Какви са разликите между HVAC и HVDC в преноса на енергия

Разлика между HVAC и HVDC

Електричеството, произведено в електроцентрали, се предава на дълги разстояния до електроподстанции, които после го разпределят към потребителите. Напрегнатостта, използвана за предаване на електроенергия на дълги разстояния, е изключително висока, и ще разгледаме причините за тази висока напрегнатост по-късно. Освен това предаваната мощност може да бъде както в алтернативен (AC), така и в постоянен ток (DC). Следователно, мощността може да бъде предавана използвайки или HVAC (High Voltage Alternating Current) или HVDC (High Voltage Direct Current).

Защо е необходима високата напрегнатост за предаването?

Напрегнатостта играе ключова роля в намаляването на линейните загуби, известни също като загуби при предаване. Всяко електрическо проводимо тяло, използвано за предаване на електроенергия, има определена омична съпротива (R). Когато ток (I) протича през тези проводници, те генерират термална енергия, която е съществено загубена енергия или мощност (P).

Според закона на Ом

Както е видимо, загубената енергия в проводника при предаването зависи от тока, а не от напрегнатостта. Но можем да коригираме големината на тока чрез преобразуване на напрегнатостта с помощта на специализирано оборудване.

По време на преобразуването на напрегнатостта, мощността остава запазена и непроменена. Напрегнатостта и токът просто варира обратно пропорционално с един и същ фактор, следвайки принципа:

Например, 11KW мощност при напрегнатост 220v има 50 Ампера. В такъв случай, линейните загуби ще са

Нека увеличим напрегнатостта 10 пъти. Така същата мощност от 11KW ще има напрегнатост 2200v & 5 Ампера. Сега линейните загуби ще са;

Както виждате, увеличаването на напрегнатостта значително намалява загубите на мощност в предавателните линии. За да намалим тока в предавателните кабели, докато поддържаме същата количество предавана мощност, увеличаваме напрегнатостта.

Войната на токовете (AC vs. DC)

В края на 1880-те години, по време на така наречената "Война на токовете", постоянният ток (DC) беше първият, който беше използван за предаване на електроенергия. Обаче, той беше сметнат за много неефективен поради липсата на практични устройства за преобразуване на напрегнатостта - в сравнение с алтернативния ток (AC), който можеше лесно да се повишава или понижава чрез трансформатори. Ранните станции за нисконапрегнат DC можеха да доставят електроенергия само в радиус от няколко мили; над това, напрегнатостта спадаше драстично, което изискваше множество генериращи станции в малки области - скъп подход.

Въпреки че предаването на високонапрегнат DC по същество води до по-малки загуби от AC, ранните системи DC се ползваха от ртутни аркови клапи (ректори) за преобразуване на високонапрегнат AC в DC за предаване на дълги разстояния. Тези крайни устройства бяха громоздки, скъпи и изискваха често поддръжка. От друга страна, предаването на AC зависеше от трансформатори - по-ефективни, по-евтини и надеждни - което правеше AC доминиращ избор за предаване на електроенергия на дълги разстояния по това време.

При избор между високонапрегнат AC (HVAC) и високонапрегнат DC (HVDC) за предаване, трябва да се вземат предвид няколко ключови фактора. Тази статия разглежда тези фактори детайлно.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) и HVDC (High Voltage Direct Current) се отнасят до диапазони на напрегнатости, използвани за предаване на електроенергия на дълги разстояния. HVDC обикновено се предпочита за ултра-дълги разстояния (обикновено над 600 km), въпреки че и двете системи се използват широко по света днес, всяка със своите предимства и недостатъци.

Разходи за предаване

Предаването на електроенергия на дълги разстояния изисква високи напрегнатости, с мощност, прехвърляща се между крайни станции, които се грижат за преобразуването на напрегнатостта. Общите разходи за предаване се основават на два компонента: разходи за крайни станции и разходи за предавателни линии.

• Крайни станции
  Крайните станции преобразуват равнищата на напрегнатост за предаване. За системите AC, това се прави основно чрез трансформатори, които превключват между високи и ниски напрегнатости. За системите DC, крайните станции използват конвертори, базирани на тиристори или IGBT, за да регулират равнищата на DC напрегнатост.

