Koje su razlike između HVAC i HVDC u prijenosu električne energije

Razlika između HVAC i HVDC

Struja proizvedena u elektrani prenosi se na velike udaljenosti do električnih podstanica, koje zatim raspoređuju struju korisnicima. Napona korištena za prijenos struje na velike udaljenosti je izuzetno visoka, a razloge za ovaj visok napon ćemo istražiti kasnije. Također, prenesena moć može biti u obliku napravne struje (AC) ili jednosmjerne struje (DC). Stoga se moć može prenositi pomoću HVAC (High Voltage Alternating Current) ili HVDC (High Voltage Direct Current).

Zašto je potreban visoki napon za prijenos?

Napon igra ključnu ulogu u smanjenju gubitaka na liniji, također poznatih kao gubitci prijenosa. Svaki vodnik koji se koristi za prijenos struje ima određeni ohmi otpor (R). Kada struja (I) teče kroz ove vodnike, generiraju toplinsku energiju, koja je u suštini iskošena energija ili snaga (P).

Prema Ohmovom zakonu

Kao što je vidljivo, energija iskošena u vodniku tijekom prijenosa ovisi o strujnom toku, a ne o naponu. Međutim, možemo prilagoditi magnitudu strujnog toka putem pretvorbe napona pomoću specijaliziranog opreme.

Tijekom pretvorbe napona, snaga ostaje konstantna i nepromijenjena. Napon i struja jednostavno variraju obrnuto s istim faktorom, prema principu:

Na primjer, 11KW snage pri naponu od 220v ima 50 Ampera. U takvom slučaju, gubitci na liniji prijenosa bi bili

Povećajmo napon deset puta. Tako će ta ista snaga od 11KW imati napon od 2200v i 5 Ampera. Sada bi gubitci na liniji bili;

Kao što vidite, povećanjem napona znatno se smanjuju gubitci snage na linijama prijenosa. Zato, kako bismo smanjili strujni tok u kabelima za prijenos, ali zadržali istu količinu prijenosa snage, povećavamo napon.

Rat struja (AC vs. DC)

U kasnim 1880-ima, tijekom tzv. "Rata struja", jednosmijerna struja (DC) bila je prva koja je upotrijebljena za prijenos struje. Međutim, smatrano je da je vrlo neučinkovita zbog nedostatka praktične opreme za pretvorbu napona - na suprotno od napravne struje (AC), koja se lako može povećavati ili smanjivati pomoću transformatora. Rani postroji za prijenos niskog napona mogli su osigurati struju samo unutar poluprecnika od nekoliko milja; izvan toga, napon drastično padao, zahtijevajući više generirajućih stanica u malim područjima - skupa metoda.

Iako visokonaponski prijenos DC-a u suštini ima manje gubitke od AC-a, rani DC sustavi su se oslanjali na merkurijske lukove (rectifiers) za pretvorbu visokonaponskog AC-a u DC za prijenos na velike udaljenosti. Ovi terminalni uređaji bili su grubi, skupi i zahtijevali česte održavanja. Na suprotno, prijenos AC-a zavisio je o transformatorima - učinkovitijim, povoljnijim i pouzdanijim - što je AC-u omogućilo da postane dominantni izbor za prijenos struje na velike udaljenosti u to vrijeme.

Pri odabiru između visokonaponskog AC (HVAC) i visokonaponskog DC (HVDC) za prijenos, moraju se uzeti u obzir nekoliko ključnih faktora. Ovaj članak detaljno istražuje ove faktore.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) i HVDC (High Voltage Direct Current) odnose se na raspon napona koji se koriste za prijenos struje na velike udaljenosti. HVDC se obično preferira za ultra-dugih udaljenosti (obično preko 600 km), iako su oba sustava široko korištena diljem svijeta danas, svaki s vlastitim prednostima i nedostacima.

Troškovi prijenosa

Prijenos struje na velike udaljenosti zahtijeva visoke napone, s prijenosom snage između terminalnih stanica koje obrađuju pretvorbu napona. Ukupni troškovi prijenosa stoga ovisi o dvije komponente: troškovi terminalnih stanica i troškovi linija prijenosa.

