Qué Diferenzas Existen entre o HVAC e o HVDC na Transmisión de Enerxía Eléctrica

Diferenza entre HVAC e HVDC

A electricidade xerada nas centrais eléctricas transmítese a lonxas distancias a subestacións eléctricas, que a distribúen aos consumidores. A voltagem utilizada para a transmisión de enerxía a lonxas distancias é extremadamente alta, e exploraremos as razóns desta alta voltagem máis adiante. Ademais, a enerxía transmitida pode ser en forma de corrente alternada (CA) ou corrente continua (CC). Polo tanto, a potencia pode transmitirse usando HVAC (High Voltage Alternating Current) ou HVDC (High Voltage Direct Current).

Por que é necesaria a alta voltagem para a transmisión?

A voltagem desempeña un papel crucial na redución das perdas de liña, tamén coñecidas como perdas de transmisión. Cada conductor eléctrico usado para a transmisión de enerxía ten unha certa cantidade de resistencia ohmica (R). Cando a corrente (I) fluye por estes conductores, xeran enerxía térmica, que é esencialmente enerxía desperdiciada ou potencia (P).

Segundo a Lei de Ohm

Como é evidente, a enerxía desperdiciada nun conductor durante a transmisión depende da corrente e non da voltagem. No entanto, podemos axustar a magnitude da corrente mediante a conversión de voltagem usando equipos especializados.

Durante a conversión de voltagem, a potencia permanece conservada e inalterada. A voltagem e a corrente simplemente varián inversamente polo mesmo factor, segundo o principio:

Por exemplo, 11KW de potencia a unha voltagem de 220v teñen 50 Amperios. Nese caso, as perdas na liña de transmisión serán

Aumentemos a voltagem por un factor de 10. Así, a mesma potencia de 11KW tería unha voltagem de 2200v & 5 Amperios. Agora, as perdas na liña serían;

Como podes ver, aumentar a voltagem reduce significativamente as perdas de potencia nas liñas de transmisión. Polo tanto, para diminuír a corrente nos cables de transmisión mentres se mantén a mesma cantidade de transmisión de potencia, aumentamos a voltagem.

A Guerra das Correntes (CA vs. CC)

No final dos anos 1880, durante a chamada "Guerra das Correntes", a corrente continua (CC) foi a primeira en ser implementada para a transmisión de enerxía. No entanto, considerouse altamente ineficiente debido á falta de equipos prácticos para a conversión de voltagem, a diferenza da corrente alternada (CA), que podíase facilmente aumentar ou diminuír utilizando transformadores. As primeiras centrais eléctricas de baixa voltagem en CC só podían fornecer electricidade dentro dun raio de poucas millas; máis aló, a voltagem caía drasticamente, requirendo múltiples centrais xeradoras en áreas pequenas, un enfoque caro.

Aínda que a transmisión en DC de alta voltagem incurren naturalmente en menores perdas que a CA, os sistemas iniciais de DC dependían de válvulas de arco de mercúrio (rectificadores) para converter a CA de alta voltagem en CC para a transmisión a longa distancia. Estes dispositivos terminais eran voluminosos, caros e requiren manutención frecuente. En contraste, a transmisión en CA dependía de transformadores, máis eficientes, económicos e fiables, facendo da CA a opción dominante para a transmisión de enerxía a longa distancia naquel momento.

Ao seleccionar entre CA de alta voltagem (HVAC) e CC de alta voltagem (HVDC) para a transmisión, deben considerarse varios factores críticos. Este artigo explora estos factores en detalle.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) e HVDC (High Voltage Direct Current) referíronse a rangos de voltagem utilizados para a transmisión de enerxía a lonxas distancias. O HVDC xeralmente prefírese para ultra-longas distancias (xeralmente máis de 600 km), aínda que ambos os sistemas son amplamente utilizados no mundo hoxe, cada un con as súas propias vantaxes e inconvenientes.

Custos de Transmisión

A transmisión de enerxía a lonxas distancias require voltagens altas, coa potencia transferida entre estacións terminais que xestionan a conversión de voltagem. Os custos totais de transmisión, polo tanto, dependen de dous compoñentes: os custos das estacións terminais e os custos das liñas de transmisión.

