HVDC ile HVAC arasında Güç Aktarımında HVDC'nin Avantajları Nelerdir?
HVDC'nin HVAC Üzerine Neler Avantajı?
Elektrik, tüketicilere ulaşmadan önce uzun mesafeler kat eder. Genellikle uzakta bulunan elektrik santralleri, yüzlerce mil ve birçok alt istasyon üzerinden elektrik sağlar. Yüksek gerilim ile iletim, hem AC hem de DC kullanılarak hat kayıplarını azaltır. AC, elektrik direkleri ve ev prizleri aracılığıyla tanıdık olsa da, HVDC elektrik iletiminde benzersiz avantajlar sunar.
Güç iletiminin amacı, kayıpları ve maliyetleri en aza indirmektir. Her ikisi de etkileyici faktörlere sahip olmasına rağmen, HVDC daha fazla avantaja sahiptir. Bu makale, HVDC'nin HVAC üzerindeki avantajlarını incelemektedir:
Düşük İletim Maliyetleri
İletim maliyetleri, terminal voltaj dönüştürme ekipmanları, iletken miktarı/boyutu, kule boyutları ve kayıplara bağlıdır. HVAC, dönüştürme için transformatörler kullanır - bu, HVDC'nin tiristörlü dönüştürücülerinden daha basit ve ucuzdur, tek maliyet avantajıdır.
HVAC, üç fazlı iletim için en az 3 iletken gerektirir. HVDC, toprağı dönüş yolculuğu olarak kullanarak, 1 (monopolar) veya 2 (bipolar) iletken kullanarak maliyetleri azaltır. Hatta üç fazlı iletkenler, HVDC çift bipolar bağlantıları aracılığıyla iki kat daha fazla güç taşıyabilir.
HVAC, daha büyük faz-to-toprak ve faz-to-faz boşluklarına ihtiyaç duyar, bu da daha yüksek, daha geniş kulelere ihtiyaç oluşturur. HVDC kuleleri, kurulum maliyetlerini azaltır. HVDC ayrıca çok daha düşük iletim kayıplarına sahiptir, bu da onu daha etkin hale getirir.
Toplam iletim maliyetleri, iki ana kategoriye ayrılabilir: terminal istasyonu maliyetleri ve iletim hattı maliyetleri. İlk başta, iletim mesafesinden bağımsız sabit bir giderdir, sonuncusu ise hat uzunluğuyla değişir. AC terminal maliyetleri nispeten düşüktür, ancak HVDC terminal maliyetleri çok daha yüksektir. Ancak, HVAC iletim hatları için 100 km başına maliyet, HVDC hatları içinkinden çok daha yüksektir. Böylece, HVAC ve HVDC'nin toplam maliyet eğrileri, denge mesafesi olarak bilinen bir noktada kesişir.
Denge mesafesi, HVAC'nin toplam yatırım maliyetinin HVDC'nin toplam yatırım maliyetinden aşmaya başladığı iletim uzunluğudur. Bu mesafe, iletim tipine göre değişir: havadan hatlar için yaklaşık 400-500 mil (600-800 km), su altı hatlar için 20-50 km ve yeraltı hatlar için 50-100 km. Bu eşiğin ötesinde, HVDC güç iletimi için daha etkin ve ekonomik olarak uygun bir seçim haline gelir.
HVDC iletim, HVAC'ye kıyasla çok daha düşük kayıplarla sonuçlanır ve aşağıdaki alanlarda önemli iyileştirmeler sağlar:
Reaktif Güç Kayıplarının Yokluğu
HVAC iletim, reaktif güç kayıplarına maruz kalır, bu kayıplar hat uzunluğu, frekans ve alıcı ucu kapasitif yüklerle orantılıdır. Bu kayıplar, etkin güç aktarımını azaltır ve enerjiyi boşa harcar, böylece etkin HVAC hatlarının maksimum uzunluğunu sınırlar. Bunu azaltmak için, HVAC sistemleri serili ve şunt kompansasyona başvurarak VAR'ları (volt-ampere reaktif) azaltır ve istikrarı korur.
Buna karşılık, HVDC frekans veya şarj akımı olmadan çalıştığından, reaktif güç kayıplarını tamamen ortadan kaldırır. Bu, bu tür kompansasyon önlemleri ihtiyacını ortadan kaldırır.
Azaltılmış Korona Kayıpları
İletim gerilimi, kritik bir eşiği (korona oluşma gerilimi) aşınca, iletkenler etrafındaki hava molekülleri ionize olur, parıltılar (korona salınımları) oluşturur ve enerjiyi boşa harcar. Korona kayıpları, gerilim seviyesi ve frekansa bağlıdır. DC'nin frekansının sıfır olması nedeniyle, HVDC korona kayıpları HVAC sistemlerindekilerin yaklaşık üçte biridir.
