چه تفاوت هایی بین HVAC و HVDC در انتقال انرژی وجود دارد؟

HVAC و HVDC تفاوت

برقی که در نیروگاه‌ها تولید می‌شود، از طریق خطوط بلند فاصله به زیرстанسیون‌های برق منتقل می‌شود و سپس به مصرف‌کنندگان توزیع می‌گردد. ولتاژ استفاده شده برای انتقال برق از فواصل بلند بسیار بالاست و دلایل این ولتاژ بالا را بعداً بررسی خواهیم کرد. علاوه بر این، برق منتقل شده می‌تواند به صورت جریان متناوب (AC) یا مستقیم (DC) باشد. بنابراین، می‌توان از HVAC (High Voltage Alternating Current) یا HVDC (High Voltage Direct Current) برای انتقال برق استفاده کرد.

چرا ولتاژ بالا برای انتقال ضروری است؟

ولتاژ نقش مهمی در کاهش زیان‌های خطی یا زیان‌های انتقال دارد. هر رسانای الکتریکی که برای انتقال برق استفاده می‌شود، مقاومت اهمی (R) معینی دارد. وقتی جریان (I) از طریق این رساناها می‌گذرد، انرژی گرمایی تولید می‌کند که به نوعی انرژی یا قدرت تلف شده (P) است.

بر اساس قانون اهم

مانند آنچه مشخص است، انرژی تلف شده در رسانایی در طول انتقال به جریان بستگی دارد نه به ولتاژ. با این حال، می‌توانیم با استفاده از تجهیزات تخصصی، مقدار جریان را تنظیم کنیم.

در طول تبدیل ولتاژ، قدرت حفظ می‌شود و تغییری نمی‌کند. ولتاژ و جریان به طور معکوس با همان ضریب تغییر می‌کنند، مطابق با اصل:

به عنوان مثال، 11KW قدرت در ولتاژ 220v شامل 50 آمپر است. در چنین موردی، زیان‌های خطی انتقال خواهد بود

بیایید ولتاژ را 10 برابر کنیم. پس همان قدرت 11KW شامل ولتاژ 2200v و 5 آمپر خواهد بود. حالا زیان‌های خطی خواهد بود؛

همانطور که می‌بینید، افزایش ولتاژ زیان‌های قدرت در خطوط انتقال را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. بنابراین برای کاهش جریان در کابل‌های انتقال در حالی که همان مقدار انتقال قدرت حفظ می‌شود، ولتاژ را افزایش می‌دهیم.

جنگ جریان‌ها (AC مقابل DC)

در اواخر دهه 1880، در دوره‌ای که به "جنگ جریان‌ها" شهرت داشت، جریان مستقیم (DC) اولین جریانی بود که برای انتقال برق استفاده شد. با این حال، به دلیل فقدان تجهیزات عملی برای تبدیل ولتاژ - برخلاف جریان متناوب (AC) که می‌توانست به راحتی با استفاده از ترانسفورماتورها بالا یا پایین برود - به طور قابل توجهی کم‌کارآمد بود. ایستگاه‌های تولید برق DC با ولتاژ پایین فقط می‌توانستند برق را در شعاع چند مایل تأمین کنند؛ فراتر از آن، ولتاژ به طور قابل توجهی کاهش می‌یافت، نیازمند ایستگاه‌های تولید متعدد در مناطق کوچک - یک رویکرد پرهزینه.

در حالی که انتقال DC با ولتاژ بالا به طور ذاتی زیان‌های کمتری نسبت به AC دارد، سیستم‌های DC اولیه از مدارهای اثر مسی (rectifiers) برای تبدیل AC با ولتاژ بالا به DC برای انتقال از فواصل دور استفاده می‌کردند. این دستگاه‌های پایانه حجیم، گران و نیازمند نگهداری مداوم بودند. در مقابل، انتقال AC به ترانسفورماتورها - کارآمدتر، ارزان‌تر و قابل اعتمادتر - متکی بود، که AC را به انتخاب غالب برای انتقال برق از فواصل دور در آن زمان تبدیل کرد.

