Hvad er forskellene mellem HVAC og HVDC i strømoverførsel

Forskellen mellem HVAC og HVDC

Elektricitet produceret i kraftværker sendes over lange afstande til elektriske understationer, som derefter distribuerer den til forbrugere. Spændingen, der bruges til langdistansetransmission, er ekstremt høj, og vi vil undersøge årsagerne til denne høje spænding senere. Desuden kan den transmitterede effekt være i form af enten vekselstrøm (AC) eller gennemstrøm (DC). Derfor kan effekten transmitteres ved hjælp af enten HVAC (High Voltage Alternating Current) eller HVDC (High Voltage Direct Current).

Hvorfor er høj spænding nødvendig for transmission?

Spænding spiller en afgørende rolle i reduktion af linjeforlad, også kendt som transmissionsforlad. Hver elektrisk leder, der anvendes til effekttransmission, har en vis ohmsk modstand (R). Når strøm (I) løber igennem disse ledere, genererer de termisk energi, som i virkeligheden er spildt energi eller effekt (P).

Ifølge Ohms lov

Som det er tydeligt, afhænger den spildte energi i en leder under transmission af strømmen snarere end spændingen. Dog kan vi justere strømmens størrelse ved at konvertere spændingen ved hjælp af specialiseret udstyr.

Under spændingskonvertering bliver effekten bevaret og uændret. Spændingen og strømmen varierer blot omvendt med samme faktor, ifølge princippet:

For eksempel har 11 kW effekt ved en spænding på 220 V 50 Ampere. I sådan en situation vil transmissionslinjeforlad være

Lad os øge spændingen med en faktor på 10. Så ville den samme effekt på 11 kW have en spænding på 2200 V & 5 Ampere. Nu ville linjeforlad være;

Som du kan se, reducerer en øgning af spændingen transmissionslinjeforlad betydeligt. For at reducere strømmen i transmissionskabler, mens man bibeholder den samme mængde effekttransmission, øger vi spændingen.

Strømkrigen (AC vs. DC)

I slutningen af 1880'erne, under den såkaldte "Strømkrig", blev gennemstrøm (DC) først anvendt til effekttransmission. Men det blev anset for højst ineffektivt pga. mangel på praktisk spændingskonverteringsudstyr – imod vekselstrøm (AC), som kunne let stigning eller nedgang ved hjælp af transformatorer. Tidlige lavspændings DC-kraftstationer kunne kun forsyne elektricitet inden for et radius af få kilometer; ud over dette faldt spændingen drastisk, hvilket krævede flere generatorstationer i små områder – en kostbar metode.

Selvom højspændings DC-transmission i sig selv indebærer mindre forlad end AC, blev tidlige DC-systemer afhængige af kviksølv bueventiler (rectifiers) for at konvertere højspændings AC til DC for langdistansetransmission. Disse terminalenheder var klodsede, dyre og krævede hyppig vedligeholdelse. Imidlertid afhængede AC-transmission af transformatorer – mere effektive, prisgunstige og pålidelige – hvilket gjorde AC til den dominerende valg for langdistansetransmission på det tidspunkt.

Når man vælger mellem højspændings AC (HVAC) og højspændings DC (HVDC) til transmission, skal flere kritiske faktorer tages i betragtning. Denne artikel udforsker disse faktorer i detaljer.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) og HVDC (High Voltage Direct Current) refererer til spændingsområder, der anvendes til langdistansetransmission. HVDC foretrækkes typisk for ultra-lange afstande (normalt over 600 km), men begge systemer anvendes bredt i dag verden over, hver med deres egne fordele og ulemper.

Transmissionsomkostninger

Langdistansetransmission af effekt kræver høje spændinger, med effekt overført mellem terminalstationer, der håndterer spændingskonvertering. Samlede transmissionsomkostninger afhænger af to komponenter: terminalstationsomkostninger og transmissionslinjeomkostninger.

• Terminalstationer
  Terminalstationer konverterer spændingsniveauer til transmission. For AC-systemer sker dette primært ved hjælp af transformatorer, som skifter mellem høje og lave spændinger. For DC-systemer bruger terminalstationer thyristor- eller IGBT-baserede konvertere til at justere DC-spændingsniveauer.