• Terminalne stanice
  Terminalne stanice pretvaraju razine napona za prijenos. Za AC sustave, to se uglavnom radi pomoću transformatora, koji prelaze između visokih i niskih napona. Za DC sustave, terminalne stanice koriste thyristor ili IGBT temeljene pretvarače za prilagodbu razine napona DC.

  Budući su transformatori pouzdaniji i jeftiniji od čvrstih stanja pretvarača, AC terminalne stanice su jeftinije od njihovih DC protivnika, što čini pretvorbu napona AC jeftinijom.

• Linije prijenosa
  Troškovi linija ovisi o broju vodnika i dizajnu toranjeva za prijenos. HVDC sustavi zahtijevaju samo dva vodnika, dok HVAC sustavi trebaju tri ili više (uključujući spremnike vodnika za umanjenje efekta korone).

  Toranjevi za prijenos AC moraju nositi veće mehaničke opterećenja, što zahtijeva jačije, više i šire strukture u usporedbi s HVDC toranjima. Troškovi linija rastu s udaljenošću, a po 100 km, HVAC linije su značajno skuplje od HVDC linija.

• Ukupni troškovi prijenosa
  Ukupni troškovi određeni su troškovima terminala (fiksni, neovisni o udaljenosti) i troškovima linija (varijabilni, porast s udaljenošću). Stoga ukupni trošak prijenosnog sustava raste s udaljenošću.

Točka ravnoteže

"Točka ravnoteže" odnosi se na duljinu prijenosa iznad koje ukupni investicijski trošak HVAC-a prelazi trošak HVDC. Ova udaljenost iznosi približno 400-500 milja (600-800 km). Za udaljenosti iznad ove granice, HVDC je jeftiniji izbor; za kraće udaljenosti, HVAC je ekonomičniji. Ova relacija vizualno je prikazana na grafikonu iznad.

Fleksibilnost

HVDC se tipično koristi za prijenos na velike udaljenosti točka-točka, jer bi skidanje struje na srednjim točkama zahtijevalo skupi pretvarači za smanjenje visokih napona DC. Na suprotno, HVAC nudi veću fleksibilnost: više terminalnih stanica može koristiti jeftine transformatore za smanjenje visokih napona, omogućujući skidanje struje na različitim točkama duž linije.

Gubitci snage

HVAC prijenos donosi nekoliko vrsta gubitaka, uključujući gubitke korone, efekt kože, gubitke zračenja i indukcije, koji su u velikoj mjeri odsutni ili minimizirani u HVDC sustavima:

• Gubitci korone: Kada napon premaši kritičnu granicu, zrak oko vodnika ionizira, stvarajući iskre (discharge korone) koje iskošavaju energiju. Ovi gubitci su ovisni o frekvenciji - budući da DC ima nultu frekvenciju, gubitci korone u HVAC-u su približno tri puta veći nego u HVDC-u.

• Efekt kože: Pri prijenosu AC, gustoća strujnog toka najveća je na površini vodnika i najmanja u jezgru (efekt kože), smanjujući efektivnu poprečnu površinu koja se koristi za strujanje. To povećava otpor vodnika i amplificira I²R gubitke. DC struja, na suprotno, distribuira uniformno kroz vodnik, eliminirajući taj efekt.

• Gubitci zračenja i indukcije: Promjenjiva magnetna slika HVAC-a dovodi do toga da dugi vodnici djeluju kao antene (zrače neoporavljive energije) i induciraju struje u okolnim vodnicima (gubitci indukcije). Stead magnetne slike HVDC-a izbjegavaju oba problema.

Efekt kože

Efekt kože, proporcionalan frekvenciji, prisiljava većinu AC struje da teče blizu površine vodnika, ostavljajući jezgro nepouzdanim. To smanjuje učinkovitost vodnika: da bi prihvatili veće struje, HVAC sustavi zahtijevaju vodnike s povećanom poprečnom površinom, povećavajući materijalne troškove. HVDC, koji nije utjecan efektom kože, koristi vodnike učinkovitije.

Stoga, da bi prihvatili istu struju, HVAC zahtijeva vodnike s većim promjerom, dok HVDC može to postići s manjim vodnicima.

Rejtingi struje i napona kabela

Kabeli imaju maksimalno dopušteni napon i struju. Za AC, vrhunski napon i struja su približno 1,4 puta veći od njihovih prosječnih vrijednosti (koje odgovaraju stvarnoj isporučenoj snazi ili ekvivalentnim DC vrijednostima). Na suprotno, DC sustavi imaju identične vrhunske i prosječne vrijednosti.

