Jaké jsou rozdíly mezi HVAC a HVDC v přenosu elektrické energie
Rozdíl mezi HVAC a HVDC
Elektrická energie vyrobená v elektrárnách se přenáší na velké vzdálenosti do elektrických rozvodoven, které ji poté distribuují koncovým spotřebitelům. Napětí používané pro přenos na velké vzdálenosti je extrémně vysoké, a to z důvodů, které si později probereme. Kromě toho může přenášená energie být buď ve formě střídavého proudu (AC) nebo stejnosměrného proudu (DC). Proto lze elektrickou energii přenášet pomocí buď HVAC (High Voltage Alternating Current) nebo HVDC (High Voltage Direct Current).
Proč je nutné vysoké napětí pro přenos?
Napětí hraje klíčovou roli v snižování ztrát na vodičích, také známých jako přenosové ztráty. Každý elektrický vodič použitý pro přenos má určitou ohmovou odpor (R). Když proud (I) protéká těmito vodiči, vytvářejí tepelnou energii, což je v podstatě ztracená energie nebo výkon (P).
Podle Ohmova zákona
Jak je zřejmé, ztracená energie v vodiči během přenosu závisí na proudu, nikoli na napětí. Nicméně, můžeme magnitudu proudu upravit pomocí speciálního zařízení pro převod napětí.
Během převodu napětí se výkon zachovává a nezmění. Napětí a proud prostě mění své hodnoty obráceně o stejný faktor, podle principu:
Například 11 kW výkon při napětí 220 V má proud 50 A. V takovém případě budou ztráty na přenosové lince
Zvýšme napětí desetinásobně. Stejný výkon 11 kW by měl napětí 2200 V a proud 5 A. Nyní by ztráty na lince byly;
Jak vidíte, zvýšení napětí značně snižuje ztráty výkonu na přenosových liniích. Abychom snížili proud v přenosových kabelech a udrželi stejnou množství přenášeného výkonu, zvyšujeme napětí.
Válka proudů (AC vs. DC)
V posledních letech 1880. během tzv. "Války proudů" byl jako první pro přenos elektřiny nasazen stejnosměrný proud (DC). Byl však považován za velmi neefektivní kvůli nedostatku praktického zařízení pro převod napětí – na rozdíl od střídavého proudu (AC), který lze snadno zvýšit nebo snížit pomocí transformátorů. Rané nízkonapěťové elektrárny DC mohly dodávat elektřinu pouze v okruhu několika mil; za touto vzdáleností napětí dramaticky klesalo, což vyžadovalo mnoho generovacích stanic v malých oblastech – nákladný přístup.
Ačkoli přenos vysokonapěťového DC intrinsektně způsobuje nižší ztráty než AC, rané systémy DC spoléhaly na rtutové obloukové ventilátory (rectifikátory) pro převod vysokonapěťového AC na DC pro dlouhodobý přenos. Tyto koncové zařízení byly hromadná, dražší a vyžadovala častou údržbu. Naopak přenos AC závisel na transformátorech – efektivnějších, cenově dostupnějších a spolehlivějších – což dělalo AC dominantní volbou pro dlouhodobý přenos elektřiny v té době.
Při výběru mezi vysokonapěťovým AC (HVAC) a vysokonapěťovým DC (HVDC) pro přenos je třeba zvážit několik klíčových faktorů. Tento článek tyto faktory detailně prozkoumává.
HVAC & HVDC
HVAC (High Voltage Alternating Current) a HVDC (High Voltage Direct Current) odkazují na rozsahy napětí používané pro přenos elektřiny na velké vzdálenosti. HVDC je obvykle preferováno pro ultra-dlouhé vzdálenosti (obvykle nad 600 km), i když oba systémy jsou dnes široce používány po celém světě, každý s vlastními výhodami a nevýhodami.
Náklady na přenos
Přenos elektřiny na velké vzdálenosti vyžaduje vysoké napětí, s přenosem výkonu mezi koncovými stanicemi, které zajišťují převod napětí. Celkové náklady na přenos tedy závisí na dvou komponentách: nákladech na koncové stanice a nákladech na přenosové linky.
Rozhraní vzdálenosti
"Rozhraní vzdálenosti" odkazuje na délku přenosu, při které celkové investiční náklady HVAC přesahují náklady HVDC. Tato vzdálenost je přibližně 400–500 mil (600–800 km). Pro vzdálenosti nad tuto hranici je HVDC ekonomičtější volbou; pro kratší vzdálenosti je HVAC ekonomičtější. Toto vztah je vizuálně znázorněno v grafu výše.
Flexibilita
HVDC se obvykle používá pro bodový přenos na velké vzdálenosti, protože výběr energie v mezilehlých bodech by vyžadoval drahé převodníky pro snížení vysokého DC napětí. Naopak HVAC nabízí větší flexibilitu: mnoho koncových stanic může využít levné transformátory pro snížení vysokého napětí, umožňující výběr energie v různých bodech linky.
