Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ HVAC και HVDC στη μεταφορά ρεύματος

Διαφορά Μεταξύ HVAC και HVDC

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται σε ηλεκτροπαραγωγικά εργοστάσια μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις σε ηλεκτρικές υποσταθμούς, οι οποίες την διανέμουν στους καταναλωτές. Το υψηλό επίπεδο τάσης που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις είναι εξαιρετικά υψηλό, και θα εξετάσουμε τους λόγους αυτής της υψηλής τάσης αργότερα. Επιπλέον, η μεταφερόμενη ενέργεια μπορεί να είναι είτε σε μορφή εναλλασσόμενης ροής (AC) είτε σε μορφή συνεχούς ροής (DC). Συνεπώς, η ενέργεια μπορεί να μεταφέρεται χρησιμοποιώντας είτε HVAC (High Voltage Alternating Current) είτε HVDC (High Voltage Direct Current).

Γιατί η Υψηλή Τάση είναι Απαραίτητη για τη Μεταφορά;

Η τάση παίζει έναν κρίσιμο ρόλο στη μείωση των απωλειών γραμμής, επίσης γνωστών ως απώλειες μεταφοράς. Κάθε ηλεκτρικός διαχειριστής που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας έχει ένα συγκεκριμένο ποσό ομικρικής αντίστασης (R). Όταν η ροή (I) διαρρέει αυτούς τους διαχειριστές, παράγεται θερμική ενέργεια, η οποία είναι ουσιαστικά χαμένη ενέργεια ή παραγωγή (P).

Σύμφωνα με τον Νόμο του Ohm

Όπως φαίνεται, η ενέργεια που χάνεται σε έναν διαχειριστή κατά τη μεταφορά εξαρτάται από τη ροή παρά από την τάση. Ωστόσο, μπορούμε να προσαρμόσουμε τη μέγεθος της ροής μέσω της μετατροπής τάσης χρησιμοποιώντας ειδικό εξοπλισμό.

Κατά τη μετατροπή τάσης, η ισχύς παραμένει σταθερή και αμετάβλητη. Η τάση και η ροή απλώς μεταβάλλονται αντιστρόφως με τον ίδιο παράγοντα, ακολουθώντας την αρχή:

Για παράδειγμα, 11KW ισχύς σε τάση 220v έχει 50 Amps. Σε τέτοια περίπτωση, οι απώλειες της γραμμής μεταφοράς θα είναι

Ας αυξήσουμε την τάση κατά παράγοντα 10. Έτσι, η ίδια ισχύς 11KW θα έχει τάση 2200v & 5 Amps. Τώρα οι απώλειες της γραμμής θα είναι;

Όπως βλέπετε, η αύξηση της τάσης μειώνει σημαντικά τις απώλειες ισχύος στις γραμμές μεταφοράς. Για να μειώσουμε τη ροή στα καλώδια μεταφοράς ενώ διατηρούμε την ίδια ποσότητα μεταφοράς ισχύος, αυξάνουμε την τάση.

Ο Πόλεμος των Ροών (AC vs. DC)

Το τέλος του 1880, κατά τη διάρκεια του γνωστού "Πολέμου των Ροών", η συνεχής ροή (DC) ήταν η πρώτη που εφαρμόστηκε για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, θεωρήθηκε εξαιρετικά αναποτελεσματική λόγω της έλλειψης πρακτικών εξοπλισμών μετατροπής τάσης - σε αντίθεση με την εναλλασσόμενη ροή (AC), η οποία μπορούσε να επεξεργαστεί εύκολα με τη χρήση μετατροπευτών. Οι πρώιμες εγκαταστάσεις DC με χαμηλή τάση μπορούσαν να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια μόνο σε ακτίνα λίγων μιλίων. Πέρα από αυτή την ακτίνα, η τάση μειώνεται δραστικά, απαιτώντας πολλές εγκαταστάσεις παραγωγής σε μικρές περιοχές - ένα ακριβό προσέγγισμα.