  Da transformatorer er mere pålidelige og billigere end faststater konvertere, er AC-terminalstationer billigere end deres DC-modsvarende, hvilket gør AC-spændingskonvertering mere økonomisk.

• Transmissionslinjer
  Linjeomkostninger afhænger af antallet af ledere og designet af transmissionsmast. HVDC-systemer kræver kun to ledere, mens HVAC-systemer behøver tre eller flere (herunder bundled ledere for at mindske korona-effekter).

  AC-transmissionsmast må understøtte tung mekanisk belastning, hvilket kræver stærkere, højere og bredere konstruktioner sammenlignet med HVDC-mast. Linjeomkostninger stiger med afstand, og per 100 km er HVAC-linjer betydeligt dyrere end HVDC-linjer.

• Samlede transmissionsomkostninger
  Samlede omkostninger bestemmes af terminalomkostninger (fast, uafhængige af afstand) og linjeomkostninger (variable, stigende med afstand). Derfor stiger den samlede omkostning til et transmissionsystem, når afstanden stiger.

Break-Even Distance

"Break-even distance" refererer til transmissionslængden, hvorved den samlede investeringsomkostning for HVAC overstiger den for HVDC. Dette afstand er ca. 400–500 miles (600–800 km). For afstande over dette trin er HVDC den mest kostbare valg; for kortere afstande er HVAC mere økonomisk. Dette forhold er visuelt illustreret i grafikken ovenfor.

Flexibilitet

HVDC anvendes typisk til punkt-til-punkt langdistansetransmission, da tapping af effekt på midtervejspunkter ville kræve dyr konvertere til at sænke høje DC-spændinger. I modsætning hertil tilbyder HVAC større fleksibilitet: flere terminalstationer kan anvende billige transformatorer til at sænke høje spændinger, hvilket gør det muligt at hente effekt på forskellige punkter langs linjen.

Effektforlad

HVAC-transmission indebærer flere typer forlad, herunder koronaforlad, hudforlad, strålingforlad og induktionsforlad, som er næsten fraværende eller minimaliseret i HVDC-systemer:

• Koronaforlad: Når spændingen overstiger en kritisk grænse, ioniseres luften omkring ledere, hvilket skaber gnister (koronaudslag), der spilder energi. Disse forlad er frekvensafhængige – da DC har nul frekvens, er HVAC-koronaforlad omtrent tre gange højere end dem i HVDC.

• Hudforlad: I AC-transmission er strømtætheden højst på lederoverfladen og lavest i kernen (hudforlad), hvilket reducerer den effektive tværsnitsareal, der anvendes til strømføring. Dette øger ledermodstanden og forstærker I²R-forlad. DC-strøm, imidlertid, fordeler sig jævnt over lederen, hvilket eliminerer denne effekt.

• Stråling- og induktionsforlad: HVAC's alternativende magnetfelt får lange transmissionslinjer til at fungere som antenner (stråler irrecoverabel energi) og inducerer strøm i nærliggende ledere (induktionsforlad). HVDC's stabile magnetfelt undgår både disse problemer.

Hudforlad

Hudforlad, direkte proportional med frekvens, tvinger mest AC-strøm til at flyde nær lederoverfladen, hvilket efterlader kernen underutiliseret. Dette reducerer lederens effektivitet: for at føre større strøm, HVAC-systemer kræver ledere med øget tværsnitsareal, hvilket driver op materialeomkostninger. HVDC, som ikke påvirkes af hudforlad, bruger ledere mere effektivt.

Dermed kræver HVAC for at føre samme strøm ledere med større diameter, mens HVDC kan opnå dette med mindre diametre.

Kablestrøm- og spændingsgrænser

Kabler har maksimal tolerabel spænding og strøm. For AC er topspænding og -strøm omtrent 1,4 gange højere end deres gennemsnitlige værdier (som svarer til den faktiske leverede effekt eller den tilsvarende DC-værdi). Imidlertid har DC-systemer identiske top- og gennemsnitsværdier.

