Was sind die Unterschiede zwischen HVAC und HVDC in der Stromübertragung

Unterschied zwischen HVAC und HVDC

In Kraftwerken erzeugte Elektrizität wird über weite Strecken zu Umspannwerken übertragen, die sie dann an die Verbraucher verteilen. Die für die langstreckige Energieübertragung verwendete Spannung ist extrem hoch, und wir werden später die Gründe dafür untersuchen. Darüber hinaus kann die übertragene Energie in Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) vorliegen. Daher kann die Energie entweder mittels HVAC (High Voltage Alternating Current) oder HVDC (High Voltage Direct Current) übertragen werden.

Warum ist eine hohe Spannung für die Übertragung notwendig?

Spannung spielt eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung von Leitungsschwund, auch bekannt als Übertragungsverluste. Jeder elektrische Leiter, der für die Energieübertragung verwendet wird, hat einen bestimmten ohmschen Widerstand (R). Wenn Strom (I) durch diese Leiter fließt, erzeugen sie thermische Energie, die im Grunde verschwendete Energie oder Leistung (P) ist.

Gemäß dem Ohm'schen Gesetz

Wie ersichtlich, hängt der während der Übertragung in einem Leiter verschwendete Energieanteil vom Strom ab und nicht von der Spannung. Allerdings können wir die Stromstärke durch Spannungsumwandlung mit speziellen Geräten anpassen.

Während der Spannungsumwandlung bleibt die Leistung konserviert und unverändert. Die Spannung und der Strom variieren lediglich umgekehrt proportional, gemäß dem Prinzip:

Zum Beispiel hat eine Leistung von 11 kW bei einer Spannung von 220 V einen Strom von 50 A. In diesem Fall wären die Leitungsschwundverluste

Lassen Sie uns die Spannung um den Faktor 10 erhöhen. Dann hätte die gleiche Leistung von 11 kW eine Spannung von 2200 V und 5 A. Nun wären die Leitungsschwundverluste;

Wie man sehen kann, reduziert die Erhöhung der Spannung die Leistungsverluste in den Übertragungsleitungen erheblich. Um den Strom in den Übertragungsleitungen zu verringern, während die gleiche Menge an übertragener Leistung beibehalten wird, erhöhen wir die Spannung.

Der Stromkrieg (Wechselstrom gegen Gleichstrom)

Ende der 1880er Jahre, während des sogenannten "Stromkriegs", wurde Gleichstrom (DC) als erstes für die Energieübertragung eingesetzt. Allerdings galt er als sehr ineffizient aufgrund des Mangels an praktikablen Spannungsumwandlergeräten - im Gegensatz zum Wechselstrom (AC), der mithilfe von Transformatoren leicht gestuft werden konnte. Frühe Niederspannungs-Gleichstromkraftwerke konnten nur innerhalb eines Radius von einigen Meilen Elektrizität liefern; darüber hinaus fiel die Spannung stark ab, was mehrere Generierungsstationen in kleinen Gebieten erforderlich machte - ein kostspieliger Ansatz.

Obwohl Hochspannungs-Gleichstromübertragung grundsätzlich geringere Verluste als Wechselstrom verursacht, beruhten frühe Gleichstromsysteme auf Quecksilberdampfventilen (Rektifizierern), um Hochspannungs-Wechselstrom in Gleichstrom für die Langstreckenübertragung umzuwandeln. Diese Endgerätewaren groß, teuer und erforderten häufige Wartung. Im Gegensatz dazu basierte die Wechselstromübertragung auf Transformatoren - effizienter, erschwinglicher und zuverlässiger - was AC zur dominierenden Wahl für die langstreckige Energieübertragung zu dieser Zeit machte.

Beim Auswählen zwischen Hochspannungs-Wechselstrom (HVAC) und Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC) für die Übertragung müssen mehrere kritische Faktoren berücksichtigt werden. Dieser Artikel untersucht diese Faktoren detailliert.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) und HVDC (High Voltage Direct Current) beziehen sich auf Spannungsbereiche, die für die langstreckige Energieübertragung verwendet werden. HVDC wird in der Regel für ultralange Entfernungen (normalerweise über 600 km) bevorzugt, obwohl beide Systeme weltweit heute weit verbreitet sind, jedes mit seinen eigenen Vor- und Nachteilen.

Übertragungskosten

Die langstreckige Energieübertragung erfordert hohe Spannungen, wobei die Energie zwischen Endstationen übertragen wird, die die Spannungsumwandlung handhaben. Die gesamten Übertragungskosten hängen daher von zwei Komponenten ab: Kosten der Endstationen und Kosten der Übertragungsleitungen.

• Endstationen
  Endstationen wandeln die Spannungsebenen für die Übertragung um. Für AC-Systeme erfolgt dies hauptsächlich mithilfe von Transformatoren, die zwischen hohen und niedrigen Spannungen schalten. Für DC-Systeme verwenden Endstationen Thyristor- oder IGBT-basierte Umrichter, um die Gleichspannungsebenen anzupassen.

