVAC ay naggenerate ng audible buzzing, radio, at TV interference, na intensity tied sa frequency nito. Ang HVDC, na may zero frequency, ay nagproduce ng minimal noise. Bukod dito, ang HVAC noise ay tumataas sa masama na panahon, habang ang HVDC noise ay bumababa, na nagensure ng mas stable operation.