Dog må HVAC-ledere være beregnet for topstrøm og -spænding, hvilket spilder ca. 30% af deres transportkapacitet. I modsætning hertil bruger HVDC den fulde kapacitet af ledere, hvilket betyder, at en leder af samme størrelse kan overføre mere effekt i HVDC-systemer.

Rettighed til vejanlægning

"Rettighed til vejanlægning" refererer til landkorridoren, der er nødvendig for transmissionsinfrastruktur. HVDC-systemer har en smalere rettighed til vejanlægning på grund af mindre mast og færre ledere (to for DC mod tre for tre-fase AC). Desuden må AC-isolatoren på mast være beregnet for topspændinger, hvilket yderligere øger deres fodaftryk.

Denne smalere korridor reducerer materialer, konstruktion og landomkostninger, hvilket gør HVDC superiør i forhold til rettighed til vejanlægning.

Submarin effekttransmission

Submarine kabler, der anvendes til offshore effekttransmission, har udløpskapacitance mellem parallelle ledere. Kapacitance reagerer på spændingsændringer – konstant i AC (50–60 cyklus pr. sekund) men kun forekommer under switching i DC.

AC-kabler oplader og aflader kontinuerligt, hvilket forårsager betydelige effektforlad før de leverer effekt til modtagende ende. HVDC-kabler, som kun oplades én gang, eliminere sådanne forlad. For flere detaljer, henvis til indhold om submarine kabelkonstruktion, karakteristika, lægning og forbindelser.

Kontrollabilitet af effektflow

HVAC-systemer mangler præcis kontrol over effektflow, imens HVDC-links anvender IGBT-baserede halvlederkonvertere. Disse komplekse konvertere, som kan slås til flere gange pr. cyklus, optimiserer effektfordelingen i systemet, forbedrer harmonisk ydeevne, og gør hurtig fejlbeskyttelse og fjernelse muligt – fordele, der ikke kan matche af HVAC.

Interlinking asynkrone systemer og smart grids

Et smart grid tillader, at flere generatorstationer forsyner et enkelt net, der udnytter småskala-net for højeffektproduktion. Imidlertid er det meget udfordrende at forbinde flere asynkrone AC-net (med forskellige frekvenser eller faserskilte).

Interlinking asynkrone net

Effektnet i verden fungerer med forskellige frekvenser – nogle på 50 Hz, andre på 60 Hz. Selv net med samme frekvens kan være ufasere. Disse klassificeres som "asynkrone systemer" og kan ikke forbinder via standard AC-links.

DC, imidlertid, er uafhængig af frekvens eller fase. HVDC-interlinks løser dette ved at konvertere AC til frekvens- og faseagnostic DC, hvilket gør det muligt at integrere asynkrone net seemlessly. Ved modtagende ende konverterer HVDC-invertere DC tilbage til AC med den påkrævede frekvens, hvilket gør det muligt at forene effekttransmission.

Cirkuitbrydere

Cirkuitbrydere er afgørende i højspændingstransmission, ansvarlige for at de-energisere cirkuitar under fejl eller ved vedligeholdelse. Et nøglekrav er bueudslukningskapacitet for at afbryde strømflow.

• HVAC Cirkuitbrydere: AC-strøm skifter retning kontinuerligt, hvilket skaber naturlige nulstrøm-momenter (50–60 gange pr. sekund), der automatisk udslukker buer. Denne "self-extinguishing" funktion forenkler HVAC-bryderdesign, gør dem relativt enkle og kostbare.

• HVDC Cirkuitbrydere: DC-strøm er unidirektionel uden naturlige nuloverskridelser. For at udslukke buer, skal specialiseret kredsløb kunstigt generere nulstrøm-punkter. Denne kompleksitet gør HVDC-brydere mere komplekse og dyrere end deres AC-modsvarende.

Generering af støj

AC's alternativende strøm producerer en konstant variabel magnetfelt, der kan inducere støj i nærliggende kommunikationslinjer. I modsætning hertil eliminerer DC's stabile magnetfelt sådan støj, hvilket sikrer minimal forstyrrelse af naboskabende kommunikationssystemer.