Ano ang mga Pagkakaiba sa pagitan ng HVAC at HVDC sa Pagsasakay ng Kapangyarihan?

Pagkakaiba ng HVAC at HVDC

Ang kuryente na ginagawa sa mga power plant ay ipinapadala sa mahabang layo patungo sa mga electrical substation, na pagkatapos ay inilalagay ito sa mga consumer. Ang tensyon na ginagamit para sa mahabang layong pagpapadala ng kuryente ay napakataas, at sasalamin natin ang mga dahilan para sa mataas na tensyon na ito sa ibaba. Bukod dito, ang ipinapadalang kapangyarihan maaaring maging alternating current (AC) o direct current (DC). Kaya, ang kapangyarihan maaaring ipapadala gamit ang HVAC (High Voltage Alternating Current) o HVDC (High Voltage Direct Current).

Bakit Kailangan ng Mataas na Tensyon para sa Pagpapadala?

Ang tensyon ay may mahalagang papel sa pagbawas ng mga pagkawala sa linya, na kilala rin bilang transmission losses. Bawat elektrikal na conductor na ginagamit para sa pagpapadala ng kuryente ay may tiyak na halaga ng ohmic resistance (R). Kapag ang kuryente (I) ay umuusbong sa mga conductor na ito, sila ay lumilikha ng thermal energy, na sa esensya ay sayang na enerhiya o kapangyarihan (P).

Ayon sa Ohm's Law

Tulad ng malinaw, ang nasayang enerhiya sa isang conductor sa panahon ng pagpapadala ay depende sa kuryente hindi sa tensyon. Ngunit, maaari nating ayusin ang sukat ng kuryente sa pamamagitan ng conversion ng tensyon gamit ang espesyal na kagamitan.

Sa panahon ng conversion ng tensyon, ang kapangyarihan ay nananatiling conserved at hindi nagbabago. Ang tensyon at kuryente ay simpleng nag-iiba inversely ng parehong factor, sumusunod sa prinsipyong:

Halimbawa, 11KW kapangyarihan sa tensyon ng 220v ay may 50 Amps. Sa ganitong kaso, ang mga pagkawala sa linya ng pagpapadala ay

Palakihin natin ang tensyon ng isang factor na 10. Kaya ang parehong kapangyarihan ng 11KW ay magkakaroon ng tensyon na 2200v at 5 Amps. Ngayon, ang mga pagkawala sa linya ay;

Tulad ng makikita, ang pagtaas ng tensyon ay lubhang binabawasan ang mga pagkawala ng kapangyarihan sa mga linya ng pagpapadala. Kaya upang bawasan ang kuryente sa mga cable ng pagpapadala habang pinapanatili ang parehong halaga ng pagpapadala ng kapangyarihan, tataas natin ang tensyon.

Ang Digmaan ng Kuryente (AC vs. DC)

Noong huling bahagi ng 1880s, sa tinatawag na "Digmaan ng Kuryente," ang direct current (DC) ang unang ipinakilala para sa pagpapadala ng kapangyarihan. Ngunit, ito ay itinuturing na lubhang hindi epektibo dahil sa kakulangan ng praktikal na kagamitan para sa conversion ng tensyon—iba pa ang alternating current (AC), na maaaring madali na i-step up o i-step down gamit ang mga transformer. Ang mga maagang low-voltage DC power stations lamang ang maaaring magbigay ng kuryente sa loob ng radius ng ilang miles; mas malayo pa rito, ang tensyon ay bumababa nang drastic, na nangangailangan ng maraming generating stations sa maliit na lugar—isa itong mahal na pamamaraan.

Bagama't ang high-voltage DC transmission ay inherent na may mas mababang pagkawala kaysa sa AC, ang mga maagang DC systems ay umasa sa mercury arc valves (rectifiers) upang i-convert ang high-voltage AC to DC para sa mahabang layong pagpapadala. Ang mga terminal na kagamitan na ito ay bulky, mahal, at nangangailangan ng regular na pag-aayos. Sa katunayan, ang AC transmission ay umasa sa mga transformer—mas epektibo, mas mura, at mas mapagkakatiwalaan—na nagpapahiwatig na ang AC ang dominant na pagpipilian para sa mahabang layong pagpapadala ng kapangyarihan noong panahong iyon.