هنگام انتخاب بین AC با ولتاژ بالا (HVAC) و DC با ولتاژ بالا (HVDC) برای انتقال، چندین عامل مهم باید در نظر گرفته شود. این مقاله این عوامل را به طور دقیق بررسی می‌کند.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) و HVDC (High Voltage Direct Current) به محدوده‌های ولتاژی اشاره دارند که برای انتقال برق از فواصل دور استفاده می‌شوند. HVDC معمولاً برای فواصل بسیار دور (معمولاً بیش از 600 کیلومتر) ترجیح داده می‌شود، اگرچه هر دو سیستم امروزه در سراسر جهان به طور گسترده استفاده می‌شوند، هر یک با مزایا و معایب خاص خود.

هزینه‌های انتقال

انتقال برق از فواصل دور نیازمند ولتاژهای بالا است، با انتقال قدرت بین ایستگاه‌های پایانه که تبدیل ولتاژ را انجام می‌دهند. بنابراین، هزینه‌های کل انتقال به دو مؤلفه بستگی دارد: هزینه‌های ایستگاه‌های پایانه و هزینه‌های خطوط انتقال.

• ایستگاه‌های پایانه
  ایستگاه‌های پایانه ولتاژهای را برای انتقال تبدیل می‌کنند. برای سیستم‌های AC، این کار به طور اصلی با استفاده از ترانسفورماتورها انجام می‌شود، که بین ولتاژهای بالا و پایین تغییر می‌کنند. برای سیستم‌های DC، ایستگاه‌های پایانه از تبدیل‌کننده‌های thyristor یا IGBT برای تعدیل سطوح ولتاژ DC استفاده می‌کنند.

  از آنجا که ترانسفورماتورها قابل اعتمادتر و ارزان‌تر از تبدیل‌کننده‌های حالت جامد هستند، ایستگاه‌های پایانه AC از نظر هزینه کمتر از همتایان DC خود هستند، که این باعث می‌شود تبدیل ولتاژ AC اقتصادی‌تر باشد.

• خطوط انتقال
  هزینه‌های خطوط به تعداد رساناها و طراحی برج‌های انتقال بستگی دارد. سیستم‌های HVDC فقط به دو رسانه نیاز دارند، در حالی که سیستم‌های HVAC به سه یا بیشتر (شامل رساناها مجموعه‌ای برای کاهش اثرات کرونایی) نیاز دارند.

  برج‌های انتقال AC باید بارهای مکانیکی سنگین‌تری را پشتیبانی کنند، که نیازمند ساختارهای قوی‌تر، بلندتر و گسترده‌تر نسبت به برج‌های HVDC است. هزینه‌های خط با فاصله افزایش می‌یابد و هر 100 کیلومتر، خطوط HVAC به طور قابل توجهی گران‌تر از خطوط HVDC هستند.

• هزینه‌های کل انتقال
  هزینه‌های کلی توسط هزینه‌های ایستگاه (ثابت، مستقل از فاصله) و هزینه‌های خط (متغیر، با افزایش فاصله) تعیین می‌شود. بنابراین، هزینه کلی یک سیستم انتقال با افزایش فاصله افزایش می‌یابد.

فاصله تساوی هزینه

"فاصله تساوی هزینه" به طول انتقال اشاره دارد که فراتر از آن، هزینه کلی سرمایه‌گذاری در HVAC از HVDC بیشتر می‌شود. این فاصله حدود 400-500 مایل (600-800 کیلومتر) است. برای فواصل فراتر از این آستانه، HVDC گزینه اقتصادی‌تر است؛ برای فواصل کوتاه‌تر، HVAC اقتصادی‌تر است. این رابطه در نمودار بالا به صورت بصری نمایش داده شده است.

انعطاف‌پذیری

HVDC معمولاً برای انتقال نقطه به نقطه از فواصل دور استفاده می‌شود، زیرا استخراج برق در نقاط میانی نیازمند تبدیل‌کننده‌های گران‌قیمت برای پایین بردن ولتاژ DC بالا است. در مقابل، HVAC انعطاف‌پذیری بیشتری ارائه می‌دهد: چندین ایستگاه پایانه می‌توانند از ترانسفورماتورهای کم‌هزینه برای پایین بردن ولتاژهای بالا استفاده کنند، که این امر امکان استخراج برق در نقاط مختلف خط را فراهم می‌کند.