• Estacións Terminais
  As estacións terminais convierten os niveis de voltagem para a transmisión. Para os sistemas de CA, isto fácese principalmente usando transformadores, que cambian entre voltagens altas e baxas. Para os sistemas de CC, as estacións terminais usan convertidores baseados en tiristores ou IGBT para axustar os niveis de voltagem en CC.

  Xa que os transformadores son máis fiables e baratos que os convertidores de estado sólido, as estacións terminais de CA son menos costosas que as súas contrapartes de CC, facendo a conversión de voltagem en CA máis económica.

• Liñas de Transmisión
  Os custos de liña dependen do número de conductores e do deseño das torres de transmisión. Os sistemas HVDC requiren só dous conductores, mentres que os sistemas HVAC precisan tres ou máis (incluíndo conductores agrupados para mitigar os efectos de corona).

  As torres de transmisión de CA deben soportar cargas mecánicas máis pesadas, requirindo estruturas máis fortes, altas e anchas comparadas coas torres de HVDC. Os custos de liña aumentan coa distancia, e por cada 100 km, as liñas HVAC son significativamente máis caras que as liñas HVDC.

• Custos Totais de Transmisión
  Os custos totais determinanse polos custos de terminal (fixos, independentes da distancia) e os custos de liña (variables, aumentando coa distancia). Así, o custo total dun sistema de transmisión aumenta á medida que a distancia aumenta.

Distancia de Equilibrio

A "distancia de equilibrio" refírese á lonxitude de transmisión máis aló da cal o custo total de investimento en HVAC excede o de HVDC. Esta distancia é aproximadamente 400–500 millas (600–800 km). Para distancias máis aló deste umbral, o HVDC é a opción máis económica; para distancias máis curtas, o HVAC é máis económico. Esta relación ilustrase visualmente no gráfico superior.

Flexibilidade

O HVDC xeralmente úsase para a transmisión de lonxas distancias punto a punto, xa que extraer potencia en puntos intermedios requería convertidores caros para reducir as voltagens en CC. En contraste, o HVAC ofrece maior flexibilidade: múltiples estacións terminais poden utilizar transformadores de baixo costo para reducir as voltagens altas, permitindo a extracción de potencia en varios puntos ao longo da liña.

Perdas de Potencia

A transmisión HVAC incide en varios tipos de perdas, incluíndo perdas de corona, perdas de efecto de pele, perdas de radiación e perdas de inducción, que están ausentes ou minimizadas en sistemas HVDC:

• Perdas de Corona: Cando a voltagem supera un limiar crítico, o aire arredor dos conductores ionízase, creando chispas (descarga de corona) que desperdicen enerxía. Estas perdas son dependentes da frecuencia—xa que a CC ten frecuencia cero, as perdas de corona en HVAC son aproximadamente tres veces maiores que as de HVDC.

• Perdas de Efecto de Pele: Na transmisión en CA, a densidade de corrente é máis alta na superficie do conductor e máis baixa no núcleo (o "efecto de pele"), reducindo a área seccional efectiva usada para o fluxo de corrente. Isto aumenta a resistencia do conductor e amplifica as perdas I²R. A corrente en CC, por contra, distribúese uniformemente a través do conductor, eliminando este efecto.

• Perdas de Radiación e Inducción: O campo magnético alternado da CA causa que as liñas de transmisión longas actúen como antenas (radiando enerxía irrecoverable) e induce correntes en conductores próximos (perdas de inducción). O campo magnético constante da CC evita ambos os problemas.

O Efecto de Pele

O efecto de pele, directamente proporcional á frecuencia, forza a maior parte da corrente en CA a fluir cerca da superficie do conductor, deixando o núcleo subutilizado. Isto reduce a eficiencia do conductor: para transportar correntes maiores, os sistemas HVAC requiren conductores con área seccional aumentada, aumentando os custos de material. O HVDC, non afectado polo efecto de pele, usa os conductores de maneira máis eficiente.

Así, para transportar a mesma corrente, o HVAC require conductores con diámetro maior, mentres que o HVDC pode lograr iso con conductores de menor diámetro.

Calificacións de Corrente e Voltagem dos Cabos

Os cabos teñen calificacións máximas tolerables de voltagem e corrente. Para a CA, a voltagem e corrente pico son aproximadamente 1,4 veces maiores que os seus valores medios (que corresponden á potencia real entregada ou valores equivalentes en CC). En contraste, os sistemas de CC teñen valores pico e medios idénticos.