Ενώ η μεταφορά υψηλής τάσης DC (HVDC) αναμφίβολα προκαλεί λιγότερες απώλειες από την AC, οι πρώιμες συστήματα DC εξαρτώνταν από καταστροφές μετατροπής (rectifiers) για τη μετατροπή υψηλής τάσης AC σε DC για μεταφορά μεγάλων αποστάσεων. Αυτά τα τελικά συστήματα ήταν μεγάλα, ακριβά και απαιτούσαν συχνή συντήρηση. Σε αντίθεση, η μεταφορά AC εξαρτόταν από τους μετατροπευτές - πιο αποδοτικούς, φθηνούς και αξιόπιστους - κάνοντας την AC την κυριαρχούσα επιλογή για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις εκείνη την εποχή.

Κατά την επιλογή μεταξύ υψηλής τάσης AC (HVAC) και υψηλής τάσης DC (HVDC) για τη μεταφορά, πρέπει να ληφθούν υπόψη πολλοί κρίσιμοι παράγοντες. Αυτό το άρθρο εξετάζει αυτούς τους παράγοντες λεπτομερώς.

HVAC & HVDC

Το HVAC (High Voltage Alternating Current) και το HVDC (High Voltage Direct Current) αναφέρονται σε εύρημα τάσης που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις. Το HVDC είναι συνήθως προτιμότερο για εξαιρετικά μεγάλες αποστάσεις (συνήθως πάνω από 600 km), αν και και τα δύο συστήματα είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα σε όλο τον κόσμο σήμερα, κάθε ένα με τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Κόστος Μεταφοράς

Η μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις απαιτεί υψηλή τάση, με την ισχύ να μεταφέρεται μεταξύ τερματικών σταθμών που επεξεργάζονται τη μετατροπή τάσης. Το συνολικό κόστος μεταφοράς εξαρτάται από δύο συστατικά: το κόστος των τερματικών σταθμών και το κόστος των γραμμών μεταφοράς.

• Τερματικοί Σταθμοί
  Οι τερματικοί σταθμοί μετατρέπουν τα επίπεδα τάσης για τη μεταφορά. Για τα συστήματα AC, αυτό κάνεται κυρίως με τη χρήση μετατροπευτών, οι οποίοι μετατρέπουν μεταξύ υψηλής και χαμηλής τάσης. Για τα συστήματα DC, οι τερματικοί σταθμοί χρησιμοποιούν μετατροπευτές βασισμένους σε thyristor ή IGBT για την προσαρμογή των επιπέδων τάσης DC.

  Επειδή οι μετατροπευτές είναι πιο αξιόπιστοι και φθηνότεροι από τους solid-state converters, οι τερματικοί σταθμοί AC είναι φθηνότεροι από τους τερματικούς σταθμούς DC, κάνοντας τη μετατροπή τάσης AC πιο οικονομική.

• Γραμμές Μεταφοράς
  Το κόστος των γραμμών εξαρτάται από τον αριθμό των διαχειριστών και το σχεδιασμό των πύργων μεταφοράς. Τα συστήματα HVDC απαιτούν μόνο δύο διαχειριστές, ενώ τα συστήματα HVAC χρειάζονται τρεις ή περισσότερους (συμπεριλαμβανομένων των συνδεδεμένων διαχειριστών για την ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων corona).

  Οι πύργοι μεταφοράς AC πρέπει να υποστηρίξουν μεγαλύτερες μηχανικές φορτίες, απαιτώντας ισχυρότερες, ψηλότερες και ευρύτερες κατασκευές σε σύγκριση με τους πύργους HVDC. Το κόστος των γραμμών αυξάνεται με την απόσταση, και ανά 100 km, οι γραμμές HVAC είναι σημαντικά πιο ακριβείς από τις γραμμές HVDC.