زیان‌های قدرت

انتقال HVAC چندین نوع زیان را تجربه می‌کند، از جمله زیان‌های کرونایی، زیان‌های اثر پوستی، زیان‌های تابشی و زیان‌های القایی، که در سیستم‌های HVDC به طور قابل توجهی کمتر یا غیروجودی هستند:

• زیان‌های کرونایی: وقتی ولتاژ از یک آستانه بحرانی عبور می‌کند، هوا در اطراف رساناها یونیزه می‌شود و برق‌های جرقه‌ای (جریان کرونایی) ایجاد می‌کند که انرژی را می‌طلبد. این زیان‌ها به فرکانس بستگی دارند - چون DC فرکانس صفر دارد، زیان‌های کرونایی در HVAC تقریباً سه برابر زیان‌های کرونایی در HVDC است.

• زیان‌های اثر پوستی: در انتقال AC، چگالی جریان در سطح رسانا بالاترین است و در هسته کمترین است (اثر پوستی)، که مساحت موثر مقطعی رسانا برای جریان را کاهش می‌دهد. این امر مقاومت رسانا را افزایش می‌دهد و زیان‌های I²R را تقویت می‌کند. جریان DC، به طور مخالف، به طور یکنواخت در تمام رسانا توزیع می‌شود و این اثر را حذف می‌کند.

• زیان‌های تابشی و القایی: میدان مغناطیسی متناوب HVAC باعث می‌شود خطوط انتقال بلند به عنوان آنتن‌ها (تابش انرژی غیرقابل بازیابی) عمل کنند و جریان‌های القایی در رساناها نزدیک (زیان‌های القایی) ایجاد کنند. میدان مغناطیسی ثابت HVDC این مشکلات را از بین می‌برد.

اثر پوستی

اثر پوستی، که به طور مستقیم با فرکانس متناسب است، موجب می‌شود بیشتر جریان AC در نزدیکی سطح رسانا جریان یابد و هسته کمتر استفاده شود. این کار کارایی رسانا را کاهش می‌دهد: برای انتقال جریان‌های بزرگ‌تر، سیستم‌های HVAC نیاز به رساناها با مساحت مقطع بیشتر دارند که هزینه مواد را افزایش می‌دهد. HVDC، که از اثر پوستی آزاد است، رساناها را به طور کارآمدتری استفاده می‌کند.

بنابراین، برای انتقال همان جریان، HVAC نیاز به رساناها با قطر بزرگ‌تر دارد، در حالی که HVDC می‌تواند با رساناها با قطر کوچک‌تر این کار را انجام دهد.

نرخ جریان و ولتاژ کابل‌ها

کابل‌ها نرخ حداکثر ولتاژ و جریان قابل تحمل دارند. برای AC، ولتاژ و جریان پیک تقریباً 1.4 برابر مقادیر متوسط آنها (که متناظر با قدرت واقعی یا مقادیر DC معادل هستند) است. در مقابل، سیستم‌های DC مقادیر پیک و متوسط یکسانی دارند.

با این حال، رساناهای HVAC باید برای جریان و ولتاژ پیک طراحی شوند، که تقریباً 30٪ ظرفیت حمل آنها را تلف می‌کند. در مقابل، HVDC از کل ظرفیت رساناها استفاده می‌کند، به این معنی که یک رسانا با اندازه مشابه می‌تواند بیشتر قدرت را در سیستم‌های HVDC منتقل کند.

حق مسیر

"حق مسیر" به مسیر زمینی مورد نیاز برای زیرساخت‌های انتقال اشاره دارد. سیستم‌های HVDC به دلیل برج‌های کوچک‌تر و تعداد کمتر رسانا (دو برای DC در مقابل سه برای AC سه‌فازی) حق مسیر باریک‌تری دارند. علاوه بر این، عایق‌بندی‌های AC روی برج‌ها باید برای ولتاژ پیک طراحی شوند، که باعث افزایش پایه آنها می‌شود.

