Mis on erinevused elektriliiniennetamises HVAC ja HVDC vahel?

Erinevus HVAC ja HVDC vahel

Elektrijaama toodetud elekter edastatakse pika kaugusega elektrijaamadele, mis seejärel jaotavad seda tarbijatele. Pika kaugusega elektri edastamiseks kasutatakse äärmiselt kõrget pinget, mille põhjuseid uurime hiljem. Lisaks võib edastatav energia olla nii vaikepinge (AC) kui ka juhepinge (DC) kujul. Seega võib energiat edastada kas HVAC (High Voltage Alternating Current) või HVDC (High Voltage Direct Current) abil.

Miks on vaja kõrget pinget edastamisel?

Pingel on oluline roll joonkahju, teiste sõnadega edastuskahju vähendamisel. Iga elektri johtja, mida kasutatakse elektri edastamiseks, omab mingit ohmset vastust (R). Kui vool (I) läbib neid johtjooni, siis need genereerivad soojusenergia, mis on tegelikult raisatud energia või võimsus (P).

Ohmi seaduse järgi

Nagu näha, sõltub edastuses johtjoones raisatud energia voolust, mitte pingest. Kuid me saame voolu suurust muuta erilaadsete seadmete abil pingemüügi kaudu.

Pingemüügi käigus säilib võimsus muutumatuna. Ping ja vool lihtsalt muutuvad vastandlikult sama teguriga, järgides printsiipi:

Näiteks 11KW võimsus 220v pingil sisaldab 50 Ampereid. Sellisel juhul oleksid edastusjoone kahjud

Lase me suurendada pinge 10 korda. Nii et sama 11KW võimsus oleks 2200v & 5 Ampere. Nüüd oleksid joone kahjud;

Nagu näete, suurendab pinge tõstmise kaudu edastusjoonte võimsuskahju oluliselt. Seega, et vähendada voolu edastuskaabelites, samas hoites sama võimsuse edastamist, suurendame pinge.

Voolude sõda (AC vs. DC)

Läbi viimased 1880. aastad, "Voolude Sõda" ajal, oli juhepinge (DC) esimene, mida kasutati elektri edastamiseks. Kuid see peeti väga ebatõhusaks, kuna praktilisi pingemüügiseadmeid polnud - võrreldes vaikepingega (AC), mida saanud kergesti tõsta või alandada transformatorkaudu. Varajased madala pinge DC elektrijaamad suutsid elektri tarnida vaid mõne meele jooksvalt; sellest kaugemale langes drastiliselt pinge, nõudes mitmeid geneerimisjaamu väikeses alal - kulukas lähenemine.

Kuigi kõrgepinge DC edastus loomulikult tekitab väiksemad kahjud kui AC, sõltusid varased DC süsteemid kvikuvaikutusventile (rectifiers) kõrgepinge AC-d DC-d muutmiseks pikka kaugust edastamiseks. Need terminaliseadmed olid mahukad, kallid ja vajasid sageli hooldust. Vastupidiselt sõltus AC edastus transformatorkaudu - efektiivsemad, odavamad ja usaldusväärsed - muutes AC domineeriva valikuna pikka kaugust edastamiseks.

Valides kõrgepinge AC (HVAC) ja kõrgepinge DC (HVDC) edastamise vahel, tuleb arvesse võtta mitmeid kriitilisi tegureid. See artikkel uurib nende tegurite üksikasjalikult.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) ja HVDC (High Voltage Direct Current) viitavad pingevahemikele, mida kasutatakse pikka kaugust edastamiseks. HVDC on tavaliselt eelistatav ülimalt pikadel vahemikel (tavaliselt üle 600 km), kuid mõlemad süsteemid on tänapäeval laialdaselt kasutusel üle maailma, igaühel oma eelised ja puudused.

Edastamiskulud

Pika kaugusega elektri edastamiseks on vaja kõrgeid pingi, mida edastatakse terminaljaamade vahel, mis hoolitsevad pingemüügi eest. Kokkuhoiulised edastamiskulud sõltuvad kahest komponendist: terminaljaamade kulud ja edastusjoone kulud.

• Terminaljaamad
  Terminaljaamad muudavad edastamiseks pingi tasemeid. AC süsteemide puhul see teostatakse peamiselt transformatorkaudu, mis lülitavad kõrge ja madala pinge vahel. DC süsteemide puhul kasutavad terminaljaamad thyristoripõhiste või IGBT-põhiste konverteerijate abil DC pingi tasemeid.