Međutim, HVAC vodnici moraju biti ocijenjeni za vrhunsku struju i napon, gubeći približno 30% svoje nosivosti. Na suprotno, HVDC koristi punu kapacitet vodnika, što znači da vodnik iste veličine može prijenositi više snage u HVDC sustavima.

Pravo prolaza

"Pravo prolaza" odnosi se na koridor zemljišta potreban za infrastrukturu prijenosa. HVDC sustavi imaju uži koridor prava prolaza zbog manjih toranjeva i manjeg broja vodnika (dva za DC nasuprot tri za trofazni AC). Također, izolatori AC na toranjevima moraju biti ocijenjeni za vrhunske napone, dalje povećavajući njihov otisak.

Ovaj uži koridor smanjuje materijale, građevinske i zemljišne troškove, čineći HVDC superiornim u pogledu učinkovitosti prava prolaza.

Podmorski prijenos struje

Podmorski kabeli korišteni za prijenos struje s otoka imaju stray kapacitet između paralelnih vodnika. Kapacitet reagira na promjene napona - konstantan u AC (50-60 ciklusa po sekundi) ali se dešavaju samo tijekom preklapanja u DC.

AC kabeli kontinuirano nabijaju i ispraznjavaju, uzrokujući značajne gubitke snage prije dostave struje na odredište. HVDC kabeli, nabijeni samo jednom, eliminiraju takve gubitke. Za više detalja, pogledajte sadržaj o izgradnji, karakteristikama, položenju i spojevima podmorskih kabela.

Kontrola toka snage

HVAC sustavi nemaju preciznu kontrolu nad tokom snage, dok HVDC veze koriste IGBT temeljene poluprovodničke pretvarače. Ovi složeni pretvarači, preklapajući više puta po ciklusu, optimiziraju distribuciju snage u sustavu, poboljšavaju harmonijsko ponašanje i omogućuju brzu zaštitu i otklanjanje grešaka - prednosti koje HVAC ne može podudariti.

Povezivanje asinkronih sustava i pametnih mreža

Pametna mreža omogućuje više generirajućih stanica da hranijo unificiranu mrežu, koristeći male mreže za visoku proizvodnju snage. Međutim, povezivanje više asinkronih AC mreža (s različitim frekvencijama ili fazama) je izuzetno izazovno.

Povezivanje asinkronih mreža

Električne mreže diljem svijeta funkcioniraju na različitim frekvencijama - neke na 50 Hz, druge na 60 Hz. Čak i mreže s istom frekvencijom mogu biti izvan faze. One su klasificirane kao "asinkrone sustave" i ne mogu biti povezane standardnim AC vezama.

DC, međutim, nije utjecan frekvencijom ili fazom. HVDC interlinkovi rješavaju taj problem pretvarajući AC u frekvencijski i fazno neutralan DC, omogućujući bezprekidnu integraciju asinkronih mreža. Na odredištu, HVDC inverteri pretvaraju DC natrag u AC s potrebnom frekvencijom, omogućujući unificirani prijenos snage.

Prekidači

Prekidači su ključni u visokonaponskom prijenosu, odgovorni za deenergizaciju krugova tijekom grešaka ili održavanja. Ključni zahtjev je sposobnost gasenja luka za prekid toka struje.

• HVAC prekidači: AC struja kontinuirano mijenja smjer, stvarajući prirodne momente nula struje (50-60 puta po sekundi) koji automatski gasile luke. Ova "samogaseća" značajka pojednostavljuje dizajn HVAC prekidača, čineći ih relativno jednostavnim i ekonomičnim.

• HVDC prekidači: DC struja je jednosmjerna bez prirodnih prelaza nule. Da bi se gasili luki, specijalna kola mora umjetno generirati točke nule struje. Ova složenost čini HVDC prekidače složenijima i skupljima od njihovih AC protivnika.

Generiranje interferencije

Alternativna struja AC-a stvara stalno varirajuću magnetsku sliku, koja može inducirati interferenciju u okolnim komunikacijskim linijama. Na suprotno, stabilna magnetska slika DC-a eliminira takvu interferenciju, osiguravajući minimalnu prekidu susjednim komunikacijskim sustavima.