Kādas ir atšķirības starp HVAC un HVDC enerģijas pārraideņos

Atšķirība starp HVAC un HVDC

Elektrība, kas ražota elektrumu ieguves stacijās, tiek pārsūtīta garām attālumām līdz elektrostacijām, kur tā tiek sadalīta patērētājiem. Ūdenskrituma gads ir ļoti augsts, un vēlāk mēs apskatīsim iemeslus šim augstajam ūdenskritumam. Papildus tam, pārsūtītā enerģija var būt gan maiņstrāve (AC), gan vienmērīgā strāva (DC). Tādējādi enerģiju var pārsūtīt, izmantojot gan HVAC (High Voltage Alternating Current), gan HVDC (High Voltage Direct Current).

Kāpēc Augstais Ūdenskritums Ir Necessārs Pārsūtīšanai?

Ūdenskritums spēlē nozīmīgu lomu, samazinot līnijas zaudējumus, ko arī sauc par pārsūtīšanas zaudējumiem. Katrs elektriskais vednis, kas tiek izmantots pārsūtīšanai, ir ar noteiktu ohma reižu (R) daudzumu. Kad caur šiem vedņiem plūst strāva (I), tie veido termisko enerģiju, kas ir esentielā ziņā zaudētā enerģija vai jauda (P).

Saskaņā ar Ohma likumu

Kā redzams, enerģija, kas tiek zaudēta vednī pārsūtīšanas laikā, atkarīga no strāvas, nevis no ūdenskrituma. Tomēr, mēs varam pielāgot strāvas lielumu, izmantojot speciālu aprīkojumu ūdenskrituma pārveidošanai.

Pārveidojot ūdenskritumu, jauda paliek saglabāta un nemainīga. Ūdenskritums un strāva vienkārši mainās inversi ar to pašu koeficientu, saskaņā ar principu:

Piemēram, 11 kW jauda ar 220 V ūdenskritumu satur 50 Amperes. Šādā gadījumā, pārsūtīšanas līnijas zaudējumi būs

Palielināsim ūdenskritumu desmitreiz. Tātad, tāda paša 11 kW jauda būs ar 2200 V un 5 Amperes. Tagad līnijas zaudējumi būs;

Kā redzams, ūdenskrituma palielināšana būtiski samazina jaudas zaudējumus pārsūtīšanas līnijās. Lai samazinātu strāvu pārsūtīšanas kabeļos, saglabājot to pašu jaudas pārsūtīšanu, mēs palielinām ūdenskritumu.

Strāves Karš (AC vs. DC)

Apgāžu 1880. gados, laikā, ko sauc par "Strāves karu", vienmērīgā strāva (DC) tika vispirms izmantota pārsūtīšanai. Tomēr, tā tika uzskatīta par ļoti nedarbīgu, tāpēc ka praktiska ūdenskrituma pārveidošanas aprīkojuma bija trūkums - salīdzinājumā ar maiņstrāvi (AC), kas viegli varēja tikt paaugstināts vai pazemināts, izmantojot transformatorus. Agrīnie zema ūdenskrituma DC elektrostacijas varēja nodrošināt enerģiju tikai aptuveni divu jūdzes rādiusā; pāri šim attālumam ūdenskritums dramatiski pazeminājās, nepieciešami daudzi enerģijas ražošanas stacijas mazos apgabalos - dārgs pieejas veids.

Lai arī augsta ūdenskrituma DC pārsūtīšana būtiski mazāk zaudē enerģiju nekā AC, agrīnie DC sistēmas būvējās uz mercūra loksvalvīdām (rectifiers), lai pārvērstu augstu ūdenskrituma AC uz DC ilgstošas attālumu pārsūtīšanai. Šie terminālie ierīces bija smagi, dārgi un prasīja biežu uzturēšanu. Salīdzinājumā ar AC pārsūtīšanu, kas atkarīga no transformatoriem - efektīvāka, labāk izmaksājama un uzticība - AC kļuva par dominējošo izvēli ilgstošu attālumu pārsūtīšanai tajā laikā.