Kapag pumipili sa pagitan ng high-voltage AC (HVAC) at high-voltage DC (HVDC) para sa pagpapadala, maraming mahalagang faktor ang kailangang isaalang-alang. Ang artikulong ito ay sasalamin sa mga faktor na ito sa detalye.

HVAC & HVDC

Ang HVAC (High Voltage Alternating Current) at HVDC (High Voltage Direct Current) ay tumutukoy sa mga ranggo ng tensyon na ginagamit para sa mahabang layong pagpapadala ng kapangyarihan. Ang HVDC ay karaniwang pinipili para sa ultra-mahabang layo (karaniwang higit sa 600 km), bagaman parehong sistema ay malawakang ginagamit sa buong mundo ngayon, bawat isa may sarili nitong mga benepisyo at hadlang.

Mga Gastos sa Pagpapadala

Ang mahabang layong pagpapadala ng kapangyarihan ay nangangailangan ng mataas na tensyon, na ang kapangyarihan ay ipinapadala sa pagitan ng mga terminal station na nag-handle ng conversion ng tensyon. Ang kabuuang gastos sa pagpapadala kaya ay depende sa dalawang komponente: ang gastos ng terminal station at ang gastos ng transmission line.

• Terminal Stations
  Ang mga terminal station ay nag-conver ng mga lebel ng tensyon para sa pagpapadala. Para sa mga sistema ng AC, ito ay pangunahing ginagawa gamit ang mga transformer, na nag-switch sa pagitan ng mataas at mababang tensyon. Para sa mga sistema ng DC, ang mga terminal station ay gumagamit ng thyristor o IGBT-based converters upang ayusin ang mga lebel ng DC voltage.

  Dahil ang mga transformer ay mas mapagkakatiwalaan at mas mura kaysa sa solid-state converters, ang mga AC terminal station ay mas mura kaysa sa kanilang mga DC counterparts, na nagpapahiwatig na ang conversion ng AC voltage ay mas ekonomiko.

• Transmission Lines
  Ang mga gastos sa linya ay depende sa bilang ng mga conductor at disenyo ng mga transmission tower. Ang mga sistema ng HVDC ay nangangailangan lamang ng dalawang conductor, samantalang ang mga sistema ng HVAC nangangailangan ng tatlo o higit pa (kasama ang bundled conductors upang mabawasan ang corona effects).

  Ang mga AC transmission tower ay kailangang suportahan ang mas matibay na mekanikal na load, na nangangailangan ng mas matibay, mas taas, at mas lapad na istraktura kumpara sa mga HVDC tower. Ang mga gastos sa linya ay tumataas kasama ang distansya, at bawat 100 km, ang mga linya ng HVAC ay mas mahal kaysa sa mga linya ng HVDC.

• Kabuuang Mga Gastos sa Pagpapadala
  Ang kabuuang gastos ay nadetermina ng mga gastos ng terminal (fixed, independent ng distansya) at mga gastos ng linya (variable, tumataas kasama ang distansya). Kaya, ang kabuuang gastos ng isang sistema ng pagpapadala ay tumataas kasama ang distansya.

Break-Even Distance

Ang "break-even distance" ay tumutukoy sa haba ng pagpapadala kung saan ang kabuuang investment cost ng HVAC ay lumampas sa HVDC. Ang distansyang ito ay humigit-kumulang 400–500 miles (600–800 km). Para sa distansyang higit pa sa threshold na ito, ang HVDC ang mas ekonomikal na pagpipilian; para sa mas maikling distansya, ang HVAC ang mas ekonomikal. Ang relasyong ito ay visual na ipinapakita sa graph sa itaas.

