Milyen a különbség az HVAC és az HVDC között az áramátvitelben?

A HVAC és HVDC közötti különbség

Az erőművekben generált energia hosszú távon kerül átadásra elektromos alárendelőkhöz, amelyek majd továbbadják a fogyasztóknak. A hosszútávú áramellátás során használt feszültség rendkívül magas, és később megvizsgáljuk, miért van ez így. Ezen felül az átadott energia lehet váltakozó (AC) vagy egyirányú (DC) formában. Ezért az átadás során használhatunk HVAC (High Voltage Alternating Current) vagy HVDC (High Voltage Direct Current) technológiát.

Miért szükséges a magas feszültség az átadáshoz?

A feszültség kulcsszerepet játszik a vonalveszteségek, más néven az átadási veszteségek csökkentésében. Minden az átadáshoz használt vezetőnek bizonyos ohmi ellenállása (R) van. Amikor áram (I) áramlik ezekkel a vezetőkkel, termikus energiát generálnak, ami lényegében elveszett energia vagy teljesítmény (P).

Az Ohm-törvény szerint

Ahogy látható, a vezetőben történő átadás során elveszített energia inkább az áramtól, mint a feszültségtől függ. Azonban a speciális eszközökkel történő feszültségkonverzióval beállítható az áram mértéke.

A feszültségkonverzió során a teljesítmény megtartja önmagát és nem változik. A feszültség és az áram egyszerre fordítva változik ugyanazzal a tényezővel, a következő elv szerint:

Például, 11KW teljesítmény 220v feszültségen 50 Amps. Ilyen esetben a vezetőveszteségek lesznek

Növeljük a feszültséget 10-szeresére. Így ugyanaz a 11KW teljesítmény 2200v feszültséggel és 5 Amps. Most a vezetőveszteségek lesznek;

Ahogy látható, a feszültség növelése jelentősen csökkenti a vezetőveszteségeket. Tehát, hogy csökkentsük az áramot a vezetőkben, miközben ugyanaz a teljesítmény átadásra kerül, növeljük a feszültséget.

A Váltakozó és Egyirányú Áram Harca (AC vs. DC)

A 1880-as évek végén, a "Váltakozó és Egyirányú Áram Harca" során, az egyirányú áram (DC) volt az első, amit átadásra használtak. Azonban nagyon hatástalan volt, mert hiányzott a gyakorlati feszültségkonverziós eszközök — ellentétben a váltakozó árammal (AC), amit könnyen lehetett lépcsőzetesen növelni vagy csökkenteni transzformátorokkal. A korai, alacsony feszültségű DC erőművek csak pár mérföldre tudtak villamos energiát szolgáltatni; enélkül a feszültség drasztikusan csökkent, ami több generáló állomásra adott szükség kisebb területeken — egy költséges megoldás.

Bár a magas feszültségű DC átadás természetesen kevesebb veszteséget okoz, mint az AC, a korai DC rendszerek mercuriusszivattyúkat (rectifier) használtak a magas feszültségű AC-ből DC-be konvertálására a hosszútávú átadáshoz. Ezek a terminálberendezések nagyobbak, drágábbak és gyakori karbantartást igényeltek. Ellenben az AC átadás transzformátorokra támaszkodott — hatékonyabb, olcsóbb és megbízhatóbbak — ezért az AC lett a hosszútávú átadás domináns választása.

Amikor választani kell a magas feszültségű AC (HVAC) és a magas feszültségű DC (HVDC) között az átadáshoz, számos kritikus tényezőt kell figyelembe venni. Ez a cikk részletesen ismerteti ezeket a tényezőket.

HVAC & HVDC

A HVAC (High Voltage Alternating Current) és a HVDC (High Voltage Direct Current) olyan feszültségi tartományokat jelöl, amelyeket hosszútávú átadásra használnak. A HVDC általában a nagyon hosszú távolságokra (általában 600 km felett) preferált, bár mindkét rendszer ma világszerte széles körben használatban van, mindegyikkel saját előnyeivel és hátrányai.

Átadási költségek

A hosszútávú átadás magas feszültségeket igényel, ahol a terminálállomások kezelik a feszültségkonverziót. A teljes átadási költségek tehát két komponensre épülnek: a terminálállomások költségeire és a vezetők költségeire.

