Quines són les diferències entre HVAC i HVDC en la transmissió d'energia?
Diferència entre HVAC i HVDC
La electricitat generada en les centrals elèctriques es transmet a llargues distàncies a les subestacions elèctriques, que la distribueixen als consumidors. La tensió utilitzada per a la transmissió de potència a llarga distància és extremadament alta, i explorarem les raons d'aquesta alta tensió més endavant. A més, la potència transmesa pot ser en corrent altern (CA) o corrent continu (CC). Per tant, la potència es pot transmetre mitjançant HVAC (High Voltage Alternating Current) o HVDC (High Voltage Direct Current).
Per què és necessària una alta tensió per a la transmissió?
La tensió desempenya un paper crucial en la reducció de les pèrdues de línia, també conegudes com a pèrdues de transmissió. Cada conductor elèctric utilitzat per a la transmissió de potència té una certa quantitat de resistència ohmica (R). Quan la corrent (I) flueix a través d'aquests conductors, generen energia tèrmica, que és essencialment energia perduda o potència (P).
Segons la Llei d'Ohm
Com es veu, l'energia perduda en un conductor durant la transmissió depèn de la corrent i no de la tensió. No obstant això, podem ajustar la magnitud de la corrent mitjançant la conversió de tensió utilitzant equipament especialitzat.
Durant la conversió de tensió, la potència roman conservada i inalterada. La tensió i la corrent varien simplement de manera inversa pel mateix factor, seguint el principi:
Per exemple, 11KW de potència a una tensió de 220v té 50 Amperes. En aquest cas, les pèrdues de la línia de transmissió seran
Aumentem la tensió per un factor de 10. Així, la mateixa potència de 11KW tindria una tensió de 2200v i 5 Amperes. Ara, les pèrdues de línia serien;
Com podeu veure, augmentar la tensió redueix significativament les pèrdues de potència en les línies de transmissió. Per això, per reduir la corrent en els cables de transmissió mentre es manté la mateixa quantitat de transmissió de potència, augmentem la tensió.
La Guerra de les Corrents (CA vs. CC)
A finals dels anys 1880, durant la "Guerra de les Corrents", el corrent continu (CC) va ser el primer a s'utilitzar per a la transmissió de potència. No obstant això, es va considerar altament ineficient degut a la falta d'equipament pràctic per a la conversió de tensió, a diferència del corrent altern (CA), que podia ser fàcilment elevat o disminuït utilitzant transformadors. Les primeres estacions de potència de baixa tensió en CC només podien subministrar electricitat dins d'un radi de pocs quilòmetres; més enllà, la tensió caigudrà dràsticament, requerint múltiples estacions de generació en àrees petites, un enfocament costós.
Encara que la transmissió de CC a alta tensió incideix inherentment en menys pèrdues que el CA, els sistemes de CC inicials dependien de vànuses d'arc de mercuri (rectificadors) per convertir el CA a alta tensió en CC per a la transmissió a llarga distància. Aquests dispositius terminals eren voluminosis, caros i requereixen manteniment freqüent. En canvi, la transmissió de CA dependia dels transformadors, més eficients, accessibles i fiables, fent del CA la opció dominant per a la transmissió de potència a llarga distància en aquell moment.
Quan s'escull entre HVAC (High Voltage Alternating Current) i HVDC (High Voltage Direct Current) per a la transmissió, cal tenir en compte diversos factors crítics. Aquest article explora aquests factors en detall.
HVAC & HVDC
HVAC (High Voltage Alternating Current) i HVDC (High Voltage Direct Current) es refereixen a rangs de tensió utilitzats per a la transmissió de potència a llarga distància. El HVDC normalment es prefereix per a distàncies ultra-larges (normalment més de 600 km), encara que ambdós sistemes són ampliament utilitzats al món avui, cadascun amb els seus avantatges i inconvenients.
Costos de Transmissió
La transmissió de potència a llarga distància requereix tensions altes, amb la potència transferida entre estacions terminals que manejen la conversió de tensió. Així, els costos totals de transmissió depenen de dos components: els costos de les estacions terminals i els costos de les línies de transmissió.
Distància de Punt d'Equilibri
La "distància de punt d'equilibri" es refereix a la longitud de transmissió més enllà de la qual el cost total d'investigació de HVAC supera el de HVDC. Aquesta distància és aproximadament de 400–500 milles (600–800 km). Per a distàncies més llargues, el HVDC és la opció més econòmica; per a distàncies més curtes, el HVAC és més econòmic. Aquesta relació es il·lustra visualment en el gràfic superior.
Flexibilitat
El HVDC normalment s'utilitza per a la transmissió a llarga distància punt a punt, ja que extreure potència en punts intermedis requeriria convertidors caros per reduir les tensions de CC altes. En canvi, el HVAC ofereix més flexibilitat: diverses estacions terminals poden utilitzar transformadors de baix cost per reduir les tensions altes, permetent l'extracció de potència en diversos punts a llarg de la línia.
