Які переваги має ПВП перед ПСП у передачі електроенергії
Які переваги має HVDC перед HVAC?
Електроенергія подорожує на великі відстані, перш ніж досягне споживачів. Електростанції, часто розташовані далеко, постачають електроенергію через сотні миль та кілька підстанцій. Передача електроенергії на високому напругі зменшує втрати в лініях, і для цього використовуються як AC, так і DC. Хоча AC є більш знайомим завдяки опорам електропередач та домашнім розеткам, HVDC пропонує унікальні переваги у передачі електроенергії.
Метою передачі електроенергії є мінімізація втрат та витрат. Якщо обидва методи мають впливаючі фактори, то у HVDC є більше переваг. Ця стаття досліджує переваги HVDC над HVAC:
Нижчі витрати на передачу
Витрати на передачу залежать від обладнання для конвертації кінцевої напруги, кількості/розміру провідників, розмірів веж та втрат. HVAC використовує трансформатори для конвертації — простіше та дешевше, ніж тирісторні конвертери HVDC, що є єдиним перевагою за витратами.
HVAC потребує принаймні 3 провідники для трьохфазної передачі. HVDC, використовуючи землю як шлях повернення, використовує 1 провідник (монополярний) або 2 (біполярний), що зменшує витрати. Навіть трифазні провідники можуть передавати подвійну потужність через двобіполярні зв'язки HVDC.
HVAC потребує більшого відстанню між фазами та землею, що вимагає вищих та ширших веж. Вежі HVDC зменшують витрати на встановлення. Також у HVDC значно нижчі втрати при передачі, що робить його більш ефективним.
Загальні витрати на передачу можна розділити на дві основні категорії: витрати на кінцеві станції та витрати на лінії передачі. Перші є фіксованими витратами, незалежними від відстані передачі, тоді як другі змінюються з довжиною лінії. Витрати на кінцеві станції AC є відносно невеликими, тоді як витрати на кінцеві станції HVDC значно вищі. Однак, витрати на 100 км ліній передачі HVAC набагато вищі, ніж витрати на лінії передачі HVDC. Тому загальні криві витрат для HVAC та HVDC перетинаються в точці, відомій як точка беззбитковості.
Точка беззбитковості — це довжина передачі, після якої загальні інвестиційні витрати HVAC перевищують витрати HVDC. Ця відстань змінюється в залежності від типу передачі: приблизно 400–500 миль (600–800 км) для надземних ліній, 20–50 км для підводних ліній та 50–100 км для підземних ліній. Після цього порогу HVDC стає більш ефективним та економічно вигідним вибором для передачі електроенергії.
Передача HVDC має значно нижчі втрати порівняно з HVAC, з ключовими покращеннями в таких областях:
Відсутність втрат реактивної потужності
Передача HVAC страждає від втрат реактивної потужності, які прямо пропорційні довжині лінії, частоті та індуктивним навантаженням на приймальному кінці. Ці втрати зменшують ефективну передачу потужності та гублять енергію, обмежуючи максимальну довжину ефективних ліній HVAC. Для зниження цих втрат HVAC системи спираються на серійне та паралельне компенсування, щоб зменшити VAR (реактивні вольт-ампери) та зберегти стабільність.
Наприклад, HVDC працює без частоти або зарядного струму, повністю усуваючи втрати реактивної потужності. Це усуває необхідність у таких мірах компенсації.
Зменшені втрати корони
Коли напруга передачі перевищує критичний поріг (поріг появи корони), молекули повітря навколо провідників іонізуються, створюючи іскри (коронний розряд), які гублять енергію. Втрати корони залежать від рівня напруги та частоти. Оскільки DC має нульову частоту, втрати корони в системах HVDC становлять приблизно одну третину від втрат у системах HVAC.
Відсутність ефекту шкури
Постійний струм AC демонструє ефект шкури, коли струм концентрується поблизу поверхні провідника, залишаючи ядро недостатньо використаним. Ця нерівномірна розподіл струму зменшує ефективну площу перерізу провідника, збільшуючи опір (оскільки опір обернено пропорційний площі) та в результаті призводить до більших I²R втрат в лініях HVAC. HVDC, з його стабільним прямим струмом, уникдає цього ефекту, забезпечуючи рівномірний розподіл струму по всьому провіднику та зменшуючи опорні втрати.
Відсутність втрат радіації або індукції
Лінії передачі HVAC страждають від втрат радіації та індукції через їх постійно змінюючіся магнітні поля. Втрати радіації відбуваються, оскільки довгі лінії AC діють як антени, радіючи енергію, яка не може бути відновлена. Втрати індукції виникають від струмів, що індукуються в близьких провідниках через чергове поле.У системах HVDC магнітне поле є сталим, повністю усунучи як втрати радіації, так і втрати індукції.
Зменшені втрати зарядного струму
Підземні та підводні кабелі мають внутрішню паразитну ємність, яка потребує зарядки, перш ніж вони зможуть передавати потужність. Ємність зростає зі збільшенням довжини кабелю, і таким чином, зарядний струм також зростає пропорційно.
У системах AC кабелі заряджаються та розряджуються кілька разів за секунду, витягуючи додатковий струм з джерела для підтримки цього циклу. Цей додатковий струм збільшує I²R втрати в кабелі.Кабелі HVDC, однак, потребують зарядки лише один раз під час початкової енергетизації або переключення. Це усуває втрати, пов'язані з постійними зарядними струмами.
