ما هي الاختلافات بين أنظمة نقل الطاقة HVAC و HVDC

الفرق بين HVAC و HVDC

يتم نقل الكهرباء المولدة في محطات الطاقة على مسافات طويلة إلى محطات التوزيع الكهربائية، والتي تقوم بدورها بتوزيعها للمستهلكين. الجهد المستخدم لنقل الطاقة على مسافات طويلة非常高，我们将探讨这种高电压的原因。此外，传输的电力可以是交流电 (AC) 或直流电 (DC) 形式。因此，电力传输可以使用高压交流电 (HVAC) 或高压直流电 (HVDC)。 为什么传输需要高电压？ 电压在减少线路损耗（也称为传输损耗）方面起着关键作用。用于电力传输的每根导体都有一定的电阻 (R)。当电流 (I) 流过这些导体时，会产生热能，这实际上是浪费的能量或功率 (P)。 根据欧姆定律 如图所示 显然，在传输过程中导体中浪费的能量取决于电流而不是电压。但是，我们可以通过使用专门的设备进行电压转换来调整电流大小。 在电压转换期间，功率保持不变。电压和电流只是以相同的比例反向变化，遵循以下原则： 例如，220伏电压下的11千瓦功率具有50安培电流。在这种情况下，传输线损耗将是 让我们将电压提高10倍。那么同样的11千瓦功率将具有2200伏电压和5安培电流。现在线路损耗将是； 如您所见，增加电压可以显著减少传输线中的功率损耗。因此，为了在保持相同功率传输的同时减少传输电缆中的电流，我们提高了电压。 电流之战（AC vs. DC） 在19世纪80年代末，所谓的“电流之战”期间，直流电 (DC) 是最早用于电力传输的。然而，由于缺乏实用的电压转换设备，它被认为效率非常低——与交流电 (AC) 不同，后者可以使用变压器轻松升压或降压。早期的低压直流电站只能在几英里的半径内供电；超过这个范围，电压会急剧下降，需要在小范围内设置多个发电站——这是一种成本高昂的方法。 虽然高压直流传输固有地比交流电损耗更低，但早期的直流系统依赖于水银弧整流器（整流器）将高压交流电转换为直流电以进行长距离传输。这些终端设备体积庞大、昂贵且需要频繁维护。相比之下，交流传输依赖于变压器——更高效、经济且可靠——使交流电成为当时长距离电力传输的主要选择。 在选择高压交流电 (HVAC) 和高压直流电 (HVDC) 进行传输时，必须考虑几个关键因素。本文详细探讨了这些因素。 HVAC & HVDC 高压交流电 (HVAC) 和高压直流电 (HVDC) 指的是用于长距离电力传输的电压范围。通常，HVDC 适用于超长距离（通常超过600公里），尽管这两种系统今天在全球范围内广泛使用，各有其优缺点。 传输成本 长距离电力传输需要高电压，电力在处理电压转换的终端站之间传输。因此，总传输成本取决于两个组成部分：终端站成本和传输线成本。 - 终端站 终端站用于转换传输所需的电压水平。对于交流系统，这主要通过变压器完成，变压器可以在高电压和低电压之间切换。对于直流系统，终端站使用基于晶闸管或 IGBT 的转换器来调整直流电压水平。 由于变压器比固态转换器更可靠且更便宜，交流终端站的成本低于直流终端站，使得交流电压转换更具经济效益。 - 传输线 线路成本取决于导体数量和传输塔的设计。HVDC 系统只需要两根导体，而 HVAC 系统则需要三根或更多（包括捆绑导体以减轻电晕效应）。 交流传输塔必须支撑更重的机械负荷，需要更强、更高、更宽的结构，与 HVDC 塔相比。线路成本随距离增加而增加，每100公里，HVAC 线路比 HVDC 线路昂贵得多。 - 总传输成本 总成本由终端成本（固定，与距离无关）和线路成本（可变，随距离增加）决定。因此，随着距离的增加，传输系统的总体成本上升。 盈亏平衡距离 “盈亏平衡距离”是指 HVAC 的总投资成本超过 HVDC 的传输长度。这一距离大约为400至500英里（600至800公里）。超出此阈值的距离，HVDC 更具成本效益；对于较短的距离，HVAC 更具经济性。上图直观地展示了这种关系。 