Izvēloties starp augsta ūdenskrituma AC (HVAC) un augsta ūdenskrituma DC (HVDC) pārsūtīšanu, jāņem vērā vairāki kritiski faktori. Šis raksts šos faktorus detalizēti apskata.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) un HVDC (High Voltage Direct Current) atsaucas uz ūdenskrituma diapazonu, kas tiek izmantots ilgstošu attālumu pārsūtīšanai. HVDC parasti tiek izvēlēts ultra-ilgajiem attālumiem (parasti virs 600 km), tomēr abas sistēmas šodien tiek plaši izmantotas visā pasaulē, katrai savas priekšrocības un trūkumi.

Pārsūtīšanas Izmaksas

Ilgstošu attālumu pārsūtīšanai nepieciešams augsts ūdenskritums, ar enerģiju, kas tiek pārsūtīta starp terminālajām stacijām, kas apstrādā ūdenskrituma pārveidošanu. Kopējie pārsūtīšanas izdevumi atkarīgi no diviem komponentiem: terminālo staciju izmaksām un pārsūtīšanas līniju izmaksām.

• Terminālās Stacijas
  Terminālās stacijas pārveido ūdenskrituma līmeņus pārsūtīšanai. AC sistēmām, tas galvenokārt notiek, izmantojot transformatorus, kas pārveido augstu un zemu ūdenskritumu. DC sistēmām, terminālās stacijas izmanto thyristor- vai IGBT balstītus pārveidotājus, lai pielāgotu DC ūdenskrituma līmeņus.

  Tā kā transformatoru ir uzticīgāki un lētāki nekā solid-state pārveidotāji, AC terminālās stacijas ir lētākas nekā to DC kolēģi, padarot AC ūdenskrituma pārveidošanu ekonomiskāku.

• Pārsūtīšanas Līnijas
  Līnijas izmaksas atkarīgas no vedņu skaita un pārsūtīšanas torniņu dizaina. HVDC sistēmām nepieciešami tikai divi vedņi, kamēr HVAC sistēmām ir nepieciešami trīs vai vairāk (tostarp bundlētie vedņi, lai samazinātu koronas efektu).

  AC pārsūtīšanas torniņi ir jāatbalsta smagākiem mehāniskiem slodzeņiem, kas prasa stiprākus, augstākus un plašākus konstrukcijas salīdzinājumā ar HVDC torniņiem. Līnijas izmaksas pieaug ar attālumu, un katru 100 km, HVAC līnijas ir būtiski dārgākas nekā HVDC līnijas.

• Kopējie Pārsūtīšanas Izdevumi
  Kopējie izdevumi tiek noteikti terminālo staciju izmaksām (fiksētas, neatkarīgas no attāluma) un līniju izmaksām (mainīgas, pieaugošas ar attālumu). Tātad, kopējie pārsūtīšanas sistēmas izdevumi pieaug ar attālumu.

Līdzsvara Attālums

"Līdzsvara attālums" atsaucas uz pārsūtīšanas garumu, pārsniedzot, kuru HVAC kopējie investīciju izdevumi pārsniedz HVDC. Šis attālums ir aptuveni 400–500 jūdzes (600–800 km). Garākos attālumos par šo slodzi, HVDC ir ekonomiskāka izvēle; īsākos attālumos, HVAC ir ekonomiskāks. Šī attiecība vizuāli attēlota diagrammā augšā.

Flexibilitāte

HVDC parasti tiek izmantots punktām starp punktām ilgstošu attālumu pārsūtīšanai, jo enerģijas izvade vidējos punktos prasītu dārgus pārveidotājus, lai samazinātu augstu DC ūdenskritumu. Salīdzinājumā ar to, HVAC piedāvā lielāku flexibilitāti: vairākas terminālās stacijas var izmantot lētus transformatorus, lai samazinātu augstu ūdenskritumu, ļaujot enerģijas izvadi dažādos punktos pa ceļu.