Відсутність втрат від діелектричного нагріву
Альтернативне електричне поле в системах AC впливає на матеріали ізоляції в лініях передачі, призводячи до поглинання енергії та перетворення її на тепло — явище, відоме як втрати від діелектричного нагріву. Це не тільки губить енергію, але й скорочує тривалість життя ізоляції.Системи HVDC генерують сталий електричний потік, уникдаючи втрат від діелектричного нагріву та пов'язаних з ним проблем нагріву ізоляції.
3) Тонші провідники
Ефект шкури в AC призводить до концентрації струму поблизу поверхні провідника, що вимагає більш товстих провідників для збільшення площі поверхні та акомодації більшого струму.HVDC, вільний від ефекту шкури, дозволяє струму розподілятися рівномірно по всьому перерізу провідника. Це дозволяє використовувати тонші провідники, підтримуючи ту саму пропускну здатність, що зменшує витрати на матеріали та вагу.
4) Обмеження довжини лінії
Лінії HVAC страждають від втрат реактивної потужності, які зростають прямо пропорційно довжині лінії. Це накладає критичне обмеження на відстань передачі HVAC: за приблизно 500 км для надземних ліній, втрати реактивної потужності стають надто високими, destabilizing the system.Передача HVDC, навпаки, не має таких обмежень довжини, що робить її придатною для передачі електроенергії на надзвичайно великі відстані.
5) Зменшені вимоги до рейтингу кабелів
Кабелі мають рейтинг за максимально допустимою напругою та струмом. У системах AC, пікові напруга та струм приблизно на 1,4 рази вищі, ніж їх середні значення (які відповідають фактично переданій потужності). Проте, провідники повинні бути оцінені за цими пиковими значеннями.У системах DC, пикові та середні значення однакові. Це означає, що HVDC може передавати ту саму потужність, використовуючи кабелі з нижчими рейтингами напруги та струму порівняно з HVAC. Насправді, системи HVAC ефективно витрачають приблизно 30% ємності провідника через вищі пикові вимоги.
6) Вужчий коридор
"Коридор" вказує на земельний коридор, необхідний для інфраструктури передачі. Системи HVDC потребують вужчого коридора, оскільки вони використовують менші вежі та менше провідників.Навпаки, HVAC потребує вищих веж для підтримки більшої кількості провідників та більших ізоляторів (рейтингованих для пикових напруг AC), що вимагає більш міцної конструкції. Цей ширший слід збільшує витрати на матеріали, будівництво та землю, роблячи HVDC більш ефективним з точки зору коридора.
7) Краща передача на основі кабелів
Підземні та підводні кабелі складаються з кількох провідників, розділених ізоляцією, що створює паразитну ємність між ними. Ці кабелі не можуть передавати потужність, доки не будуть повністю заряджені, і ємність (а отже, і зарядний струм) зростає з довжиною.Системи AC постійно заряджаються та розряджуються (50-60 разів за секунду), збільшуючи I²R втрати та обмежуючи довжину кабелю. Кабелі HVDC, проте, заряджаються лише один раз (під час початкової енергетизації або переключення), усунучи такі втрати та обмеження довжини.Це робить HVDC переваговою вибором для офшорної, підводної та підземної передачі кабелем.
8) Біполярна передача
HVDC підтримує різні режими передачі, з біполярною передачею, яка є широко використовуваною та економічно ефективною опцією. Вона має два паралельні провідники з протилежними полярностями, їх напруги балансуються відносно землі.Якщо одна лінія виходить з ладу або розривається, система безперервно переходить до монополярного режиму: залишаюча лінія продовжує постачати струм, використовуючи землю як шлях повернення.
9) Контрольований потік потужності
Конвертери HVDC, базовані на твердотіловій електроніці, дозволяють точний контроль над потоком потужності в мережах AC. Їхня швидка можливість переключення (робота кілька разів за цикл) покращує гармонічну продуктивність, згладжує коливання потужності та оптимізує можливості мережі по поставках потужності.
10) Швидке видалення аварій
Аварійні струми — аномальні струми, що виникають через електричні аварії, — представляють значні ризики. У системах HVAC, високі аварійні струми можуть пошкодити лінії передачі, станції, генератори та навантаження.HVDC мінімізує такі ризики: аварійні струми нижчі, обмежуючи пошкодження конкретними секціями, і його швидка можливість переключення забезпечує швидку реакцію на аварії, підвищуючи стійкість системи.
11) Асинхронне з'єднання мереж
HVDC дозволяє з'єднання асинхронних мереж AC з різними параметрами (наприклад, частотою, фазою).Різні регіони часто використовують різні частоти (наприклад, 50 Гц в Європі проти 60 Гц в США), і мережі можуть мати різницю фаз, що робить безпосереднє з'єднання AC неможливим. HVDC, який працює без обмежень частоти або фази, легко з'єднує ці незалежні системи.
12) Можливість створення інтелектуальних мереж
Інтелектуальні мережі інтегрують маломасштабні генератори (сонячну, вітрову, ядерну енергію) в єдину мережу з інтелектуальним контролем потоку потужності.Це можливо з HVDC, який підтримує асинхронне з'єднання генеруючих одиниць та забезпечує повний контроль над розподілом потужності, відповідаючи вимогам інтелектуальних мереж.
13) Зменшені втручання шуму
HVDC викликає набагато менше шумового втручання до близьких ліній зв'язку, ніж HVAC.HVAC генерує чутливий брехіт, радіо- та ТБ-втручання, інтенсивність яких залежить від частоти. HVDC, з нульовою частотою, виробляє мінімальний шум. Крім того, шум HVAC збільшується під час поганої погоди, тоді як шум HVDC зменшується, забезпечуючи більш стабільну роботу.