Flexibility

Ang HVDC ay karaniwang ginagamit para sa point-to-point mahabang layong pagpapadala, sapagkat ang pagkuha ng kapangyarihan sa mga intermediate points ay nangangailangan ng mahal na converters upang i-step down ang mataas na DC voltages. Sa kabilang banda, ang HVAC ay nagbibigay ng mas maraming flexibility: maraming terminal stations ang maaaring gamitin ang mura na transformers upang i-step down ang mataas na voltages, na nagpapahintulot ng pagkuha ng kapangyarihan sa iba't ibang puntos sa linya.

Power Losses

Ang HVAC transmission ay nagdudulot ng iba't ibang uri ng pagkawala, kasama ang corona losses, skin effect losses, radiation losses, at induction losses, na malaki o minimized sa mga sistema ng HVDC:

• Corona Losses: Kapag ang tensyon ay lumampas sa critical threshold, ang hangin sa paligid ng mga conductor ay ionizes, naglilikha ng sparks (corona discharge) na nasasayang ang enerhiya. Ang mga pagkawala na ito ay frequency-dependent—dahil ang DC ay may zero frequency, ang HVAC corona losses ay humigit-kumulang tatlong beses mas mataas kaysa sa HVDC.

• Skin Effect Losses: Sa AC transmission, ang current density ay pinakamataas sa surface ng conductor at pinakamababa sa core (ang "skin effect"), na binabawasan ang effective cross-sectional area na ginagamit para sa pag-uusbong ng kuryente. Ito ay tumataas ang resistance ng conductor at amplifies I²R losses. Ang DC current, sa kabilang banda, ay umausbong nang pantay sa buong conductor, na nag-eeliminate ng epekto na ito.

• Radiation and Induction Losses: Ang alternating magnetic field ng HVAC ay nagdudulot ng mahabang transmission lines na gumagana bilang antennas (radiating irrecoverable energy) at nag-induce ng currents sa mga nearby conductors (induction losses). Ang steady magnetic field ng HVDC ay nag-iwas sa parehong issue.

The Skin Effect

Ang skin effect, direktang proportional sa frequency, ay pwersa ang karamihan ng AC current na umusbong malapit sa surface ng conductor, na iniwan ang core underutilized. Ito ay binabawasan ang efficiency ng conductor: upang magdala ng mas malaking kuryente, ang mga sistema ng HVAC ay nangangailangan ng mga conductor na may mas maraming cross-sectional area, na nagpapataas ng mga gastos sa materyales. Ang HVDC, na hindi apektado ng skin effect, ay gumagamit ng mga conductor nang mas epektibo.

Kaya, upang magdala ng parehong kuryente, ang HVAC ay nangangailangan ng mga conductor na may mas malaking diameter, samantalang ang HVDC ay maaaring gawin ito gamit ang mas maliit na diameter ng mga conductor.

Cable Current and Voltage Ratings

Ang mga cable ay may rated maximum tolerable voltage at current. Para sa AC, ang peak voltage at current ay humigit-kumulang 1.4 beses mas mataas kaysa sa kanilang average values (na tumutugon sa actual delivered power o equivalent DC values). Sa kabilang banda, ang DC systems ay may identical peak at average values.

Ngunit, ang mga conductor ng HVAC ay kailangang rated para sa peak current at voltage, na nasasayang humigit-kumulang 30% ng kanilang carrying capacity. Sa kabilang banda, ang HVDC ay gumagamit ng buong capacity ng mga conductor, na nangangahulugan na ang isang conductor na may parehong laki ay maaaring magpadala ng mas maraming kapangyarihan sa mga sistema ng HVDC.

Right-of-Way

Ang "right-of-way" ay tumutukoy sa land corridor na kailangan para sa transmission infrastructure. Ang mga sistema ng HVDC ay may mas maikling right-of-way dahil sa mas maliit na towers at mas kaunti na mga conductor (dalawa para sa DC vs. tatlo para sa three-phase AC). Bukod dito, ang mga AC insulators sa mga towers ay kailangang rated para sa peak voltages, na nagpapataas pa ng kanilang footprint.