Kabuk Etkisinin Yokluğu
AC akım, kabuk etkisini gösterir, burada akım iletken yüzeyine yoğunlaşır, çekirdeği kullanımdan çıkar. Bu eşitsiz akım dağılımı, iletkenin etkin kesit alanını azaltır, direnç (alanın tersine orantılı olduğu için) artar ve HVAC hatlarında daha yüksek I²R kayıplarına neden olur. HVDC, sürekli doğrudan akım ile bu etkiye karşı gelir, iletken boyunca düzgün akım dağılımını sağlar ve direnç kayıplarını minimuma indirir.
Radasyon veya Endüksiyon Kayıplarının Yokluğu
HVAC iletim hatları, sürekli değişen manyetik alanlarından dolayı radasyon ve endüksiyon kayıplarına maruz kalır. Radasyon kayıpları, uzun AC hatları anten gibi davranarak, geri kazanılamayan enerjiyi radyasyonla yaydığından oluşur. Endüksiyon kayıpları, çevredeki iletkenlerde alternatif alanda meydana gelen akımlardan kaynaklanır.HVDC sistemlerinde, manyetik alan sabittir, bu da hem radasyon hem de endüksiyon kayıplarını tamamen ortadan kaldırır.
Azaltılmış Şarj Akımı Kayıpları
Yeraltı ve su altı kablolarında, güç iletmek için önce şarj edilmeleri gereken içsel parazitik kapasitans vardır. Kapasitans, kablonun uzunluğuyla artar ve dolayısıyla şarj akımı da orantılı olarak artar.
AC sistemlerinde, kablolar saniyede birkaç kez şarj ve şarjdan ayrılır, bu döngüyü sürdürmek için kaynaktan ek akım çeker. Bu ek akım, kablo içinde I²R kayıplarını artırır.HVDC kabloları ise, yalnızca ilk enerji verilmesi veya anahtarlama sırasında şarj edilir. Bu, sürekli şarj akımlarıyla ilişkili kayıpları ortadan kaldırır.
Dielektrik Isıtma Kayıplarının Yokluğu
AC sistemlerindeki alternatif elektrik alanı, iletim hatlarındaki yalıtım malzemelerini etkiler, bu malzemeler enerjiyi emer ve ısıya dönüştürür - bu fenomen dielektrik kayıp olarak bilinir. Bu, enerjiyi boşa harcar ve aynı zamanda yalıtım ömrünü kısaltır.HVDC sistemleri, sabit bir elektrik alanı oluşturduğundan, dielektrik kayıpları ve ilişkili yalıtım ısıtma sorunlarını önler.
3) Daha İnce İletkenler
AC'de kabuk etkisi, akımın iletken yüzeyine yoğunlaşmasını sağlar, bu da daha yüksek akımlar için daha kalın iletkenlere ihtiyaç duyar.HVDC, kabuk etkisinden arındığından, akımın iletken kesit alanında düzgün dağılmasına izin verir. Bu, aynı akım taşıma kapasitesini korurken daha ince iletkenlerin kullanılmasına olanak tanır, malzeme maliyetlerini ve ağırlığı azaltır.
4) Hat Uzunluğu Sınırlamaları
HVAC hatları, hat uzunluğuyla doğrudan orantılı olarak artan reaktif güç kayıplarına maruz kalır. Bu, HVAC iletim mesafesine kritik bir sınır getirir: havadan hatlar için yaklaşık 500 km'nin ötesinde, reaktif güç kayıpları aşırı yüksek hale gelir ve sistemi istikrarsızlaştırır.HVDC iletim, böyle bir uzunluk kısıtlamasına sahip değildir, bu da ultra-uzun mesafeli güç teslimatı için uygun hale getirir.
5) Azaltılmış Kablo Derecelendirme Gereksinimleri
Kablolara, maksimum tolerable gerilim ve akım derecelendirme yapılmıştır. AC sistemlerinde, zirve gerilim ve akım, ortalama değerlerine (gerçek güç teslimatına karşılık gelen) yaklaşık 1.4 kat daha yüksektir. Ancak, iletkenler bu zirve değerlerine göre derecelendirilmelidir.DC sistemlerinde, zirve ve ortalama değerler aynıdır. Bu, HVDC'nin HVAC'e kıyasla daha düşük gerilim ve akım derecelendirme ile aynı gücü iletebilmesi anlamına gelir. Aslında, HVAC sistemleri, daha yüksek zirve gereksinimleri nedeniyle iletkenin kapasitesinin yaklaşık %30'unu boşa harcar.