• Συνολικό Κόστος Μεταφοράς
  Το συνολικό κόστος καθορίζεται από το κόστος των τερματικών (σταθερό, ανεξάρτητο από την απόσταση) και το κόστος των γραμμών (μεταβλητό, αυξάνεται με την απόσταση). Συνεπώς, το συνολικό κόστος ενός συστήματος μεταφοράς αυξάνεται ως αυξάνεται η απόσταση.

Break-Even Distance

Η "break-even distance" αναφέρεται στη μήκος μεταφοράς πέρα από το οποίο το συνολικό κόστος επένδυσης του HVAC υπερβαίνει αυτό του HVDC. Αυτή η απόσταση είναι περίπου 400-500 μίλια (600-800 km). Για αποστάσεις πέρα από αυτό το όριο, το HVDC είναι η πιο οικονομική επιλογή· για μικρότερες αποστάσεις, το HVAC είναι πιο οικονομικό. Αυτή η σχέση είναι οπτικά απεικονισμένη στο γράφημα παραπάνω.

Ευελιξία

Το HVDC χρησιμοποιείται συνήθως για προσανατολισμένη μεταφορά σε μεγάλες αποστάσεις, καθώς η παραγωγή ενέργειας σε μεσαίες σημεία θα απαιτούσε ακριβούς μετατροπευτές για τη μείωση της υψηλής τάσης DC. Αντίθετα, το HVAC προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία: πολλοί τερματικοί σταθμοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν φθηνούς μετατροπευτές για τη μείωση της υψηλής τάσης, επιτρέποντας την εξαγωγή ενέργειας σε διάφορα σημεία κατά τη διάρκεια της γραμμής.

Απώλειες Ισχύος

Η μεταφορά HVAC προκαλεί πολλούς τύπους απώλειων, συμπεριλαμβανομένων των απώλειων corona, των απώλειων skin effect, των απώλειων ακτινοβολίας και των απώλειων επαγωγής, οι οποίες είναι σε μεγάλο βαθμό απούσες ή ελαχιστοποιούνται στα συστήματα HVDC:

• Απώλειες Corona: Όταν η τάση υπερβαίνει ένα κρίσιμο όριο, το αέριο που περιβάλλει τους διαχειριστές ιονίζεται, δημιουργώντας σπαράδες (corona discharge) που χάνουν ενέργεια. Αυτές οι απώλειες εξαρτώνται από τη συχνότητα - αφού η DC έχει μηδενική συχνότητα, οι απώλειες corona στο HVAC είναι περίπου τρία φορά υψηλότερες από τις απώλειες corona στο HVDC.

• Απώλειες Skin Effect: Στη μεταφορά AC, η πυκνότητα της ροής είναι υψηλότερη στην επιφάνεια του διαχειριστή και χαμηλότερη στον πυρήνα (το "skin effect"), μειώνοντας τον αποτελεσματικό διαχειριστή που χρησιμοποιείται για τη ροή. Αυτό αυξάνει την αντίσταση του διαχειριστή και επιδεινώνει τις I²R απώλειες. Η ροή DC, αντίθετα, διανέμεται ομοιόμορφα στον διαχειριστή, εξαλείφοντας αυτό το φαινόμενο.

• Απώλειες Ακτινοβολίας και Επαγωγής: Το μεταβλητό μαγνητικό πεδίο του HVAC προκαλεί τις μακρές γραμμές μεταφοράς να λειτουργούν ως αντένες (ακτινοβολούν ανακτήσιμη ενέργεια) και επαγωγούν ροές σε κοντινούς διαχειριστές (απώλειες επαγωγής). Το μόνιμο μαγνητικό πεδίο του HVDC αποφεύγει και τα δύο αυτά προβλήματα.

Το Skin Effect

Το skin effect, που είναι ανάλογο με τη συχνότητα, αναγκάζει το μεγαλύτερο μέρος της ροής AC να ρέει κοντά στην επιφάνεια του διαχειριστή, αφήν