• Terminálállomások
  A terminálállomások feszültségi szinteket konvertáljanak az átadáshoz. Az AC rendszerek esetében ezt főleg transzformátorokkal végezik, amelyek váltakozóan magas és alacsony feszültségek között cserélnek. A DC rendszerek esetében a terminálállomások thyristor vagy IGBT-alapú konvertereket használnak a DC feszültségi szintek beállításához.

  Mivel a transzformátorok megbízhatóbbak és olcsóbbak, mint a rövidzárlatú konverterek, az AC terminálállomások olcsóbbak, mint a DC párjaik, ami az AC feszültségkonverziót gazdaságosabbá teszi.

• Vezetők
  A vezetők költségei függnek a vezetők számától és a vezetőtornyok dizainjától. A HVDC rendszerek csak két vezetőt igényelnek, míg a HVAC rendszerek három vagy annál többet (közvetlenül összekötött vezetőket, hogy csökkentsék a korona hatást).

  Az AC vezetőtornyok súlyosabb mechanikai terhelést képesek viselni, ami erősebb, magasabb és szélesebb szerkezeteket igényel, mint a HVDC tornyok. A vezetők költségei növekednek a távolsággal, és 100 km-enként a HVAC vezetők jelentősen drágábbak, mint a HVDC vezetők.

• Teljes átadási költségek
  A teljes költségek a terminálköltségek (fix, független a távolságtól) és a vezetők költségei (változó, növekedik a távolsággal) alapján határozzák meg. Így a teljes átadási rendszer költségei növekednek a távolsággal.

Egyenlőtlenségi távolság

Az "egyenlőtlenségi távolság" arra a hosszúságra utal, amelynél a HVAC teljes befektetési költségei meghaladják a HVDC-ket. Ez a távolság körülbelül 400–500 mérföld (600–800 km). Ennel nagyobb távolságokon a HVDC a gazdaságosabb választás, rövidebb távolságokon pedig a HVAC. Ez a kapcsolat a fenti grafikonon látható.

Flexibilitás

A HVDC általában pont-a-pont hosszútávú átadásra használják, mert a köztes pontokon történő energia kivitelezése drágább konvertereket igényel, hogy lehessen csökkenteni a magas DC feszültségeket. Ellenben a HVAC nagyobb rugalmasságot kínál: több terminálállomás használhat olcsóbb transzformátorokat a magas feszültségek csökkentésére, lehetővé téve az energia kivitelezését a vonal különböző pontjain.

Teljesítményveszteségek

A HVAC átadás során többféle veszteség jelenik meg, beleértve a korona veszteségeket, a bőrhatás veszteségeket, a sugárzás veszteségeket és a indukció veszteségeket, amelyek a HVDC rendszerekben nagyjából abszolút vagy minimalizáltak:

• Korona veszteségek: Ha a feszültség meghalad egy kritikus küszöböt, a vezetők körül lévő levegő ionizálódik, ragyogásokat (korona diszcharge) hoz létre, ami energiát veszít. Ezek a veszteségek frekvenciától függőek — mivel a DC frekvenciája nulla, a HVAC korona veszteségei körülbelül háromszor magasabbak, mint a HVDC-nél.

• Bőrhatás veszteségek: A VAC átadás során az áram sűrűsége a vezető felületén a legmagasabb, a közepén a legalacsonyabb (a "bőrhatás"), ami csökkenti a használt hatásos kerületet. Ez növeli a vezető ellenállását és erősíti az I²R veszteségeket. A DC áram, ellentétben vele, egyenletesen oszlik el a vezetőn, kiküszöbölvő e hatást.

• Sugárzás és indukció veszteségek: A HVAC alternáló mágneses mezője hosszú vezetőket antennek (sugárzandó vissza nem szerezhető energia) és indukálja az áramokat a közeli vezetőkben (indukció veszteségek). A HVDC állandó mágneses mezője elkerüli ezeket a problémákat.

A Bőrhatás

A bőrhatás, amely arányos a frekvenciával, a legtöbb VAC áramot a vezető felületén kényszeríti, a középpontot alulhasználva. Ez csökkenti a vezető hatékonyságát: a HVAC rendszerekhez, hogy nagyobb áramokat továbbíthassanak, növekedett kerületű vezetőkre van szükség, ami növeli az anyagköltségeket. A HVDC, amely a bőrhatástól mentes, hatékonyabban használja a vezetőket.