No entanto, os conductores de HVAC deben estar calificados para a corrente e voltagem pico, desperdiciando aproximadamente o 30% da súa capacidade de transporte. En contraste, o HVDC utiliza a capacidade completa dos conductores, significando que un conductor do mesmo tamaño pode transmitir máis potencia en sistemas HVDC.

Derecho de Paso

O "dereito de paso" refírese ao corredor de terra necesario para a infraestrutura de transmisión. Os sistemas HVDC teñen un dereito de paso máis estreito debido a torres máis pequenas e menos conductores (dous para DC vs. tres para CA trifásica). Ademais, os aislantes de CA nas torres deben estar calificados para voltagens pico, aumentando ainda máis a súa pegada.

Este corredor máis estreito reduce os custos de material, construción e terra, facendo que o HVDC sexa superior en termos de eficiencia de dereito de paso.

Transmisión Submarina de Potencia

Os cabos submarinos usados para a transmisión offshore teñen capacitancia estrayada entre conductores paralelos. A capacitancia reacciona aos cambios de voltagem—constante en CA (50–60 ciclos por segundo) pero só ocorre durante a conmutación en CC.

Os cabos de CA cargan e descargan continuamente, causando perdas significativas de potencia antes de entregar a potencia ao receptor. Os cabos de HVDC, cargados só unha vez, eliminan tales perdas. Para obter máis detalles, remítase ao contido sobre a construción, características, colocación e emendas de cabos submarinos.

Controlabilidade do Fluxo de Potencia

Os sistemas HVAC carecen de control preciso sobre o fluxo de potencia, mentres que os enlaces HVDC usan convertidores semiconductores baseados en IGBT. Estes convertidores complexos, comutables múltiples veces por ciclo, optimizan a distribución de potencia no sistema, melloran o rendemento harmónico e perminten a protección e limpeza rápida de falhas—vantaxes sen igual en HVAC.

Interconexión de Sistemas Asíncronos e Redes Intelixentes

Unha rede intelixente permite que múltiples centrais xeradoras alimenten unha rede unificada, aproveitando redes pequenas para xeración de alta potencia. No entanto, conectar múltiples redes asíncronas de CA (con frecuencias ou fases diferentes) é altamente desafiante.

Interconexión de Redes Asíncronas

As redes eléctricas a nivel mundial operan a diferentes frecuencias—algúns a 50 Hz, outros a 60 Hz. Incluso as redes coa mesma frecuencia poden estar fora de fase. Estas clasifícanse como "sistemas asíncronos" e non poden conectarse mediante enlaces AC estándar.

A CC, no entanto, non se ve afectada pola frecuencia ou fase. Os enlaces HVDC resolven isto convirtendo a CA en CC independente da frecuencia e fase, permitindo a integración sinxela de redes asíncronas. No extremo receptor, os inversores HVDC convierten a CC de volta en CA coa frecuencia necesaria, facilitando a transmisión unificada de potencia.

Interruptores de Circuito

Os interruptores de circuito son cruciais na transmisión de alta voltagem, responsáveis por desenerxizar circuitos durante fallos ou manutención. Un requisito clave é a capacidade de extinción de arcos para interromper o fluxo de potencia.

• Interruptores de Circuito HVAC: A corrente en CA cambia de dirección continuamente, creando momentos naturais de corrente cero (50–60 veces por segundo) que apagan automaticamente os arcos. Esta característica "autoextinguible" simplifica o deseño dos interruptores de HVAC, facéndolos relativamente simples e económicos.

• Interruptores de Circuito HVDC: A corrente en CC é unidireccional sen cruzamentos naturais de corrente cero. Para apagar os arcos, a circuitaría especializada debe xerar artificialmente puntos de corrente cero. Esta complexidade fai que os interruptores de HVDC sexan máis intrincados e caros que os seus análogos de CA.

Xeración de Interferencia

A corrente alternada da CA xera un campo magnético constantemente variable, que pode inducir interferencia en liñas de comunicación próximas. En contraste, o campo magnético constante da CC elimina tal interferencia, asegurando unha mínima perturbación aos sistemas de comunicación adxacentes.