灵活性 HVDC 通常用于点对点长距离传输，因为在中间点提取电力需要昂贵的转换器来降低高直流电压。相比之下，HVAC 提供更大的灵活性：多个终端站可以利用低成本变压器降低高电压，从而在沿线多个点提取电力。 功率损耗 HVAC 传输涉及多种类型的损耗，包括电晕损耗、趋肤效应损耗、辐射损耗和感应损耗，这些在 HVDC 系统中大部分不存在或被最小化： - 电晕损耗：当电压超过临界阈值时，导体周围的空气会电离，产生火花（电晕放电），浪费能量。这些损耗与频率相关——由于直流电的频率为零，HVAC 的电晕损耗大约是 HVDC 的三倍。 - 趋肤效应损耗：在交流传输中，电流密度在导体表面最高，在芯部最低（“趋肤效应”），减少了用于电流流动的有效横截面积。这增加了导体电阻并放大了 I²R 损耗。相比之下，直流电均匀分布在导体上，消除了这种效应。 - 辐射和感应损耗：HVAC 的交变磁场使长传输线像天线一样辐射不可回收的能量，并在附近的导体中感应电流（感应损耗）。HVDC 的恒定磁场避免了这些问题。 趋肤效应 趋肤效应与频率成正比，迫使大部分交流电流在导体表面流动，核心部分利用率较低。这降低了导体效率：为了承载更大的电流，HVAC 系统需要横截面积更大的导体，增加了材料成本。HVDC 不受趋肤效应影响，使用导体更有效。 因此，为了承载相同的电流，HVAC 需要直径更大的导体，而 HVDC 可以用直径较小的导体实现这一点。 电缆电流和电压额定值 电缆具有最大可承受电压和电流的额定值。对于交流电，峰值电压和电流大约是其平均值（对应实际输送功率或等效直流值）的1.4倍。相比之下，直流系统的峰值和平均值相同。 然而，HVAC 导体必须按照峰值电流和电压进行额定，浪费了约30%的承载能力。相比之下，HVDC 利用了导体的全部容量，这意味着相同尺寸的导体在 HVDC 系统中可以传输更多的功率。 通行权 “通行权”指的是传输基础设施所需的土地走廊。由于更小的塔和更少的导体（直流为两根，三相交流为三根），HVDC 系统的通行权更窄。此外，交流塔上的绝缘子必须按峰值电压额定，进一步增加了占地面积。 这种更窄的走廊减少了材料、施工和土地成本，使 HVDC 在通行权效率方面更优越。 海底电力传输 用于海上电力传输的海底电缆在平行导体之间具有杂散电容。电容对电压变化作出反应——交流电是连续的（每秒50至60个周期），而直流电仅在开关时发生。 交流电缆不断充电和放电，导致在输送到接收端之前造成显著的功率损失。HVDC 电缆仅充电一次，消除了这种损失。有关更多信息，请参阅有关海底电缆构造、特性、铺设和接头的内容。 功率流的可控性 HVAC 系统缺乏对功率流的精确控制，而 HVDC 链路使用基于 IGBT 的半导体转换器。这些复杂的转换器每个周期可以多次切换，优化系统内的功率分配，改善谐波性能，并实现快速故障保护和清除——这是 HVAC 无法比拟的优势。 异步系统的互联和智能电网 智能电网允许多个发电站馈入统一网络，利用小型电网进行高功率发电。然而，连接多个异步交流电网（频率或相位不同）是非常具有挑战性的。 全球各地的电力网运行在不同的频率——一些是50赫兹，其他是60赫兹。即使频率相同的电网也可能不同相。这些被归类为“异步系统”，不能通过标准的交流链路连接。 然而，直流电不受频率或相位的影响。HVDC 互联通过将交流电转换为与频率和相位无关的直流电，实现了异步电网的无缝集成。在接收端，HVDC 逆变器将直流电转换回具有所需频率的交流电，从而实现统一的电力传输。 断路器 断路器在高电压传输中至关重要，负责在故障或维护期间切断电路。一个关键要求是熄弧能力以中断功率流。 - HVAC 断路器：交流电流不断改变方向，自然产生零电流时刻（每秒50至60次），自动熄灭电弧。这种“自熄灭”功能简化了 HVAC 断路器的设计，使其相对简单且经济。 - HVDC 断路器：直流电流是单向的，没有自然的零交叉点。为了熄灭电弧，必须使用专门电路人为生成零电流点。这种复杂性使得 HVDC 断路器比交流断路器更复杂且昂贵。 干扰产生 交流电的交变电流产生不断变化的磁场，可能在附近的通信线路中引起干扰。相比之下，直流电的恒定磁场消除了这种干扰，确保对相邻通信系统的干扰最小。