Mikä on ero HVAC:n ja HVDC:n välillä sähkönsiirrossa

HVAC:n ja HVDC:n ero

Sähkövoimaloissa tuotettu sähkö välitetään pitkiä matkoja sähköasemille, jotka jakavat sen kuluttajille. Pitkien matkojen sähkövälityksessä käytetty jännite on erittäin korkea, ja tarkastelemme myöhemmin syitä tälle korkealle jännitteelle. Lisäksi välitettävä voima voi olla vaihtojännitteessä (AC) tai suorajännitteessä (DC). Tämän vuoksi voiman voidaan välittää joko HVAC:n (High Voltage Alternating Current) tai HVDC:n (High Voltage Direct Current) avulla.

Miksi korkea jännite on tarpeellinen välityksessä?

Jännite on keskeisessä roolissa johtohenkilöiden vähentämisessä, joita kutsutaan myös siirtovaihdetykkeiksi. Jokaisella sähköjohtimella, jota sähkövälityksessä käytetään, on tietty ohminen vastus (R). Kun virta (I) kulkee näiden johtimien läpi, ne tuottavat lämmönenergiaa, joka on periaatteessa hukattua energiaa tai voimaa (P).

Ohman lain mukaan

Kuten nähdään, johtimen läpi siirretty energian hävikki riippuu enemmän virrasta kuin jännitteestä. Voimme kuitenkin säätää virran suuruutta erityisten laitteiden avulla jännitteen muuntamisen kautta.

Jännitteen muunnoksessa voima pysyy säännöllisenä ja muuttumattomana. Jännite ja virta vaihtelevat vain käänteisesti samalla tekijällä, noudattaen periaatetta:

Esimerkiksi 11KW:n teho 220V jännitteellä sisältää 50 amperia. Tällaisessa tapauksessa siirtolinjahdinvaihdetykset ovat

Kerrotaanpa jännitettä kymmenellä. Sitten sama 11KW:n teho olisi 2200V jännitteellä & 5 amperi. Nyt linjahdinvaihdetykset olisivat;

Kuten nähdään, jännitteen kasvattaminen vähentää merkittävästi siirtolinjahdinvaihdetyksiä. Jotta voimme vähentää virtaa siirtokabeleissa samalla ylläpitäen saman määrän voiman siirtymistä, lisäämme jännitettä.

Virtasota (AC vs. DC)

1880-luvun lopulla, niin kutsutussa "virtasodassa", suorajännite (DC) oli ensimmäisenä käytössä voiman siirtämiseen. Kuitenkin se pidettiin erittäin tehottomana käytännön jännitteenmuuntolaitteiden puutteen vuoksi - toisin kuin vaihtojännite (AC), jota voitiin helposti nostaa tai laskea muuntimien avulla. Varhaiset matalajännitteiset DC-sähköasemat pystyivät toimittamaan sähköä vain muutaman mailin säteellä; tämän ulkopuolella jännite pudotti huomattavasti, vaativan useita tuotantoyksiköitä pienillä alueilla - kalliista lähestymistapaa.

Vaikka korkeajännitteinen DC-siirto aiheuttaa luonnostaan vähemmän menetyksiä kuin AC, varhaiset DC-järjestelmät nojautuivat kyynelkaarivalveihin (suoristimiin) korkean jännitteen AC:n muuntamiseksi DC:ksi pitkien matkojen siirtämiseksi. Nämä päätepistelaitteet olivat kömpelöitä, kalliita ja vaativat usein huollon. Toisaalta, AC-siirto nojasi muuntimiin - tehokkaampiin, edullisempiin ja luotettavampiin - mikä teki AC:stä valituksen pitkien matkojen voiman siirrossa silloin.

Valittaessa korkeajännitteisen vaihtojännitteen (HVAC) ja korkeajännitteisen suorajännitteen (HVDC) välillä siirrossa on otettava huomioon useita kriittisiä tekijöitä. Tässä artikkelissa nämä tekijät tarkastellaan yksityiskohtaisesti.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) ja HVDC (High Voltage Direct Current) viittaavat jännitesiirrotta, jota käytetään pitkien matkojen sähkövälitykseen. HVDC:a suositaan yleensä ultra-pitkillä etäisyyksillä (yleensä yli 600 km), mutta molempia järjestelmiä käytetään laajasti maailmassa nykyään, kukin omilla etuillaan ja haittaneuvoillaan.

Siirto-ostot

Pitkien matkojen sähkövälitys vaatii korkeita jännitteitä, ja voima siirretään päätepistelaitosten välillä, jotka hoitavat jännitteen muuntamisen. Siirron kokonaishintoihin vaikuttavat siis kaksi komponenttia: päätepistelaitosten ostot ja siirtolinjan ostot.

• Päätepistelaitokset
  Päätepistelaitokset muuntavat jännitearvoja siirtoa varten. AC-järjestelmille tämä tehdään pääasiassa muuntimien avulla, jotka vaihtavat korkean ja matalan jännitteen välillä. DC-järjestelmille päätepistelaitokset käyttävät thyristori- tai IGBT-pohjaisia muuntimia DC-jännitteen tasojen säätämiseen.