  Da Transformatoren zuverlässiger und billiger sind als halbleiterbasierte Umrichter, sind AC-Endstationen weniger kostspielig als ihre DC-Pendants, was die AC-Spannungsumwandlung wirtschaftlicher macht.

• Übertragungsleitungen
  Die Leitungskosten hängen von der Anzahl der Leiter und dem Design der Übertragungsmasten ab. HVDC-Systeme benötigen nur zwei Leiter, während HVAC-Systeme drei oder mehr (einschließlich gebündelter Leiter, um Korona-Effekte zu mindern) benötigen.

  AC-Übertragungsmasten müssen schwerere mechanische Lasten tragen und erfordern daher stärkere, höhere und breitere Strukturen im Vergleich zu HVDC-Masten. Die Leitungskosten steigen mit der Entfernung, und pro 100 km sind HVAC-Leitungen erheblich teurer als HVDC-Leitungen.

• Gesamtkosten der Übertragung
  Die Gesamtkosten werden durch die Kosten der Endstationen (fest, unabhängig von der Entfernung) und die Leitungskosten (variabel, zunehmend mit der Entfernung) bestimmt. Somit steigen die Gesamtkosten eines Übertragungssystems, wenn die Entfernung zunimmt.

Grenzstrecke

Die "Grenzstrecke" bezieht sich auf die Übertragungslänge, ab der die Gesamtinvestitionskosten für HVAC diejenigen für HVDC überschreiten. Diese Distanz beträgt etwa 400-500 Meilen (600-800 km). Für Entfernungen jenseits dieses Schwellenwerts ist HVDC die kostengünstigere Wahl; für kürzere Entfernungen ist HVAC wirtschaftlicher. Diese Beziehung wird in dem oben stehenden Diagramm visualisiert.

Flexibilität

HVDC wird normalerweise für punktuelle langstreckige Übertragungen verwendet, da das Abzapfen von Energie an Zwischenpunkten teure Umrichter erfordern würde, um hohe Gleichspannungen herunterzustufen. Im Gegensatz dazu bietet HVAC größere Flexibilität: Mehrere Endstationen können kostengünstige Transformatoren nutzen, um hohe Spannungen herunterzustufen und Energie an verschiedenen Punkten entlang der Leitung abzuzapfen.

Leistungsverluste

Die HVAC-Übertragung verursacht verschiedene Arten von Verlusten, einschließlich Koronaverlusten, Hauteffektverlusten, Strahlungsverlusten und Induktionsverlusten, die in HVDC-Systemen weitgehend fehlen oder minimiert sind:

• Koronaverluste: Wenn die Spannung einen kritischen Schwellenwert überschreitet, ionisiert die Luft um die Leiter herum, was Funken (Koronaentladung) erzeugt, die Energie verschwenden. Diese Verluste sind frequenzabhängig - da Gleichstrom keine Frequenz hat, sind die Koronaverluste bei HVAC etwa dreimal höher als bei HVDC.

• Hauteffektverluste: Bei der Wechselstromübertragung ist die Stromdichte am Oberflächenbereich des Leiters am höchsten und am Kern am niedrigsten (der "Hauteffekt"), was die effektive Querschnittsfläche verringert, die für den Stromfluss verwendet wird. Dies erhöht den Leiterwiderstand und verstärkt die I²R-Verluste. Gleichstrom verteilt sich hingegen gleichmäßig über den Leiter, wodurch dieser Effekt beseitigt wird.

• Strahlungs- und Induktionsverluste: Das wechselnde magnetische Feld des Wechselstroms lässt lange Übertragungsleitungen als Antennen wirken (unwiederbringliche Energie strahlen) und induziert Ströme in benachbarten Leitern (Induktionsverluste). Das konstante magnetische Feld des Gleichstroms vermeidet beide Probleme.

Der Hauteffekt

Der Hauteffekt, der direkt proportional zur Frequenz ist, zwingt den größten Teil des Wechselstroms, nahe der Leiteroberfläche zu fließen, wodurch der Kern unterutilisiert bleibt. Dies reduziert die Leiterwirksamkeit: Um größere Ströme zu transportieren, erfordern HVAC-Systeme Leiter mit größerem Querschnitt, was die Materialkosten erhöht. HVDC, das nicht vom Hauteffekt betroffen ist, nutzt die Leiter effizienter.

Daher erfordert HVAC, um den gleichen Strom zu transportieren, Leiter mit größerem Durchmesser, während HVDC dies mit kleineren Durchmessern erreichen kann.

Leiter-Strom- und Spannungswerte

Leiter haben maximale zulässige Spannungs- und Stromwerte. Für Wechselstrom sind die Spitzenwerte der Spannung und des Stroms etwa 1,4-mal höher als ihre Mittelwerte (die der tatsächlichen übertragenen Leistung oder den äquivalenten Gleichstromwerten entsprechen). Im Gegensatz dazu haben Gleichstromsysteme identische Spitzen- und Mittelwerte.