  Тъй като трансформаторите са по-надеждни и евтини от твърдотелните конвертори, крайните станции AC са по-евтини от техните DC колеги, което прави преобразуването на напрегнатостта AC по-икономично.

• Предавателни линии
  Разходите за линии зависят от броя на проводниците и дизайна на предавателните кули. Системите HVDC изискват само два проводника, докато системите HVAC изискват три или повече (включително свързани проводници за намаляване на коронните ефекти).

  Кулите за предаване на AC трябва да поддържат по-тежки механични товари, което изисква по-силни, по-високи и по-широки конструкции в сравнение с кулите HVDC. Разходите за линии се увеличават с разстоянието, и за всеки 100 km, линиите HVAC са значително по-скъпи от линиите HVDC.

• Общи разходи за предаване
  Общите разходи се определят от разходите за крайни станции (фиксирани, независими от разстоянието) и разходите за линии (променливи, увеличаващи се с разстоянието). Следователно, общите разходи на системата за предаване се увеличават, когато разстоянието се увеличава.

Равновесно разстояние

"Равновесното разстояние" се отнася до дължината на предаването, при която общата инвестиционна цена на HVAC надхвърля цената на HVDC. Това разстояние е около 400-500 мили (600-800 km). За разстояния над този праг, HVDC е по-икономичен избор; за по-кратки разстояния, HVAC е по-икономичен. Това отношение е визуално илюстрирано в графиката по-горе.

Гъвкавост

HVDC обикновено се използва за точка-до-точка предаване на дълги разстояния, тъй като отчитането на мощността в средните точки изисква скъпи конвертори за понижаване на високите DC напрегнатости. От друга страна, HVAC предлага по-голяма гъвкавост: многобройни крайни станции могат да използват евтини трансформатори за понижаване на високите напрегнатости, позволявайки извличане на мощност в различни точки по линията.

Загуби на мощност

Предаването на HVAC води до няколко типа загуби, включително коронни загуби, кожен ефект, радиационни загуби и индуктивни загуби, които са главно отсъстващи или минимизирани в системите HVDC:

• Коронни загуби: Когато напрегнатостта надхвърли критична граница, въздухът около проводниците се ионизира, създавайки искри (коронен разряд), които губят енергия. Тези загуби са зависими от честотата - тъй като DC има нулева честота, коронните загуби в HVAC са приблизително три пъти по-големи от тези в HVDC.

• Ефект на кожата: При предаване на AC, плътността на тока е най-висока на повърхността на проводника и най-ниска в ядрото (ефектът на кожата), което намалява ефективната сечна площ, използвана за протичане на тока. Това увеличава съпротивлението на проводника и засилва I²R загубите. DC ток, от друга страна, се разпределя равномерно през проводника, елиминирайки този ефект.

• Радиационни и индуктивни загуби: Променливото магнитно поле на HVAC кара дългите предавателни линии да действат като антени (разпространявайки невъзстановими енергии) и индуцира токове в близки проводници (индуктивни загуби). Постоянното магнитно поле на HVDC избягва и двете проблеми.

Ефектът на кожата

Ефектът на кожата, директно пропорционален на честотата, принуждава повечето AC ток да протича близо до повърхността на проводника, оставяйки ядрото недостатъчно използвано. Това намалява ефективността на проводника: за да пренасят по-големи токове, системите HVAC изискват проводници с увеличена сечна площ, което увеличава материалните разходи. HVDC, не влияен от ефекта на кожата, използва проводниците по-ефективно.

Следователно, за да пренасят същия ток, системите HVAC изискват проводници с по-голям диаметър, докато HVDC може да постигне това с по-малки диаметри на проводниците.

Номинални ток и напрегнатост на кабели

Кабелите имат максимални допустими номинални напрегнатости и токове. За AC, върховната напрегнатост и ток са приблизително 1.4 пъти по-високи от техните средни стойности (които съответстват на фактически доставената мощност или равностойни DC стойности). В сравнение, системите DC имат еднакви върховни и средни стойности.