این مسیر باریک‌تر هزینه‌های مصالح، ساخت و زمین را کاهش می‌دهد و HVDC را از نظر کارایی حق مسیر برتر می‌سازد.

انتقال برق زیردریایی

کابل‌های زیردریایی که برای انتقال برق دریایی استفاده می‌شوند، ظرفیت خازنی جانبی بین رساناها موازی دارند. ظرفیت به تغییرات ولتاژ واکنش نشان می‌دهد - ثابت در AC (50-60 بار در ثانیه) اما فقط در زمان تغییر وضعیت در DC.

کابل‌های AC به طور مداوم شارژ و دیشارژ می‌شوند، که باعث زیان‌های قدرت قابل توجهی قبل از تحویل برق به سمت گیرنده می‌شود. کابل‌های HVDC، که فقط یک بار شارژ می‌شوند، چنین زیان‌هایی را حذف می‌کنند. برای جزئیات بیشتر، به محتوای مربوط به ساخت، ویژگی‌ها، گذاشتن و اتصالات کابل‌های زیردریایی مراجعه کنید.

قابلیت کنترل جریان قدرت

سیستم‌های HVAC کنترل دقیق بر جریان قدرت ندارند، در حالی که لینک‌های HVDC از تبدیل‌کننده‌های نیمه‌رسانا IGBT استفاده می‌کنند. این تبدیل‌کننده‌های پیچیده، که چندین بار در هر دوره قابل تغییر هستند، توزیع قدرت را در سیستم بهینه می‌کنند، عملکرد هارمونیک را بهبود می‌بخشند و محافظت و پاکسازی سریع از خطاهای را فراهم می‌کنند - مزایایی که HVAC ندارد.

پیوند سیستم‌های غیرهمگام و شبکه‌های هوشمند

شبکه هوشمند اجازه می‌دهد تا چندین ایستگاه تولید به یک شبکه یکپارچه متصل شوند و از شبکه‌های کوچک‌مقیاس برای تولید قدرت بالا استفاده کنند. با این حال، اتصال چندین شبکه AC غیرهمگام (با فرکانس‌ها یا فازهای متفاوت) بسیار چالش‌برانگیز است.

پیوند سیستم‌های غیرهمگام

شبکه‌های برق در سراسر جهان با فرکانس‌های مختلف عمل می‌کنند - بعضی در 50 Hz و بعضی در 60 Hz. حتی شبکه‌هایی که فرکانس مشابهی دارند ممکن است خارج از فاز باشند. این‌ها به عنوان "سیستم‌های غیرهمگام" طبقه‌بندی می‌شوند و نمی‌توانند از طریق لینک‌های AC استاندارد متصل شوند.

اما DC از فرکانس یا فاز تأثیر نمی‌پذیرد. لینک‌های HVDC این مشکل را با تبدیل AC به DC که از فرکانس و فاز مستقل است، حل می‌کنند، که این امر امکان یکپارچه‌سازی ساده شبکه‌های غیرهمگام را فراهم می‌کند. در سمت گیرنده، تبدیل‌کننده‌های HVDC DC را به AC با فرکانس مورد نیاز تبدیل می‌کنند و انتقال یکپارچه قدرت را تسهیل می‌کنند.

قطع‌کننده‌ها

قطع‌کننده‌ها در انتقال برق با ولتاژ بالا نقش مهمی ایفا می‌کنند و مسئول بی‌انرژی کردن مدارها در زمان خطاهای یا نگهداری هستند. یکی از نیازهای کلیدی توانایی خاموش کردن قوس الکتریکی برای قطع جریان قدرت است.

• قطع‌کننده‌های HVAC: جریان AC به طور مداوم جهت خود را می‌گیرد، لحظات طبیعی صفر جریان (50-60 بار در ثانیه) ایجاد می‌کند که به طور خودکار قوس‌های الکتریکی را خاموش می‌کند. این ویژگی "خودخاموش" طراحی قطع‌کننده‌های HVAC را ساده می‌کند و آنها را نسبتاً ساده و ارزان می‌سازد.

• قطع‌کننده‌های HVDC: جریان DC یک‌جهتی است و بدون نقاط