چه تفاوت‌هایی بین HVAC و HVDC در انتقال برق وجود دارد؟

تفاوت بین HVAC و HVDC

برق تولید شده در نیروگاه‌ها از طریق فواصل طولانی به زیراستانس‌های الکتریکی منتقل می‌شود که سپس آن را به مصرف‌کنندگان توزیع می‌کنند. ولتاژ استفاده شده برای انتقال برق در فواصل طولانی بسیار بالا است و دلایل این ولتاژ بالا را در ادامه بررسی خواهیم کرد. علاوه بر این، قدرت منتقل شده می‌تواند به صورت جریان متناوب (AC) یا مستقیم (DC) باشد. بنابراین، قدرت می‌تواند با استفاده از HVAC (High Voltage Alternating Current) یا HVDC (High Voltage Direct Current) منتقل شود.

چرا ولتاژ بالا برای انتقال ضروری است؟

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

بر اساس قانون اهم

به وضوح مشخص است که انرژی تلف شده در رسانا در حین انتقال بستگی به جریان دارد نه ولتاژ. با این حال، می‌توانیم مقدار جریان را از طریق تبدیل ولتاژ با استفاده از تجهیزات تخصصی تنظیم کنیم.

در طی تبدیل ولتاژ، قدرت حفظ می‌شود و ثابت می‌ماند. ولتاژ و جریان فقط به طور معکوس با همان عامل متغیر می‌شوند، مطابق با اصل:

به عنوان مثال، قدرت 11 کیلووات با ولتاژ 220 وول دارای 50 آمپر است. در چنین حالتی، تلفات خطی انتقال خواهد بود

بیایید ولتاژ را 10 برابر کنیم. بنابراین همان قدرت 11 کیلووات با ولتاژ 2200 وول و 5 آمپر خواهد داشت. حالا تلفات خطی خواهد بود؛

همانطور که می‌بینید، افزایش ولتاژ تلفات قدرت را در خطوط انتقال به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. بنابراین برای کاهش جریان در کابل‌های انتقال در حالی که مقدار انتقال قدرت ثابت می‌ماند، ما ولتاژ را افزایش می‌دهیم.

جنگ جریان‌ها (AC مقابل DC)

در اواخر دهه 1880، در دوره‌ای که به "جنگ جریان‌ها" شهرت دارد، جریان مستقیم (DC) اولین جریانی بود که برای انتقال برق استفاده شد. با این حال، به دلیل فقدان تجهیزات عملی برای تبدیل ولتاژ - در مقابل جریان متناوب (AC) که می‌توانست به راحتی با استفاده از ترانسفورماتورها افزایش یا کاهش یابد - به عنوان بسیار ناکارآمد شناخته شد. نیروگاه‌های DC با ولتاژ پایین تنها می‌توانستند برق را در شعاع چند مایل تأمین کنند؛ فراتر از آن، ولتاژ به طور قابل توجهی کاهش می‌یافت، نیازمند چندین نیروگاه تولید در مناطق کوچک - یک رویکرد گران‌قیمت.

در حالی که انتقال DC با ولتاژ بالا به طور ذاتی تلفات کمتری نسبت به AC دارد، سیستم‌های DC اولیه از لوله‌های آرک کوارتز (rectifiers) برای تبدیل AC با ولتاژ بالا به DC برای انتقال در فواصل طولانی استفاده می‌کردند. این دستگاه‌های پایانه حجیم، گران و نیازمند نگهداری مداوم بودند. در مقابل، انتقال AC به ترانسفورماتورها - که کارآمدتر، ارزان‌تر و قابل اعتمادتر بودند - متکی بود و این باعث شد AC به عنوان انتخاب غالب برای انتقال برق در فواصل طولانی در آن زمان شود.

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 به طور دقیق این عوامل را بررسی می‌کند.

HVAC & HVDC

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

هزینه‌های انتقال

انتقال برق در فواصل طولانی نیاز به ولتاژهای بالا دارد، با انتقال قدرت بین ایستگاه‌های پایانه که مسئول تبدیل ولتاژ هستند. 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 تنظیم سطوح ولتاژ DC استفاده می‌کنند.

  از آنجا که ترانسفورماتورها قابل اعتمادتر و ارزان‌تر از تبدیل‌کننده‌های جامد هستند، ایستگاه‌های پایانه AC از نظر هزینه کمتر از نظیران DC خود هستند، که این امر تبدیل ولتاژ AC را اقتصادی‌تر می‌کند.

• خطوط انتقال
  هزینه‌های خطوط بستگی به تعداد رساناها و طراحی برج‌های انتقال دارد. سیستم‌های HVDC فقط نیاز به دو رسانا دارند، در حالی که سیستم‌های HVAC به سه یا بیشتر (از جمله رساناها بسته‌بندی شده برای کاهش اثر کرون) نیاز دارند.