  Kuna transformatord on usaldusväärsed ja odavamad kui tahaplokkide konverteerijad, on AC terminaljaamad odavamad kui nende DC kolledžid, mis muudab AC pingemüügi majandlikumaks.

• Edastusjooned
  Joonede kulud sõltuvad johtjoonte arvust ja edastus tornide disainist. HVDC süsteemidel on vaja ainult kahte joont, samas kui HVAC süsteemidel on vaja kolme või rohkem (sh bundeldatud joont, et vähendada koronaefekte).

  AC edastustornid peavad toetama raskemaid mehaanilisi koormusi, nõudes tugevamaid, kõrgemaid ja laiemaid struktuure HVDC tornidega võrreldes. Joonede kulud kasvavad kaugusega, ja iga 100 km puhul on HVAC jooned oluliselt kallimad kui HVDC jooned.

• Kokkuhoiulised edastamiskulud
  Kogukulud määrata terminalkulude (fikseeritud, sõltumatu kaugusest) ja joonede kulude (muutuv, kasvab kaugusega) kaudu. Seega, edastussüsteemi kokkuhoiuline kulu kasvab kauguse kasvu kaudu.

Kasumlik vahemik

"Kasumlik vahemik" viitab edastuskaugusele, millest alates HVAC kogu investeerimiskulu ületab HVDC. See vahemik on umbes 400–500 miili (600–800 km). Selle piiri ületades on HVDC majandlikum valik; lühemate kaugustega on HVAC majandlikum. See suhe on visuaalselt illustreeritud ülalpool olevas graafikus.

Omadus

HVDC kasutatakse tavaliselt punkti-punkti pika kaugusega edastamiseks, kuna vahetult võttes energia välja keskpunktides, nõuaks see kallimaid konverteerijaid, et langetada kõrge DC pingi. Vastupidiselt pakub HVAC suuremat paindlikkust: mitmed terminaljaamad saavad kasutada odavaid transformatoreid, et langetada kõrgeid pingi, lubades energiaväljavõtmise erinevatel punktidel joone mööda.

Energia raiskamine

HVAC edastus tekitab mitmesuguseid kahju, sealhulgas korona kahju, nahakeefekt, kiirguskahju ja induktioonikahju, mis on suuresti puuduvad või minimeeritud HVDC süsteemides:

• Korona kahju: Kui pinge ületab kriitilist piiri, ioniseeritakse õhu, mis ümbritseb johtjoone, tekitades spärke (korona laeng), mis raisavad energiat. Need kahjud on sagedussõltuvad – kuna DC-l on nullsagedus, on HVAC korona kahjud umbes kolm korda kõrgemad kui HVDC.

• Nahakeefekt: AC edastuses on voolutihe kõrgeim johtjoone pinnal ja madalam johtjoone tuumal (nahakeefekt), vähendades kasutatavat voolujoonide ristlikku pindala. See suurendab johtjoone vastust ja suurendab I²R kahju. DC vool, vastupidiselt, jaguneb ühtlaselt johtjoone kogu pinnal, vältides seda efekti.

• Kiirgus- ja induktioonikahju: HVAC muutuv magnetväli põhjustab pikkade edastusjoonte käitumist antennina (kiirgab taastamatu energia) ja induktib lähedates joontes voolu (induktioonikahju). HVDC stabiilne magnetväli vältib mõlemat probleemi.

Nahakeefekt

Nahakeefekt, mis on otseproportsionaalne sagedusega, sundib enamikku AC voolu liikuma johtjoone pinnal, jättes tuuma kasutamata. See vähendab johtjoone efektiivsust: suuremate voolude transportimiseks vajavad HVAC süsteemid suuremat ristlikku pindala, suurendades materjalikulusid. HVDC, mis ei ole nahakeefekti all, kasutab johtjooni efektiivsemalt.

Seega, et transportida sama voolu, vajab HVAC suurema diameetri joond, samas kui HVDC saab seda teha väiksemate diameetriga joontega.

Kaabe voolu- ja pingearved

Kaabele on määratud maksimaalselt toleritu pinge ja vool. AC puhul on huippupinge ja -vool umbes 1,4 korda kõrgemad kui nende keskmised väärtused (mis vastavad tegelikule edastatud võimsusele või ekvivalentsele DC väärtusele). Vastupidiselt on DC süsteemidel identne huipp- ja keskmise väärtus.