Jaudas Zaudējumi

HVAC pārsūtīšana radī dažādas zaudējumu veidus, tostarp koronas zaudējumus, audzēšanas efekta zaudējumus, radiācijas zaudējumus un indukcijas zaudējumus, kas lielā mērā nav vai ir minimizēti HVDC sistēmās:

• Koronas Zaudējumi: Kad ūdenskritums pārsniedz kritisko slodzi, gaismā apkārt vedņiem ionizējas, izveidojot sprakas (koronas izplūdi), kas zaudē enerģiju. Šie zaudējumi ir frekvences atkarīgi - tā kā DC frekvence ir nulle, HVAC koronas zaudējumi ir aptuveni trīs reizes lielāki nekā HVDC.

• Audzēšanas Efekta Zaudējumi: AC pārsūtīšanā strāvas blīvums ir augstākais vedņa virsma un zemākais kodols (audzēšanas efekts), samazinot efektīvo šķautnes sekciju, kas tiek izmantota strāvas plūsmai. Tas palielina vedņa reižus un palielina I²R zaudējumus. DC strāva, salīdzinājumā ar to, izplatās vienmērīgi caur vedni, izbeidzot šo efektu.

• Radiācijas un Indukcijas Zaudējumi: HVAC mainīgais magnētiskais lauks rada ilgus pārsūtīšanas līnijas, kas darbojas kā antenas (radiējot neatzūdojamu enerģiju) un izraisa strāvas blīvumu blakusvedņos (indukcijas zaudējumi). HVDC pastāvīgais magnētiskais lauks izvairās no abiem šiem jautājumiem.

Audzēšanas Efekts

Audzēšanas efekts, kas tieši proporcionāls frekvencei, piespiež lielāko daļu AC strāvas plūst virsma vedņa, atstājot kodolu nepietiekami izmantotu. Tas samazina vedņa efektivitāti: lai pārsūtītu lielākas strāvas, HVAC sistēmām ir nepieciešami vedņi ar palielinātu šķautnes sekciju, kas palielina materiālu izmaksas. HVDC, kas nav ietekmēts audzēšanas efektu, izmanto vedņus efektīvāk.

Tātad, lai pārsūtītu to pašu strāvu, HVAC nepieciešami vedņi ar lielāku diametru, kamēr HVDC to var sasniegt ar mazāku diametru vedņiem.

Kabeļu Strāvas un Ūdenskrituma Reitingi

Kabeļi ir ar maksimāli pieņemamiem ūdenskrituma un strāvas reitingiem. AC gadījumā, šķīdinājuma ūdenskritums un strāva ir aptuveni 1.4 reizes lielāks nekā to vidējie vērtības (kas atbilst faktiski piegādātajai jaudai vai ekvivalentajai DC vērtībai). Salīdzinājumā ar to, DC sistēmas ir identiskas šķīdinājuma un vidējā vērtība.

Tomēr, HVAC vedņi ir jāreitē šķīdinājuma strāvai un ūdenskritumam, zaudējot aptuveni 30% no to nosūtīšanas kapacitātes. Salīdzinājumā ar to, HVDC izmanto pilnu kapacitāti, nozīmējot, ka tāds pašs izmērs vednis var pārsūtīt vairāk jaudas HVDC sistēmās.

Ceļa Tiesības

"Ceļa tiesības" atsaucas uz zemes koridoru, kas nepieciešams pārsūtīšanas infrastruktūrai. HVDC sistēmas ir ar īsāku ceļa tiesību, tāpēc ka mazāki torni un mazāk vedņu (divi DC pret trīs trīsfāzes AC). Papildus tam, AC izolatori tornos ir jāreitē šķīdinājuma ūdenskritumiem, turklāt palielinot tos izmērus.

Šis īsākais koridors samazina materiālu, būvniecības un zemes izmaksas, padarot HVDC labāku ceļa tiesību efektivitātes ziņā.