  Koska muuntimet ovat luotettavampia ja halvempia kuin kiinteän tilan muuntimet, AC-päätepistelaitokset ovat edullisempia kuin DC-päätepistelaitokset, mikä tekee AC-jännitteen muuntamisesta taloudellisemman.

• Siirtolinjat
  Linjan ostot riippuvat johtimien määrästä ja siirtotornien suunnittelusta. HVDC-järjestelmät vaativat vain kaksi johtinta, kun taas HVAC-järjestelmät tarvitsevat kolme tai useamman (mukaan lukien sidottuja johtimia korunan vähentämiseksi).

  AC-siirtotornien on tuettava raskaimmat mekaaniset kuormat, mikä vaatii vahvempia, korkeampia ja leveämpiä rakenteita HVDC-tornejä verrattuna. Linjan ostot kasvavat etäisyyden mukaan, ja sadalla kilometrillä HVAC-linjat ovat merkittävästi kalliimpia kuin HVDC-linjat.

• Kokonaisostot siirrosta
  Kokonaisostot määräytyvät päätepistekustannuksista (vakio, riippumaton etäisyydestä) ja linjakustannuksista (muuttuva, kasvava etäisyys). Näin ollen siirtojärjestelmän kokonaisostot kasvavat, kun etäisyys kasvaa.

Tasapainoetäisyys

"Tasapainoetäisyys" viittaa siirtopituuteen, jonka ylittäessä HVAC:n kokonaisinvestointikustannukset ylittävät HVDC:n. Tämä etäisyys on noin 400–500 mailia (600–800 km). Tätä kynnystä pidemmällä HVDC on taloudellisempi valinta; lyhyemmille etäisyyksille HVAC on edullisempi. Tämä suhde on havainnollistettu yllä olevassa kaaviossa.

Joustavuus

HVDC:tä käytetään yleensä pisteestä pisteeseen pitkien etäisyyksien siirrossa, sillä voiman napattaminen väliaikaisista pisteistä vaatisi kalliiden muuntimien käyttöä korkean DC-jännitteen alentamiseksi. Toisaalta, HVAC tarjoaa suurempaa joustavuutta: useat päätepistelaitokset voivat käyttää edullisia muuntimia korkean jännitteen alentamiseksi, mahdollistaen voiman napattamisen eri pisteissä linjan varrella.

Voimahäviöt

HVAC-siirrossa aiheutuu useita häviötyyppejä, mukaan lukien korunahäviöt, ihotehohäviöt, säteilyhäviöt ja induktiovahäviöt, jotka ovat suurelta osin poissa tai minimoituneet HVDC-järjestelmissä:

• Korunahäviöt: Kun jännite ylittää kriittisen kynnyksen, johtimen ympärillä oleva ilmakehä ionisoituu, luoden sähköiskuja (korunapäästö), jotka hukkaavat energiaa. Nämä häviöt ovat taajuusriippuvaisia - koska DC:llä on nolla taajuus, HVAC-korunahäviöt ovat noin kolme kertaa suurempia kuin HVDC:ssä.

• Ihotehohäviöt: AC-siirrossa virttiä tiheyttä on korkeinta johtimen pinnalla ja matalinta ytimessä (ihoteho), mikä vähentää tehokasta leikkijää, jota virta kulkee. Tämä lisää johtimen vastusta ja lisää I²R-häviöt. DC-virta, puolestaan, jakautuu tasaisesti johtimen läpi, poistamalla tämän vaikutuksen.

• Säteily- ja induktiovahäviöt: HVAC:n vaihtovaakko aiheuttaa pitkien siirtolinjojen toimivan antennina (säteilemällä palauttamattomia energiaa) ja aiheuttaa virtauksia lähellä olevissa johtimissa (induktiohavio). HVDC:n vakiovaakko välttää molemmat ongelmat.

Ihoteho

Ihoteho, joka on suoraan verrannollinen taajuuteen, pakottaa suurimman osan AC-virtasta kulkeutumaan johtimen pinnan lähelle, jättäen ytimen hyvin käyttämättä. Tämä vähentää johtimen tehokkuutta: HVAC-järjestelmät tarvitsevat suurempiin virtoihin soveltuvia johtimia, jotka lisäävät materiaalikustannuksia. HVDC, jota ihoteho ei vaikuta, käyttää johtimia tehokkaammin.

Näin ollen, saman virran siirtämiseksi HVAC vaatii suurempiin halkaisijoita, kun taas HVDC voi saavuttaa tämän pienemmällä halkaisijalla.

Kaapelien virran ja jännitteen arviointi

Kaapeleilla on maksimitoleranssit jännitteelle ja virtalle. AC:lle huippujännite ja -virta ovat noin 1,4 kertaa suurempia kuin heidän keskiarvonsa (jotka vastaavat todellista toimitettua voimaa tai vastaavaa DC-arvoa). Toisaalta, DC-järjestelmillä huippu- ja keskiarvot ovat identtisiä.