Kuid HVAC joond peavad olema arvestatud huippuvoolu ja -pinge, raisates umbes 30% nende transportkapasitidest. Vastupidiselt kasutab HVDC joond täielikult nende kapasitid, tähendades, et sama suurusega joond saab HVDC süsteemides edastada rohkem võimsust.

Õigus tee kasutamiseks

"Õigus tee kasutamiseks" viitab maapiirkonnale, mida vajatakse edastusinfrastruktuuri jaoks. HVDC süsteemidel on kitsam õigus tee kasutamiseks, kuna neil on väiksemad tornid ja vähem joont (kaks DC jaoks, kolm kolmfaasi AC jaoks). Lisaks tuleb AC-isolatoorid tornidel arvestada huippupingega, mis veelgi suurendab nende jalajälge.

See kitsam koridor vähendab materjalikulusid, ehituskulusid ja maakulusid, muutes HVDC paremaks õiguse tee kasutamise efektiivsuse poolest.

Meri all asuv võrk

Meri all asuvad kaablid, mida kasutatakse mereäärse elektri edastamiseks, omavad paralleelsed joontega sirgelise kapatsiit. Kapatsiit reageerib pinge muutustele – püsiv AC (50–60 tsüklit sekundis) kuid toimumas vaid lülitamisel DC puhul.

AC kaablid laadivad ja lahtilülitavad pidevalt, tekitades olulisi kahju enne, kui nad edastavad energiat vastuvõtja poolt. HVDC kaablid, mis laadivad vaid kord, vältivad selliseid kahju. Rohkem üksikasju leiab sisust meri all asuvate kaablaste ehituse, omaduste, paigutamise ja ühenduste kohta.

Voolu kontroll

HVAC süsteemidel puudub täpne voolu kontroll, samas kui HVDC side kasutab IGBT-põhiseid semikonduktorikonverteerijaid. Need keerukad konverteerijad, mis võivad lülituda mitu korda tsükli jooksul, optimeerivad voolu jaotust süsteemis, parandavad harmonilist jõudlust ja võimaldavad kiiret vea kaitset ja korrastamist – eelised, mida HVAC ei saa vastu võtta.

Asünkroonsete süsteemide ja teadmiste võrgustiku sidumine

Teadmiste võrgustik võimaldab mitmele tootmisele andmepunktide ühendamist ühtse võrgu, kasutades väikese skaala võrkust suure võimsuse tootmiseks. Kuid mitme asünkroonse AC võrgu (erinevate sagedustega või faasidega) ühendamine on väga keeruline.

Asünkroonsete võrkude sidumine

Maailma elektrivõrgud töötavad erinevatel sagedustel – mõned 50 Hz, mõned 60 Hz. Isegi võrgud, mis töötavad sama sagedusega, võivad olla erinevas faasis. Need on klassifitseeritud "asünkroonsed süsteemid" ja neid ei saa ühendada standardsete AC ühenduste kaudu.

DC aga ei ole sageduse või faasi poolt mõjutatud. HVDC sidemed lahendavad selle, teisendades AC sagedusest ja faasist sõltumatuks DC, võimaldades asünkroonsete võrkude lihtsat integreerimist. Vastuvõtja poolt teisendavad HVDC inverterid DC uuesti AC, millel on vajalik sagedus, võimaldades ühtset võimsuse edastamist.

Kirurgid

Kirurgid on olulised kõrgepinge edastamises, vastutades tsüklite de-energiseerimise eest vigade või hoolduse ajal. Oluline nõue on plazmasilumine, et katkestada võimu vool.

• HVAC kirurgid: AC vool pöörab pidevalt suunda, luues loomulikke null-voolu hetki (50–60 korda sekundis), mis automaatselt silub plazma. See "self-extinguishing" omadus lihtsustab HVAC kirurgide disaini, muutes need suhteliselt lihtsad ja odavad.

• HVDC kirurgid: DC vool on ühesuunaline ilma loomulike null-voolu hetkedeta. Plazma silumiseks tuleb spetsiaalne skeem loodud, et tekitada kunstlikult null-voolu punktid. See keerukus muudab HVDC kirurgid keerulisemaks ja kallimaks kui nende AC kolledžid.

Raike tekkimine

AC muutuv vool tekitab pidevalt muutuva magnetväli, mis võib tekitada rahalist vaeva lähedastes suhtlusjoontes. Vastupidiselt on DC stabiilne magnetväli, mis vältib sellist rahalist vaeva, tagades minimaalse häirimise naabervõrkudele.