Ang mas maikling corridor na ito ay binabawasan ang mga gastos sa materyales, konstruksyon, at lupain, na nagpapahiwatig na ang HVDC ay mas superior sa aspeto ng right-of-way efficiency.

Submarine Power Transmission

Ang mga submarine cables na ginagamit para sa offshore power transmission ay may stray capacitance sa pagitan ng parallel conductors. Ang capacitance ay reaksyon sa mga pagbabago ng tensyon—constant sa AC (50–60 cycles per second) ngunit nangyayari lamang sa switching sa DC.

Ang mga AC cables ay patuloy na nag-charging at nag-discharging, na nagdudulot ng significant power losses bago maipadala ang kapangyarihan sa receiving end. Ang mga HVDC cables, na charged only once, ay nag-eeliminate ng mga pagkawala. Para sa mas detalyadong impormasyon, tumingin sa content tungkol sa construction, characteristics, laying, at joints ng submarine cable.

Controllability of Power Flow

Ang mga sistema ng HVAC ay walang precise control sa power flow, samantalang ang mga HVDC links ay gumagamit ng IGBT-based semiconductor converters. Ang mga kompleks na converter na ito, na switchable multiple times per cycle, ay optimizes ang distribution ng kapangyarihan sa sistema, improves ang harmonic performance, at nagbibigay ng rapid fault protection at clearance—mga benepisyo na walang katulad sa HVAC.

Interlinking Asynchronous Systems and Smart Grids

Ang smart grid ay nagbibigay ng pagkakataon para sa maraming generating stations na mag-feed sa isang unified network, na nagpapahiwatig ng small-scale grids para sa high-power generation. Ngunit, ang koneksyon ng maraming asynchronous AC grids (na may iba't ibang frequencies o phases) ay napakahirap.

Interlinking Asynchronous Grids

Ang mga power grid sa buong mundo ay gumagana sa iba't ibang frequencies—ang ilan ay 50 Hz, ang iba naman ay 60 Hz. Kahit ang mga grid na may parehong frequency ay maaaring out of phase. Ang mga ito ay klasipikado bilang "asynchronous systems" at hindi maaaring ikonekta sa pamamagitan ng standard AC links.

Ang DC, sa kabilang banda, ay hindi apektado ng frequency o phase. Ang HVDC interlinks ay nagreresolba nito sa pamamagitan ng conversion ng AC to frequency- at phase-agnostic DC, na nagbibigay ng seamless integration ng asynchronous grids. Sa receiving end, ang mga HVDC inverters ay ino-convert ang DC back to AC na may required frequency, na nagpapahiwatig ng unified power transmission.

Circuit Breakers

Ang mga circuit breakers ay kritikal sa high-voltage transmission, na responsable sa de-energizing ng circuits sa panahon ng mga fault o maintenance. Ang isang pangunahing requirement ay ang arc-extinguishing capability upang interruptin ang power flow.

• HVAC Circuit Breakers: Ang AC current ay patuloy na nagbabago ng direksyon, na lumilikha ng natural zero-current moments (50–60 beses per second) na automatic na extinguish ang arcs. Ang "self-extinguishing" feature na ito ay simplifies ang disenyo ng HVAC breaker, na nagpapahiwatig na sila ay relatibong straightforward at cost-effective.

• HVDC Circuit Breakers: Ang DC current ay unidirectional na walang natural zero crossings. Upang extinguish ang arcs, kinakailangan ng specialized circuitry na artificially generate zero-current points. Ang complexity na ito ay nagpapahiwatig na ang HVDC breakers ay mas intricate at mas mahal kaysa sa kanilang AC counterparts.

Interference Generation

Ang alternating current ng AC ay lumilikha ng constantly varying magnetic field, na maaaring mag-induce ng interference sa mga nearby communication lines. Sa kabilang banda, ang steady magnetic field ng DC ay nag-eeliminate ng ganitong interference, na nagpapahiwatig ng minimal disruption sa adjacent communication systems.