Pèrdues de Potència
La transmissió HVAC incideix en diversos tipus de pèrdues, incloent pèrdues de corona, pèrdues per l'efecte de la pell, pèrdues de radiació i pèrdues d'inducció, que estan gairebé absents o minimitzades en els sistemes HVDC:
L'Efecte de la Pell
L'efecte de la pell, directament proporcional a la freqüència, força la major part de la corrent de CA a fluir prop de la superfície del conductor, deixant el nucli infrautilitzat. Això redueix l'eficiència del conductor: per portar corrents més grans, els sistemes HVAC requereixen conductors amb àrea transversal més gran, augmentant els costos de material. El HVDC, no afectat per l'efecte de la pell, utilitza els conductors de manera més eficient.
Així, per portar la mateixa corrent, el HVAC requereix conductors amb diàmetre més gran, mentre que el HVDC pot aconseguir-ho amb conductors de diàmetre més petit.
Classificació de Corrent i Tensió de Cables
Els cables tenen una tensió i corrent màxima tolerable. Per al CA, la tensió i corrent màximes són aproximadament 1,4 vegades més altes que els seus valors mitjans (que corresponen a la potència real entregada o valors equivalents de CC). En canvi, els sistemes de CC tenen valors màxims i mitjans idèntics.
No obstant això, els conductors de HVAC han de estar classificats per la corrent i tensió màximes, desperdiciant aproximadament el 30% de la seva capacitat de portada. En canvi, el HVDC utilitza la capacitat total dels conductors, volent dir que un conductor de la mateixa mida pot transmetre més potència en sistemes HVDC.
Dret de Passatge
El "dret de passatge" es refereix al corredor de terra necessari per a la infraestructura de transmissió. Els sistemes HVDC tenen un dret de passatge més estret degut a torres més petites i menys conductors (dos per CC versus tres per CA trifàsic). A més, els aïllants de CA en les torres han de estar classificats per tensions màximes, augmentant-ne la seva empremta.
Aquest corredor més estret redueix els costos de material, construcció i terra, fent que el HVDC sigui superior en termes d'eficiència del dret de passatge.
Transmissió de Potència Submarina
Els cables submarins utilitzats per a la transmissió offshore tenen capacitance estranya entre conductors paral·lels. La capacitance reacciona a canvis de tensió—constant en CA (50–60 cicles per segon) però només ocorre durant la commutació en CC.
Els cables de CA es carreguen i descarreguen continuament, causant pèrdues de potència significatives abans de lliurar la potència al receptor. Els cables de HVDC, carregats només una vegada, eliminen aquestes pèrdues. Per a més detalls, consulteu el contingut sobre la construcció, característiques, posada en obra i unions de cables submarins.
Controlabilitat del Flux de Potència
Els sistemes HVAC no disposen d'un control precís sobre el flux de potència, mentre que els enllaços HVDC utilitzen convertidors semiconductors basats en IGBT. Aquests convertidors complexes, que es poden commutar múltiples vegades per cicle, optimitzen la distribució de potència a través del sistema, milloren el rendiment harmònic i permeten protecció ràpida contra faults i neteja—avantatges sense igual per HVAC.
Interconnexió de Sistemes Asincrònics i Xarxes Intel·ligents
Una xarxa intel·ligent permet a multiples estacions de generació alimentar una xarxa unificada, utilitzant xarxes locals per a la generació de alta potència. No obstant això, connectar múltiples xarxes asincròniques de CA (amb freqüències o fases diferents) és molt complicat.
Interconnexió de Xarxes Asincrònics
Les xarxes elèctriques al món operen a diferents freqüències—algunes a 50 Hz, altres a 60 Hz. Fins i tot les xarxes amb la mateixa freqüència poden estar fora de fase. Aquests són classificats com a "sistemes asincrònics" i no es poden connectar mitjançant enllaços de CA estàndard.
El CC, no obstant això, no està afectat per la freqüència o la fase. Els enllaços HVDC resolen això convertint el CA en CC independent de la freqüència i la fase, permetent la integració fluida de xarxes asincròniques. Al receptor, els inversors HVDC converteixen el CC de nou en CA amb la freqüència requerida, facilitant la transmissió de potència unificada.
Interruptors de Circuit
Els interruptors de circuit són crítics en la transmissió de alta tensió, responsables de desenergitzar circuits durant faults o manteniment. Un requisit clau és la capacitat d'extingir arcs per interrompre el flux de potència.
Generació d'Interferències
La corrent alternant de CA produeix un camp magnètic constantment variant, que pot induir interferències en línies de comunicació properes. En canvi, el camp magnètic constant de CC elimina aquestes interferències, assegurant una mínima interrupció als sistemes de comunicació adjacents.