Allerdings müssen HVAC-Leiter für Spitzenstrom und -spannung ausgelegt sein, was etwa 30 % ihrer Tragfähigkeit verschwendet. Im Gegensatz dazu nutzt HVDC die volle Kapazität der Leiter, sodass ein Leiter gleicher Größe in HVDC-Systemen mehr Leistung übertragen kann.

Trasse

"Trasse" bezieht sich auf den Landkorridor, der für die Übertragungsinfrastruktur erforderlich ist. HVDC-Systeme haben eine schmalere Trasse aufgrund kleinerer Masten und weniger Leiter (zwei für DC im Gegensatz zu drei für Dreiphasen-AC). Darüber hinaus müssen die Isolatoren an den Masten für AC-Spannungen ausgelegt sein, was ihren Fußabdruck weiter erhöht.

Diese schmalere Trasse reduziert Material-, Bau- und Flächenkosten, was HVDC in Bezug auf die Trassenwirtschaftlichkeit überlegen macht.

Unterwasser-Stromübertragung

Unterwasser-Kabel, die für die Offshore-Stromübertragung verwendet werden, haben Streukapazitäten zwischen parallelen Leitern. Die Kapazität reagiert auf Spannungsänderungen - konstant bei AC (50-60 Zyklen pro Sekunde), aber nur bei Schaltvorgängen bei DC.

AC-Kabel laden und entladen sich kontinuierlich, was zu erheblichen Leistungsverlusten führt, bevor die Energie am Empfangsende ankommt. HVDC-Kabel, die nur einmal geladen werden, eliminieren solche Verluste. Für weitere Details siehe Inhalte zur Konstruktion, Eigenschaften, Verlegung und Verbindungen von Unterwasser-Kabeln.

Steuerbarkeit des Stromflusses

HVAC-Systeme bieten keine präzise Steuerung des Stromflusses, während HVDC-Verbindungen IGBT-basierte Halbleiterumrichter verwenden. Diese komplexen Umrichter, die mehrmals pro Zyklus schaltbar sind, optimieren die Leistungsverteilung im System, verbessern die harmonische Leistung und ermöglichen schnelle Fehlererkennung und -behebung - Vorteile, die HVAC nicht bieten kann.

Verknüpfung asynchroner Systeme und intelligenter Netze

Ein intelligentes Netzwerk ermöglicht es, dass mehrere Erzeugungsanlagen in ein einheitliches Netzwerk eingebunden werden, indem kleine Netze für die hohe Energieerzeugung genutzt werden. Allerdings ist die Verbindung mehrerer asynchroner AC-Netze (mit unterschiedlichen Frequenzen oder Phasen) sehr herausfordernd.

Verknüpfung asynchroner Netze

Stromnetze weltweit arbeiten mit unterschiedlichen Frequenzen - einige bei 50 Hz, andere bei 60 Hz. Selbst Netze mit der gleichen Frequenz können aus der Phase sein. Diese werden als "asynchrone Systeme" klassifiziert und können nicht über Standard-AC-Verbindungen verbunden werden.

Gleichstrom ist jedoch unbeeinflusst von Frequenz oder Phase. HVDC-Verbindungen lösen dieses Problem, indem sie AC in frequenz- und phasenunabhängigen Gleichstrom umwandeln, was eine nahtlose Integration asynchroner Netze ermöglicht. Am Empfangsende wandeln HVDC-Inverter den Gleichstrom zurück in Wechselstrom mit der erforderlichen Frequenz, was eine einheitliche Stromübertragung ermöglicht.

Schaltgeräte

Schaltgeräte sind in der Hochspannungsübertragung entscheidend, da sie für die Entenergierung von Leitungen bei Fehlern oder Wartungen zuständig sind. Eine wichtige Anforderung ist die Fähigkeit, Bögen zu löschen, um den Stromfluss zu unterbrechen.

• HVAC-Schaltgeräte: Der Wechselstrom ändert ständig seine Richtung, wodurch natürliche Nullstrommomente (50-60 Mal pro Sekunde) entstehen, die Bögen automatisch löschen. Diese "selbstlöschende" Eigenschaft vereinfacht die Konstruktion von HVAC-Schaltgeräten, was sie relativ einfach und kostengünstig macht.

• HVDC-Schaltgeräte: Der Gleichstrom ist einseitig und hat keine natürlichen Nullstellen. Um Bögen zu löschen, muss spezielle Schaltungstechnik künstlich Nullstrompunkte erzeugen. Diese Komplexität macht HVDC-Schaltgeräte komplizierter und teurer als ihre AC-Pendants.

Störungserzeugung

Der Wechselstrom erzeugt ein ständig wechselndes magnetisches Feld, das in benachbarten Kommunikationsleitungen Störungen induzieren kann. Im Gegensatz dazu eliminiert das konstante magnetische Feld des Gleichstroms solche Störungen, wodurch die Störung benachbarter Kommunikationssysteme minimal gehalten wird.