Kuitenkin, HVAC-johtimet on arvioitava huippuvirran ja -jännitteen perusteella, mikä hukkaa noin 30 % niiden kantokykyä. Toisaalta, HVDC hyödyntää johtimien koko kapasiteettia, mikä tarkoittaa, että sama kokoinen johtin voi siirtää enemmän voimaa HVDC-järjestelmissä.

Oikeusalue

"Oikeusalue" viittaa infrastruktuurin vaatimaan maan koridoriin. HVDC-järjestelmillä on kapeampi oikeusalue pienempien tornien ja vähemmän johtimien (kaksi DC:lle vs. kolme kolmifaseiselle AC:lle) vuoksi. Lisäksi AC-tornejen isolaatoreiden on oltava arvioitu huippujännitteelle, mikä lisää niiden jalanjälkeä.

Tämä kapeampi koridoori vähentää materiaali-, rakennus- ja maakustannuksia, mikä tekee HVDC:stä paremman oikeusalueen kannalta.

Merivoimansiirto

Merikaapeleissa, jotka käytetään offshoren voiman siirtoon, on sivusuuntaista kapasitanssia rinnakkaisissa johtimissa. Kapasitanssi reagoi jännitteen muutoksiin - vakio AC:lle (50-60 kierrosta sekunnissa) mutta tapahtuu vain kytkennöissä DC:ssä.

AC-kaapelit latautuvat ja purkautuvat jatkuvasti, mikä aiheuttaa merkittäviä voimahäviöitä ennen kuin voima toimitetaan vastaanottajalle. HVDC-kaapelit, jotka ladataan vain kerran, poistavat tällaiset häviöt. Lisätietoja merikaapelien rakennuksesta, ominaisuuksista, asennuksesta ja liitosista löydät sisällöstä.

Voimansiirron hallittavuus

HVAC-järjestelmillä ei ole tarkkaa hallintoa voimansiirron yli, kun taas HVDC-linkit käyttävät IGBT-pohjaisia semanttisiä muuntimia. Nämä monimutkaiset muuntimet, jotka voidaan kytkiä useita kertoja kierroksen aikana, optimoivat voiman jakautumisen järjestelmässä, parantavat harmonistisuorituskykyä ja mahdollistavat nopean sivutusprotection ja selkeytyksen - etuja, joita HVAC:lla ei ole.

Asynkronisten järjestelmien ja älyverkkojen linkitys

Älyverkko mahdollistaa useiden tuotantoyksiköiden syöttämisen yhteen verkkoon, hyödyntäen pienimuotoisia verkkoja suuren voiman tuotannossa. Kuitenkin useiden asynkronisten AC-verkkojen (erilaisilla taquilla tai vaiheilla) yhdistäminen on erittäin haastavaa.

Asynkronisten verkkojen linkitys

Maailmanlaajuisesti voimaverkot toimivat eri taquilla - jotkut 50 Hz:lla, toiset 60 Hz:lla. Jopa saman taquin verkkot voivat olla vaiheissa. Nämä luokitellaan "asynkronisiksi järjestelmiksi" eivätkä voi yhdistää standardin AC-linkitysten kautta.

DC, kuitenkin, ei ole vaikutuksen alta taqui- tai vaihe-riippuvainen. HVDC-interlinkit ratkaisevat tämän muuntamalla AC:n taqui- ja vaiheriippumattomaan DC:ksi, mikä mahdollistaa asynkronisten verkkojen sujuvan integroitumisen. Vastaanottajan päätteessä HVDC-inversiot muuntavat DC:n takaisin AC:ksi vaaditulla taquilla, mahdollistaen yhdenmukaisen voiman siirron.

Sulake

Sulakkeet ovat kriittisiä korkean jännitteen siirrossa, vastuussa piirien de-energoimisesta sivutustapahtuman tai huollon aikana. Yksi keskeinen vaatimus on kaaren sammutuskyky katkaisemaan voimansiirto.

• HVAC-sulakkeet: AC-virta kääntyy jatkuvasti, luoden luonnollisia nollavirta-momentteja (50-60 kertaa sekunnissa), jotka sammuttavat kaaret automaattisesti. Tämä "itse sammuttava" ominaisuus yksinkertaistaa HVAC-sulakkeiden suunnittelua, tekeen niistä suhteellisen yksinkertaisia ja edullisia.

• HVDC-sulakkeet: DC-virta on yksisuuntainen eikä sillä ole luonnollisia nollakulkukohtia. Kaarien sammuttaminen vaatii erityisen sulatuskäytännön, joka tuottaa nollavirta-kohtia tekoisesti. Tämä monimutkaisuus tekee HVDC-sulakkeista monimutkaisempia ja kalliimpia kuin AC-vastineensa.

Häiriöiden syntymä

AC:n vaihtovirta tuottaa jatkuvasti vaihtelevan magneettikentän, joka voi aiheuttaa häiriöitä lähellä olevissa viestintälinjoissa. Toisaalta, DC:n vakio magneettikenttä poistaa tällaiset häiriöt, taaten minimoidun häiriön viereisiin viestintäjärjestelmiin.