Quelles sont les différences entre le HVAC et le HVDC dans la transmission d'électricité

Différence entre le HVAC et le HVDC

L'électricité générée dans les centrales électriques est transmise sur de longues distances vers des postes de transformation, qui la distribuent ensuite aux consommateurs. La tension utilisée pour la transmission à longue distance est extrêmement élevée, et nous explorerons les raisons de cette haute tension plus tard. De plus, la puissance transmise peut être sous forme de courant alternatif (CA) ou de courant continu (CC). Par conséquent, la puissance peut être transmise en utilisant soit du HVAC (Haute Tension Alternatif) soit du HVDC (Haute Tension Continu).

Pourquoi une haute tension est-elle nécessaire pour la transmission ?

La tension joue un rôle crucial dans la réduction des pertes de ligne, également appelées pertes de transmission. Chaque conducteur électrique utilisé pour la transmission de l'énergie possède une certaine résistance ohmique (R). Lorsque le courant (I) circule dans ces conducteurs, ils génèrent de l'énergie thermique, qui est essentiellement de l'énergie perdue ou de la puissance (P).

Selon la loi d'Ohm

Il est évident que l'énergie gaspillée dans un conducteur pendant la transmission dépend du courant plutôt que de la tension. Cependant, nous pouvons ajuster l'intensité du courant par conversion de tension à l'aide d'équipements spécialisés.

Lors de la conversion de tension, la puissance reste conservée et inchangée. La tension et le courant varient simplement de manière inverse par le même facteur, selon le principe :

Par exemple, une puissance de 11 kW à une tension de 220 V a un courant de 50 A. Dans ce cas, les pertes de ligne de transmission seront

Augmentons la tension par un facteur de 10. Ainsi, la même puissance de 11 kW aurait une tension de 2200 V et 5 A. Les pertes de ligne seraient alors ;

Comme vous pouvez le voir, augmenter la tension réduit considérablement les pertes de puissance dans les lignes de transmission. Ainsi, pour diminuer le courant dans les câbles de transmission tout en maintenant la même quantité de puissance transmise, nous augmentons la tension.

La guerre des courants (CA vs. CC)

À la fin des années 1880, lors de la soi-disant "Guerre des courants", le courant continu (CC) fut le premier à être déployé pour la transmission de l'énergie. Cependant, il était jugé très inefficace en raison du manque d'équipements pratiques de conversion de tension - contrairement au courant alternatif (CA), qui pouvait être facilement monté ou descendu à l'aide de transformateurs. Les premières centrales électriques à basse tension en CC ne pouvaient fournir de l'électricité qu'à l'intérieur d'un rayon de quelques kilomètres ; au-delà, la tension chutait drastiquement, nécessitant de nombreuses centrales de génération dans de petites zones - une approche coûteuse.

Bien que la transmission en CC à haute tension entraîne intrinsèquement moins de pertes que le CA, les premiers systèmes en CC s'appuyaient sur des vannes à arc de mercure (rectificateurs) pour convertir le CA à haute tension en CC pour la transmission à longue distance. Ces dispositifs terminaux étaient encombrants, coûteux et nécessitaient un entretien fréquent. En revanche, la transmission en CA dépendait des transformateurs - plus efficaces, abordables et fiables - ce qui faisait du CA le choix dominant pour la transmission de l'énergie à longue distance à l'époque.

Lors de la sélection entre le CA à haute tension (HVAC) et le CC à haute tension (HVDC) pour la transmission, plusieurs facteurs critiques doivent être pris en compte. Cet article explore ces facteurs en détail.

HVAC & HVDC

Le HVAC (Haute Tension Alternatif) et le HVDC (Haute Tension Continu) se réfèrent aux gammes de tensions utilisées pour la transmission de l'énergie sur de longues distances. Le HVDC est généralement préféré pour les distances ultra-longues (généralement supérieures à 600 km), bien que les deux systèmes soient largement utilisés dans le monde aujourd'hui, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients.

Coûts de transmission

La transmission de l'énergie sur de longues distances nécessite des tensions élevées, avec la puissance transférée entre des stations terminales qui gèrent la conversion de tension. Les coûts totaux de transmission dépendent donc de deux composantes : les coûts des stations terminales et les coûts des lignes de transmission.

• Stations terminales
  Les stations terminales convertissent les niveaux de tension pour la transmission. Pour les systèmes en CA, cela est principalement fait à l'aide de transformateurs, qui passent d'une tension élevée à une tension basse. Pour les systèmes en CC, les stations terminales utilisent des convertisseurs à thyristors ou à IGBT pour ajuster les niveaux de tension en CC.