6) Daha Dar Geçiş Hakları
"Geçiş hakları", iletim altyapısı için gereken toprak koridorudur. HVDC sistemleri, daha küçük kuleler ve daha az iletken kullanımı nedeniyle daha dar geçiş haklarına ihtiyaç duyar.HVAC, daha fazla iletken ve daha büyük yalıtıcılar (AC zirve gerilimleri için derecelendirilmiş) desteklemek için daha yüksek kulelere ihtiyaç duyar, bu da daha güçlü yapısal destek gerektirir. Bu daha geniş ayak izi, malzeme, inşaat ve toprak maliyetlerini artırır - HVDC, geçiş hakları açısından daha üstün hale gelir.
7) Üstün Kablo Temelli İletim
Yeraltı ve denizaltı kabloları, yalıtım ile ayrılmış birden fazla iletken içerir, bu da aralarında parazitik kapasitans oluşturur. Bu kablolar, tamamen şarj edilmedikçe güç iletemez ve kapasitans (ve dolayısıyla şarj akımı) uzunlukla artar.AC sistemleri, kabloları saniyede 50-60 kez tekrar tekrar şarj ve şarjdan ayrılır, I²R kayıplarını artırır ve kablo uzunluğunu sınırlar. HVDC kabloları ise, yalnızca ilk enerji verilmesi veya anahtarlama sırasında şarj edilir, bu kayıpları ve uzunluk kısıtlamalarını ortadan kaldırır.Bu, HVDC'yi kıyı dışı, su altı ve yeraltı kablo iletimi için tercih edilen seçenek yapar.
8) Bipolar İletim
HVDC, çeşitli iletim modlarını destekler ve bipolar iletim yaygın ve maliyet etkin bir seçenektir. İki paralel iletkeni, toprağa göre dengeli olan zıt kutupları vardır.Eğer bir hat başarısız olursa veya koparsa, sistem sorunsuzca monopolar moda geçer: kalan hat akımı sağlamaya devam eder, toprağı dönüş yolculuğu olarak kullanır.
9) Kontrollü Güç Akışı
HVDC dönüştürücüler, katı hal elektroniklerine dayalı olarak, AC ağlarında güç akışını hassas bir şekilde kontrol etmeyi sağlar. Hızlı anahtarlama yeteneği (her döngüde birkaç kez çalışır), harmonik performansı geliştirir, güç salınımlarını zayıflatır ve ağın güç sağlama kapasitesini optimize eder.
10) Hızlı Arızaların Temizlenmesi
Arıza akımları - elektrik arızalarından kaynaklanan anormal akımlar - önemli riskler taşır. HVAC sistemlerinde, yüksek arıza akımları iletim hatları, istasyonlar, jeneratörler ve yükleri zarar görebilir.HVDC, bu riskleri minimize eder: arıza akımları daha düşük olup, belirli bölümlerde zararı sınırlar ve hızlı anahtarlama işlemi, hızlı arıza tepkisini sağlayarak sistem direncini artırır.
11) Asenkron Ağ Bağlantısı
HVDC, farklı parametrelerle (örneğin, frekans, faz) asenkron AC ağlarının bağlantısını sağlar.Bölgeler genellikle farklı frekansları kullanır (örneğin, Avrupa'da 50 Hz, ABD'de 60 Hz) ve ağlar faz farklarına sahip olabilir, bu da doğrudan AC bağlantısını imkansız hale getirir. HVDC, frekans veya faz kısıtlaması olmadan kolayca bu bağımsız sistemleri bağlar.
12) Akıllı Ağların Oluşturulmasına İzin Verme
Akıllı ağlar, küçük ölçekli jeneratörleri (güneş, rüzgar, nükleer) akıllı güç akışı kontrolü ile birleştirir.Bu, HVDC ile mümkün olmaktadır, çünkü HVDC, jenerasyon birimlerinin asenkron bağlantısını destekler ve güç dağıtım üzerinde tam kontrol sağlar, akıllı ağ gerekliliklerine uygun hale getirir.
13) Azaltılmış Gürültü Araştırması
HVDC, HVAC'ye kıyasla yakındaki iletişim hatlarına çok daha az gürültü araştırmasına neden olur.HVAC, sesli zımbırtı, radyo ve TV interferansı oluşturur, bu yoğunluk frekansına bağlıdır. HVDC, sıfır frekansa sahip olduğundan, minimal gürültü üretir. Ayrıca, HVAC gürültüsü kötü hava koşullarında artarken, HVDC gürültüsü azalır, bu daha istikrarlı işlem sağlar.