Submarīna Enerģijas Pārsūtīšana

Submarīnas kabeles, kas tiek izmantotas okeāna enerģijas pārsūtīšanai, ir ar nomākošo kapacitāti starp paralēliem vedņiem. Kapacitāte reaģē uz ūdenskrituma maiņām - konstanta AC (50–60 cikli sekundē), bet tikai notiek pārslēgšanās DC.

AC kabeles nepārtraukti uzlādē un atlādē, radot būtiskus jaudas zaudējumus pirms piegādes galā. HVDC kabeles, kas tiek uzlādētas tikai vienu reizi, izbeidz šādus zaudējumus. Par vairāk informāciju, lūdzu, atsaucieties uz submarīna kabeļu konstrukcijas, raksturojumu, uzlikšanu un savienojumu saturu.

Jaudas Plūsmas Uzraudzība

HVAC sistēmas trūkst precīzas kontroles pār jaudas plūsmu, salīdzinājumā ar HVDC saiti, kas izmanto IGBT balstītus poluprovadītāju pārveidotājus. Šie sarežģītie pārveidotāji, kas var tikt pārslēgti vairākas reizes katrā ciklā, optimizē jaudas sadalījumu sistēmā, uzlabo harmoniskās veiktspējas un ļauj ātru kļūdu aizsardzību un novēršanu - priekšrocības, ko HVAC nevar sasniedzēt.

Asinhronu Sistēmu Savienošana un Smart Grids

Smart grid ļauj vairākām enerģijas ražošanas stacijām pievienoties vienotajam tīklam, izmantojot mazmērogu tīklus liela jaudas ražošanai. Tomēr, savienojot vairākas asinhronas AC tīklus (ar atšķirīgām frekvencēm vai fāzēm) ir ļoti grūti.

Asinhronu Tīklu Savienošana

Enerģijas tīkli visā pasaulē darbojas ar dažādām frekvencēm - daži ar 50 Hz, citi ar 60 Hz. Pat tīkli ar to pašu frekvenci var būt nesaskaņā fāzē. Tie tiek klasificēti kā "asinhronas sistēmas" un nevar tikt savienoti ar standarta AC saiti.

DC, salīdzinājumā ar to, nav ietekmēts frekvenci vai fāzi. HVDC savienojumi risina šo problēmu, pārveidojot AC uz frekvences un fāzes neatkarīgu DC, ļaujot bezproblēmu integrāciju asinhronajiem tīkliem. Pie saņemšanas beigu, HVDC invertori pārveido DC atpakaļ uz AC ar nepieciešamo frekvenci, ļaujot vienotu jaudas pārsūtīšanu.

Dzelzceļa Apgriezniece

Dzelzceļa apgrieznieces ir kritiskas augstā ūdenskrituma pārsūtīšanā, atbildīgas par līniju deenergošanu laikā kļūdām vai uzturēšanai. Galvenais prasība ir loka iznīcināšanas spēja, lai pārtrauktu jaudas plūsmu.

• HVAC Dzelzceļa Apgrieznieces: AC strāva nepārtraukti maina virzienus, izveidojot dabiskus nulles strāvas momentus (50–60 reizes sekundē), kas automātiski iznīcina lokus. Šis "sevi iznīcināšanas" īpašums vienkāršo HVAC apgrieznieču dizainu, padarot tos relatīvi vienkāršus un ekonomiskus.

• HVDC Dzelzceļa Apgrieznieces: DC strāva ir vienvirziena, bez dabiskiem nulles momentiem. Lai iznīcinātu lokus, ir nepieciešama specializēta shēma, lai izveidotu nulles strāvas punktus. Šī sarežģītība padara HVDC apgrieznieces sarežģītākas un dārgākas nekā to AC kolēģi.

Interferenču Veidošana

AC mainīgā strāva veido nemainīgu magnētisko lauku, kas var izraisīt interferenci tuvākajās komunikācijas līnijās. Salīdzinājumā ar to, DC nemainīgais magnētiskais lauks izbeidz šādu interferenci, nodrošinot minimālu traucējumu blakus esošajām komunikācijas sistēmām.