Ztráty výkonu
Přenos HVAC způsobuje několik typů ztrát, včetně korónových ztrát, ztrát kůže, ztrát radiace a indukčních ztrát, které jsou v systémech HVDC většinou absenty nebo minimalizovány:
Efekt kůže
Efekt kůže, který je přímo úměrný frekvenci, nutil většinu AC proudu protékat blízko povrchu vodiče, opouštějíc jádro nepoužité. To snižuje efektivitu vodiče: aby HVAC systémy mohly přenášet větší proudy, vyžadují vodiče s větším průřezem, což zvyšuje materiálové náklady. HVDC, které není ovlivněno efektem kůže, využívá vodiče efektivněji.
Tedy, aby bylo možné přenést stejný proud, HVAC vyžaduje vodiče s větším průměrem, zatímco HVDC to může dosáhnout s menšími vodiči.
Proud a napětí vodičů
Vodiče mají maximální tolerované hodnoty napětí a proudu. Pro AC jsou vrcholové hodnoty napětí a proudu přibližně 1,4krát vyšší než jejich průměrné hodnoty (které odpovídají skutečně dodanému výkonu nebo ekvivalentním DC hodnotám). Naopak systémy DC mají identické vrcholové a průměrné hodnoty.
Nicméně, vodiče HVAC musí být navrženy pro vrcholový proud a napětí, což znamená ztrátu přibližně 30% jejich nosné kapacity. Naopak HVDC využívá plnou kapacitu vodičů, což znamená, že vodič stejného průměru může přenést větší výkon v systémech HVDC.
Právo na trase
"Právo na trase" odkazuje na pás pozemku požadovaný pro infrastrukturu přenosu. Systémy HVDC mají úzkou trasu díky menším věžím a méně vodičům (dvě pro DC versus tři pro trojfázové AC). Kromě toho musí izolátory AC na věžích být navrženy pro vrcholové napětí, což dále zvyšuje jejich stopu.
Tento úzký pás snižuje materiálové, stavební a pozemkové náklady, což dělá HVDC superiorní vzhledem k efektivitě práva na trase.
Přenos podmořské energie
Podmořské kabely používané pro přenos energie z moře mají parazitní kapacitance mezi paralelními vodiči. Kapacitance reaguje na změny napětí – konstantní v AC (50–60 cyklů za sekundu), ale probíhající pouze během přepínání v DC.
Kabely AC kontinuálně nabíjejí a vybíjejí, což způsobuje značné ztráty výkonu před doručením energie na přijímací konec. Kabely HVDC, které jsou nabity pouze jednou, eliminují takové ztráty. Pro více detailů se obraťte na obsah týkající se stavby, charakteristik, položení a spojů podmořských kabelů.
Řiditelnost toku výkonu
Systémy HVAC nemají přesnou kontrolu nad tokem výkonu, zatímco spoje HVDC používají IGBT-based polovodičové převodníky. Tyto komplexní převodníky, které mohou být přepínány několikrát za cyklus, optimalizují distribuci výkonu v systému, zlepšují harmonické vlastnosti a umožňují rychlou ochranu před poruchami a jejich likvidaci – výhody, které HVAC nemají.
Propojení asynchronních systémů a inteligentních sítí
Inteligentní síť umožňuje mnoha výrobním stanicím připojit se k unifikované síti, využívající malé sítě pro vysoký výkon. Nicméně, propojení několika asynchronních sítí AC (s různými frekvencemi nebo fázemi) je velmi náročné.
Propojení asynchronních sítí
Energetické sítě po celém světě fungují s různými frekvencemi – některé s 50 Hz, jiné s 60 Hz. Dokonce i sítě se stejnou frekvencí mohou být mimo fázi. Tyto jsou klasifikovány jako "asynchronní systémy" a nelze je propojit standardními AC spoji.
DC však není ovlivněno frekvencí nebo fází. Spojení HVDC řeší tento problém převodem AC na frekvence a fázi nezávislé DC, což umožňuje bezproblémové integrování asynchronních sítí. Na přijímacím konci invertory HVDC převádějí DC zpět na AC s požadovanou frekvencí, což umožňuje unifikovaný přenos energie.
Přerušovače obvodu
Přerušovače obvodu jsou klíčové v přenosu vysokého napětí, odpovědné za deenergizaci obvodů během poruch nebo údržby. Klíčovým požadavkem je schopnost uhasit oblouk pro přerušení toku energie.
Generování interferencí
Střídavý proud AC vytváří stále se měnící magnetické pole, které může indukovat interferenci v blízkých komunikačních linkách. Naopak konstantní magnetické pole DC eliminuje takové interferenci, což zajišťuje minimální rušení sousedních komunikačních systémů.