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

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

فاصله تعادل

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

انعطاف‌پذیری

HVDC معمولاً برای انتقال نقطه به نقطه در فواصل طولانی استفاده می‌شود، زیرا استخراج قدرت در نقاط میانی نیازمند تبدیل‌کننده‌های گران‌قیمت برای کاهش ولتاژ DC بالا است. در مقابل، HVAC انعطاف‌پذیری بیشتری ارائه می‌دهد: چندین ایستگاه پایانه می‌توانند با استفاده از ترانسفورماتورهای کم‌هزینه ولتاژ بالا را کاهش دهند، این امر امکان استخراج قدرت در نقاط مختلف خط را فراهم می‌کند.

تلفات قدرت

انتقال HVAC شامل چند نوع تلفات است، از جمله تلفات کرون، تلفات اثر پوست، تلفات تابش و تلفات القایی، که در سیستم‌های HVDC به طور کلی غایب یا کمینه شده‌اند:

• تلفات کرون: وقتی ولتاژ از یک آستانه بحرانی عبور می‌کند، هوا اطراف رساناها یونیزه می‌شود و جرقه‌های (تشویش کرون) ایجاد می‌کند که انرژی را تلف می‌کنند. این تلفات بستگی به فرکانس دارند - چون DC فرکانس صفر دارد، تلفات کرون HVAC تقریباً سه برابر تلفات کرون HVDC است.

• تلفات اثر پوست: در انتقال AC، چگالی جریان در سطح رسانا بیشترین است و در هسته کمترین (اثر پوست)، که مساحت مقطع موثر برای جریان را کاهش می‌دهد. این امر مقاومت رسانا را افزایش می‌دهد و تلفات I²R را تقویت می‌کند. جریان DC، به طور متقابل، به طور یکنواخت در تمام رسانا پخش می‌شود و این اثر را حذف می‌کند.

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

اثر پوست

اثر پوست، که مستقیماً با فرکانس متناسب است، بیشتر جریان AC را به نزدیکی سطح رسانا می‌برد، هسته را کم‌کار می‌کند. این کار کارایی رسانا را کاهش می‌دهد: برای انتقال جریان‌های بزرگ‌تر، سیستم‌های HVAC نیاز به رساناها با مساحت مقطع بزرگ‌تر دارند، که هزینه مواد را افزایش می‌دهد. HVDC، که از اثر پوست تأثیر نمی‌پذیرد، رساناها را به طور کارآمدتری استفاده می‌کند.

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

رتبه‌بندی جریان و ولتاژ کابل‌ها

کابل‌ها دارای ولتاژ و جریان مجاز حداکثری هستند. برای AC، ولتاژ و جریان پیک تقریباً 1.4 برابر مقدار متوسط آن‌ها (که متناظر با قدرت واقعی تحویل داده شده یا مقادیر DC معادل است) است. در مقابل، سیستم‌های DC مقادیر پیک و متوسط یکسانی دارند.

با این حال، رساناها HVAC باید برای جریان و ولتاژ پیک رتبه‌بندی شوند، که حدود 30٪ ظرفیت حمل آن‌ها را تلف می‌کند. در مقابل، HVDC ظرفیت کامل رساناها را استفاده می‌کند، به این معنی که رسانایی با اندازه یکسان می‌تواند در سیستم‌های HVDC قدرت بیشتری را منتقل کند.

حق عبور

"حق عبور" به مسیر زمینی مورد نیاز برای زیرساخت‌های انتقال اشاره دارد. سیستم‌های HVDC به دلیل برج‌های کوچک‌تر و رساناها کمتر (دو برای DC در مقابل سه برای AC سه‌فاز) دارای حق عبور تنگ‌تری هستند. علاوه بر این، عایق‌های AC روی برج‌ها باید برای ولتاژهای پیک رتبه‌بندی شوند، که مساحت آن‌ها را بیشتر می‌کند.

این مسیر تنگ‌تر هزینه‌های مصالح، ساخت و زمین را کاهش می‌دهد، که HVDC را از نظر کارایی حق عبور برتر می‌کند.

انتقال برق زیردریایی

کابل‌های زیردریایی استفاده شده برای انتقال برق دریایی دارای ظرفیت خازنی میان رساناها موازی هستند. ظرفیت به تغییرات ولتاژ واکنش نشان می‌دهد - ثابت در AC (50-60 بار در ثانیه) اما فقط در زمان تغییر در DC رخ می‌دهد.

کابل‌های AC به طور مداوم شارژ و دیشارژ می‌شوند، که باعث تلفات قدرت قابل توجهی می‌شود قبل از تحویل قدرت به سمت دریافت. کابل‌های HVDC، که فقط یک بار شارژ می‌شوند، این تلفات 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 پیوندهای HVDC از تبدیل‌کننده‌های نیمه‌رسانا مبتنی بر IGBT استفاده می‌کنند. این تبدیل‌کننده‌های پیچیده، که چندین بار در هر دور قابل تغییر هستند، توزیع قدرت در سیستم را بهینه می‌کنند، عملکرد harm