  Comme les transformateurs sont plus fiables et moins chers que les convertisseurs à semi-conducteurs, les stations terminales en CA sont moins coûteuses que leurs homologues en CC, rendant la conversion de tension en CA plus économique.

• Lignes de transmission
  Les coûts de ligne dépendent du nombre de conducteurs et de la conception des pylônes de transmission. Les systèmes en HVDC nécessitent seulement deux conducteurs, tandis que les systèmes en HVAC en nécessitent trois ou plus (y compris des conducteurs groupés pour atténuer les effets de corona).

  Les pylônes de transmission en CA doivent supporter des charges mécaniques plus importantes, nécessitant des structures plus solides, plus hautes et plus larges que les pylônes en HVDC. Les coûts de ligne augmentent avec la distance, et par tranche de 100 km, les lignes en HVAC sont significativement plus chères que les lignes en HVDC.

• Coûts de transmission globaux
  Les coûts totaux sont déterminés par les coûts des stations terminales (fixes, indépendants de la distance) et les coûts de ligne (variables, augmentant avec la distance). Ainsi, le coût global d'un système de transmission augmente à mesure que la distance augmente.

Distance d'équilibre

La "distance d'équilibre" fait référence à la longueur de transmission au-delà de laquelle le coût total d'investissement en HVAC dépasse celui de l'HVDC. Cette distance est d'environ 400 à 500 miles (600 à 800 km). Au-delà de ce seuil, l'HVDC est le choix plus économique ; pour des distances plus courtes, l'HVAC est plus économique. Cette relation est illustrée visuellement dans le graphique ci-dessus.

Flexibilité

L'HVDC est généralement utilisé pour la transmission point à point sur de longues distances, car le prélèvement de puissance à des points intermédiaires nécessiterait des convertisseurs coûteux pour abaisser les tensions en CC élevées. En revanche, l'HVAC offre une plus grande flexibilité : plusieurs stations terminales peuvent utiliser des transformateurs à faible coût pour abaisser les tensions élevées, permettant l'extraction de puissance à divers points le long de la ligne.

Pertes de puissance

La transmission en HVAC entraîne plusieurs types de pertes, notamment les pertes de corona, les pertes d'effet de peau, les pertes de radiation et les pertes d'induction, qui sont largement absentes ou minimisées dans les systèmes en HVDC :

• Pertes de corona : lorsque la tension dépasse un seuil critique, l'air entourant les conducteurs se ionise, créant des étincelles (décharge de corona) qui gaspillent de l'énergie. Ces pertes sont dépendantes de la fréquence - puisque le CC a une fréquence nulle, les pertes de corona en HVAC sont environ trois fois plus élevées que celles en HVDC.

• Pertes d'effet de peau : dans la transmission en CA, la densité de courant est la plus élevée à la surface du conducteur et la plus faible au cœur (l'"effet de peau"), réduisant la section effective utilisée pour le flux de courant. Cela augmente la résistance du conducteur et amplifie les pertes I²R. En revanche, le courant en CC se répartit uniformément à travers le conducteur, éliminant cet effet.

• Pertes de radiation et d'induction : le champ magnétique alternatif de l'HVAC fait que les lignes de transmission agissent comme des antennes (rayonnant de l'énergie irrécupérable) et induisent des courants dans les conducteurs voisins (pertes d'induction). Le champ magnétique stable de l'HVDC évite ces problèmes.

L'effet de peau

L'effet de peau, directement proportionnel à la fréquence, force la majeure partie du courant en CA à circuler près de la surface du conducteur, laissant le cœur sous-utilisé. Cela réduit l'efficacité du conducteur : pour transporter de plus grands courants, les systèmes en HVAC nécessitent des conducteurs avec une section transversale accrue, ce qui augmente les coûts de matériaux. L'HVDC, non affecté par l'effet de peau, utilise les conducteurs de manière plus efficace.

Ainsi, pour transporter le même courant, l'HVAC nécessite des conducteurs de plus grand diamètre, tandis que l'HVDC peut y parvenir avec des conducteurs de plus petit diamètre.

Classements de courant et de tension des câbles

Les câbles ont des tensions et des courants maximaux tolérables. Pour le CA, les tensions et les courants crêtes sont approximativement 1,4 fois plus élevés que leurs valeurs moyennes (qui correspondent à la puissance réellement délivrée ou aux valeurs équivalentes en CC). En revanche, les systèmes en CC ont des valeurs crêtes et moyennes identiques.