Однако, проводниците HVAC трябва да са номинални за върховен ток и напрегнатост, което губи приблизително 30% от техните капацитети. В сравнение, HVDC използва пълния капацитет на проводниците, което означава, че проводник със същия размер може да пренася по-голяма мощност в системите HVDC.

Право на проход

"Право на проход" се отнася до коридора на земята, необходим за инфраструктурата за предаване. Системите HVDC имат по-тясно право на проход, благодарение на по-малки кули и по-малко проводници (два за DC, сравнено с три за трифазно AC). Освен това, изолаторите на кули за AC трябва да са номинални за върховни напрегнатости, което допълнително увеличава техния след.

Този по-тясно коридор намалява материалните, строителните и земеделските разходи, правейки HVDC по-добър във връзка с ефективността на правото на проход.

Подводно предаване на електроенергия

Подводните кабели, използвани за офшорно предаване на електроенергия, имат паразитна капацитивност между успоредни проводници. Капацитивността реагира на промени в напрегнатостта - постоянна в AC (50-60 цикла в секунда), но само при комутиране в DC.

AC кабелите непрекъснато зареждат и разтоварват, причинявайки значителни загуби на мощност преди доставянето на електроенергия на приемащия край. HVDC кабелите, заредени само веднъж, елиминират такива загуби. За повече подробности, се препоръчва да се прочете информацията за конструкция, характеристики, прокладка и съединения на подводни кабели.

Управляемост на потока на мощността

Системите HVAC липсват на точна управляемост на потока на мощността, докато HVDC връзките използват конвертори, базирани на IGBT полупроводници. Тези сложни конвертори, които могат да комутират няколко пъти за цикъл, оптимизират разпределението на мощността в системата, подобряват хармоничната производителност и позволяват бърза защита и изчистване на дефекти - предимства, които не са налични в HVAC.

Интерконекция на асинхронни системи и интелигентни мрежи

Интелигентната мрежа позволява на множество генериращи станции да подхранват единифицирана мрежа, използвайки малки мрежи за високомощностно генериране. Обаче, свързването на множество асинхронни AC мрежи (с различни честоти или фази) е много трудно.

Интерконекция на асинхронни мрежи

Електроенергийните мрежи по света работят на различни честоти - някои на 50 Hz, други на 60 Hz. Дори мрежи с една и съща честота може да са извън фаза. Те са класифицирани като "асинхронни системи" и не могат да бъдат свързани чрез стандартни AC връзки.

DC обаче не е влияен от честотата или фазата. HVDC интерконекции решават това, като преобразуват AC в честота- и фаза-нейтрален DC, позволявайки безшовна интеграция на асинхронни мрежи. На приемащия край, HVDC инвертори преобразуват DC обратно в AC с необходимата честота, осигурявайки единифицирано предаване на мощност.

Прекъсватели

Прекъсвателите са ключови в предаването на високонапрегнатост, отговорни за деконтактиране на вериги при дефекти или поддръжка. Един ключов изискване е способността за угасяване на дъга, за да прекъсне потока на мощност.

• Прекъсватели HVAC: AC ток постоянно променя посоката си, създавайки естествени моменти на нулев ток (50-60 пъти в секунда), които автоматично угасяват дъгата. Тази "самоугасваща" функция опростява дизайнa на прекъсвателите HVAC, правейки ги относително простi и икономически.

• Прекъсватели HVDC: DC ток е однонаправлен без естествени моменти на нулев ток. За да угасят дъгата, специализирани вериги трябва изкуствено да генерират моменти на нулев ток. Тази сложност прави прекъсвателите HVDC по-сложни и скъпи от техните AC колеги.

Генериране на interferencii

Алтернативният ток (AC) произвежда постоянно изменящо се магнитно поле, което може да индуцира interferencii в близки комуникационни линии. В сравнение, постоянното магнитно поле на DC елиминира такива interferencii, осигурявайки минимално разрушаване на съседните комуникационни системи.