Tehát, hogy ugyanolyan áramot továbbítsa, a HVAC nagyobb kerületű vezetőket igényel, míg a HVDC kisebb kerületű vezetőkkel elérheti ezt.

Kábelek áram- és feszültségtartományai

A kábeleknek vannak maximálisan elfogadott feszültség- és áramértékei. Az AC esetében a csúcsfeszültség és -áram körülbelül 1,4-szerese az átlagos értékeknek (amelyek a tényleges átadott teljesítménynek vagy ekvivalens DC értékeknek felelnek meg). Ellenben a DC rendszereknél a csúcs- és átlagos értékek azonosak.

Azonban a HVAC vezetőknek a csúcsáram- és -feszültségre kell készülniük, ami körülbelül 30%-ot veszítenek a továbbítási kapacitásukból. Ellenben a HVDC a vezetők teljes kapacitását használja, ami azt jelenti, hogy ugyanolyan méretű vezető több teljesítményt továbbíthat a HVDC rendszerekben.

Jog a járásra

A "jog a járásra" a tranzit infrastruktúrához szükséges földterületi koridorra utal. A HVDC rendszerek szűkebb jogot a járásra igényelnek, mivel kisebb tornyokat és kevesebb vezetőt (két HVDC-hez képest három háromfázisú AC-hez) használnak. Ezen felül az AC izolátorok a tornyokon a csúcsfeszültségre is szabályozottak, ami tovább növeli a területigényt.

Ez a szűkebb koridor csökkenti az anyag, építés és földköltségeket, ami a HVDC-et a jog a járásra tekintetében jobbnak teszi.

Tengeri energiaátadás

A tengeri kábelek, amelyeket tengeri energiaátadásra használnak, párhuzamos vezetők közötti zavaró kapacitással rendelkeznek. A kapacitás reagál a feszültségváltozásokra — állandó az AC (50–60 ciklus másodpercenként) esetében, de csak a kapcsoláskor történik a DC esetében.

Az AC kábelek folyamatosan töltik és ürítenek, ami jelentős teljesítményveszteségeket okoz, mielőtt az energia a fogadó végére érne. A HVDC kábelek csak egyszer töltődnek fel, ami kiküszöböli ilyen veszteségeket. További részletekért lásd a tengeri kábel építését, jellemzőit, elhelyezését és csatlakoztatását leíró tartalmat.

A teljesítményáram irányítása

A HVAC rendszereknek nincs pontos irányítása a teljesítményáram felett, míg a HVDC kapcsolatok IGBT-alapú fémeszkapációs konvertereket használnak. Ezek a komplex konverterek, amelyek többször is váltakoznak ciklusonként, optimalizálják a teljesítményelosztást a rendszerben, javítják a harmonikus teljesítményt, és lehetővé teszik a gyors hibavédelmet és -kiürítést — előnyök, amelyeket a HVAC nem tud megfelelően biztosítani.

Aszinkron rendszerek összekapcsolása és intelligens hálózatok

Egy intelligens hálózat lehetővé teszi, hogy több generáló állomás hozzáadhasson egy unifikált hálózathoz, kis méretű hálózatokat használva nagy teljesítményű generáláshoz. Azonban több aszinkron AC hálózat (különböző frekvenciájú vagy fázisú) összekapcsolása nagyon kihívást jelent.

Aszinkron hálózatok összekapcsolása

A világ energia-hálózatai különböző frekvenciákon működnek — néhány 50 Hz, más 60 Hz. Még azzal a frekvenciával működő hálózatok is lehetnek különböző fázisban. Ezeket "aszinkron rendszereknek" nevezik, és nem lehet őket standard AC kapcsolatokkal összekapcsolni.

A DC azonban nem érintett a frekvencia vagy a fázis. A HVDC összekapcsolók megoldják ezt, az AC-t frekvencia- és fázisfüggetlen DC-re konvertálva, ami lehetővé teszi az aszinkron hálózatok zökkenőmentes integrálását. A fogadó végén a HVDC inverterek a DC-t vissza konvertálják AC-vé a szükséges frekvenciával, lehetővé téve a unifikált energiaátadást.