Cependant, les conducteurs en HVAC doivent être dimensionnés pour les courants et tensions crêtes, gaspillant environ 30 % de leur capacité de transport. En revanche, l'HVDC utilise la pleine capacité des conducteurs, signifiant qu'un conducteur de la même taille peut transmettre plus de puissance dans les systèmes en HVDC.

Droit de passage

Le "droit de passage" fait référence au corridor terrestre nécessaire pour l'infrastructure de transmission. Les systèmes en HVDC ont un droit de passage plus étroit en raison de tours plus petites et de moins de conducteurs (deux pour le CC contre trois pour le CA triphasé). De plus, les isolateurs en CA sur les tours doivent être dimensionnés pour les tensions crêtes, augmentant encore davantage leur empreinte.

Ce corridor plus étroit réduit les coûts de matériel, de construction et de terrain, rendant l'HVDC supérieur en termes d'efficacité du droit de passage.

Transmission sous-marine de l'énergie

Les câbles sous-marins utilisés pour la transmission offshore présentent une capacité parasite entre les conducteurs parallèles. La capacité réagit aux variations de tension - constante en CA (50-60 cycles par seconde) mais ne se produisant que lors des commutations en CC.

Les câbles en CA se chargent et se déchargent continuellement, causant des pertes de puissance significatives avant de délivrer l'énergie à l'extrémité réceptrice. Les câbles en HVDC, chargés une seule fois, éliminent ces pertes. Pour plus de détails, reportez-vous au contenu sur la construction, les caractéristiques, la pose et les raccords des câbles sous-marins.

Contrôlabilité du flux de puissance

Les systèmes en HVAC manquent de contrôle précis sur le flux de puissance, tandis que les liaisons en HVDC utilisent des convertisseurs à semi-conducteurs à base d'IGBT. Ces convertisseurs complexes, commutable plusieurs fois par cycle, optimisent la distribution de la puissance dans le système, améliorent les performances harmoniques et permettent une protection et un dégagement rapides des défauts - des avantages inégalés par l'HVAC.

Interconnexion des systèmes asynchrones et des réseaux intelligents

Un réseau intelligent permet à plusieurs centrales de production de se connecter à un réseau unifié, tirant parti de petits réseaux pour une génération de haute puissance. Cependant, la connexion de plusieurs réseaux en CA asynchrones (avec des fréquences ou des phases différentes) est très difficile.

Interconnexion des réseaux asynchrones

Les réseaux électriques dans le monde fonctionnent à différentes fréquences - certains à 50 Hz, d'autres à 60 Hz. Même les réseaux de la même fréquence peuvent être déphasés. Ceux-ci sont classés comme des "systèmes asynchrones" et ne peuvent pas être connectés via des liaisons en CA standard.

Le CC, cependant, n'est pas affecté par la fréquence ou la phase. Les interconnexions en HVDC résolvent ce problème en convertissant le CA en CC indifférent à la fréquence et à la phase, permettant une intégration transparente des réseaux asynchrones. À l'extrémité réceptrice, les onduleurs en HVDC convertissent le CC en CA avec la fréquence requise, facilitant la transmission unifiée de l'énergie.

Disjoncteurs

Les disjoncteurs sont cruciaux dans la transmission à haute tension, responsables de la déconnexion des circuits en cas de défauts ou de maintenance. Un critère clé est la capacité d'extinction d'arc pour interrompre le flux de puissance.

• Disjoncteurs en HVAC : le courant en CA change de direction continuellement, créant naturellement des moments de courant nul (50-60 fois par seconde) qui éteignent automatiquement les arcs. Cette caractéristique "d'extinction naturelle" simplifie la conception des disjoncteurs en HVAC, les rendant relativement simples et économiques.

• Disjoncteurs en HVDC : le courant en CC est unidirectionnel sans croisements naturels de courant nul. Pour éteindre les arcs, des circuits spécialisés doivent générer artificiellement des points de courant nul. Cette complexité rend les disjoncteurs en HVDC plus compliqués et coûteux que leurs homologues en CA.

Génération d'interférences

Le courant alternatif produit un champ magnétique constamment variable, qui peut induire des interférences dans les lignes de communication adjacentes. En revanche, le champ magnétique stable du courant continu élimine ces interférences, assurant une perturbation minimale des systèmes de communication adjacents.