Wat zijn de verschillen tussen HVAC en HVDC in energieoverdracht

Verschil tussen HVAC en HVDC

Elektriciteit die in energiecentrales wordt opgewekt, wordt over grote afstanden getransporteerd naar elektriciteitsstations, die het vervolgens aan consumenten distribueren. De spanning die voor de langeafstandsenergieoverdracht wordt gebruikt, is extreem hoog, en we zullen later de redenen voor deze hoge spanning onderzoeken. Bovendien kan de getransporteerde stroom in de vorm van wisselstroom (AC) of gelijkstroom (DC) zijn. Daarom kan de energie worden getransporteerd met behulp van HVAC (High Voltage Alternating Current) of HVDC (High Voltage Direct Current).

Waarom is hoge spanning nodig voor transmissie?

Spanning speelt een cruciale rol bij het verminderen van lijnverliezen, ook bekend als transmissieverliezen. Elke elektrische geleider die voor energieoverdracht wordt gebruikt, heeft een bepaalde hoeveelheid ohmse weerstand (R). Wanneer stroom (I) door deze geleiders stroomt, produceren ze thermische energie, wat essentieel verspilde energie of vermogen (P) is.

Volgens Ohm's Wet

Zoals duidelijk is, hangt de tijdens de overdracht in een geleider verspilde energie af van de stroom en niet van de spanning. Echter, we kunnen de stroomsterkte aanpassen door middel van spanningsoverschakeling met behulp van gespecialiseerde apparatuur.

Tijdens de spanningsoverschakeling blijft het vermogen behouden en onveranderd. De spanning en de stroom variëren eenvoudigweg omgekeerd evenredig met dezelfde factor, volgens het principe:

Bijvoorbeeld, 11 kW vermogen bij een spanning van 220 V heeft 50 Amps. In zo'n geval zullen de transmissielijnverliezen zijn

Laten we de spanning verhogen met een factor 10. Dus hetzelfde vermogen van 11 kW zou een spanning van 2200 V en 5 Amps hebben. Nu zouden de lijnverliezen zijn;

Zoals u kunt zien, vermindert het verhogen van de spanning de vermogensverliezen aanzienlijk in transmissielijnen. Om de stroom in de transmissiekabels te verlagen terwijl hetzelfde vermogen wordt getransporteerd, verhogen we de spanning.

De Stroomoorlog (AC vs. DC)

In de late jaren 1880, tijdens de zogenaamde "Stroomoorlog", werd gelijkstroom (DC) als eerste ingezet voor energieoverdracht. Echter, het werd als zeer inefficiënt beschouwd vanwege het ontbreken van praktische spanningsoverschakelapparatuur - in tegenstelling tot wisselstroom (AC), die gemakkelijk kon worden opgevoerd of gereduceerd met behulp van transformatoren. Vroege lage-spanningsgelijkstroomkrachtcentrales konden slechts elektriciteit leveren binnen een straal van enkele kilometers; daarbuiten daalde de spanning drastisch, waardoor meerdere genererende stations in kleine gebieden nodig waren - een kostbare benadering.

Hoewel hoogspanningsgelijkstroomoverdracht inherent minder verliezen veroorzaakt dan AC, vertrouwden vroege DC-systemen op kwikboogventielen (rectifiers) om hoge-spanningswisselstroom om te zetten in gelijkstroom voor langeafstands-overdracht. Deze terminale apparaten waren omvangrijk, duur en vereisten frequente onderhoud. Intussen was AC-overdracht afhankelijk van transformatoren - efficiënter, betaalbaarder en betrouwbaarder - waardoor AC de dominante keuze voor langeafstands-energieoverdracht op dat moment werd.

Bij het kiezen tussen high-voltage AC (HVAC) en high-voltage DC (HVDC) voor overdracht moeten verschillende cruciale factoren worden meegewogen. Dit artikel verkent deze factoren in detail.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) en HVDC (High Voltage Direct Current) verwijzen naar spanningsbereiken die worden gebruikt voor langeafstands-energieoverdracht. HVDC wordt doorgaans voor ultra-lange afstanden (meestal meer dan 600 km) verkozen, hoewel beide systemen wereldwijd vandaag de dag breed worden toegepast, elk met hun eigen voordelen en nadelen.

Transmissiekosten

Langeafstands-energieoverdracht vereist hoge spanningen, met energie die wordt overgebracht tussen terminalstations die zich bezighouden met spanningsoverschakeling. De totale transmissiekosten hangen dus af van twee componenten: terminalstationkosten en transmissielijnkosten.

• Terminalstations
  Terminalstations zorgen voor het omzetten van spanningniveaus voor overdracht. Voor AC-systemen wordt dit voornamelijk gedaan met behulp van transformatoren, die schakelen tussen hoge en lage spanningen. Voor DC-systemen gebruiken terminalstations thyristor- of IGBT-gebaseerde converters om DC-spanningsniveaus aan te passen.

  Aangezien transformatoren betrouwbaarder en goedkoper zijn dan vaste-staatsconverters, zijn AC-terminalstations goedkoper dan hun DC-tellen, waardoor AC-spanningsconversie economischer is.

• Transmissielijnen
  Lijnkosten hangen af van het aantal geleiders en het ontwerp van transmissietorens. HVDC-systemen vereisen slechts twee geleiders, terwijl HVAC-systemen drie of meer nodig hebben (inclusief gebundelde geleiders om corona-effecten te minimaliseren).

  AC-transmissietorens moeten zwaardere mechanische belastingen dragen, waardoor sterker, hoger en breder gestructureerde constructies nodig zijn vergeleken met HVDC-torens. Lijnkosten nemen toe met de afstand, en per 100 km zijn HVAC-lijnen aanzienlijk duurder dan HVDC-lijnen.

• Totale Transmissiekosten
  Totale kosten worden bepaald door terminalkosten (vast, onafhankelijk van de afstand) en lijnkosten (variabel, neemt toe met de afstand). Daarom neemt de totale kosten van een transmissiesysteem toe naarmate de afstand toeneemt.

Break-even Afstand

De "break-even afstand" verwijst naar de transmissielengte waarbij de totale investeringskosten van HVAC die van HVDC overstijgen. Deze afstand ligt ongeveer tussen 400-500 mijl (600-800 km). Voor afstanden die deze grens overschrijden, is HVDC de kosteneffectievere keuze; voor kortere afstanden is HVAC economischer. Deze relatie wordt visueel geïllustreerd in de grafiek hierboven.

Flexibiliteit

HVDC wordt doorgaans gebruikt voor punt-naar-punt langeafstands-overdracht, aangezien het aftappen van energie op tussenliggende punten duurdere converters zou vereisen om hoge DC-spanningen te verlagen. Daarentegen biedt HVAC grotere flexibiliteit: meerdere terminalstations kunnen gebruik maken van goedkope transformatoren om hoge spanningen te verlagen, waardoor energie kan worden afgetapt op verschillende punten langs de lijn.

Vermogensverliezen

HVAC-overdracht kent verschillende soorten verliezen, waaronder corona-verliezen, skin effect-verliezen, stralingsverliezen en induktie-verliezen, die grotendeels afwezig of geminimaliseerd zijn in HVDC-systemen:

• Corona-verliezen: Wanneer de spanning een kritische drempel overschrijdt, ioniseert de lucht rond de geleiders, waardoor vonken (corona-ontlading) ontstaan die energie verspillen. Deze verliezen zijn frequentie-afhankelijk - aangezien DC geen frequentie heeft, zijn HVAC-corona-verliezen ongeveer drie keer hoger dan die in HVDC.

• Skin effect-verliezen: Bij AC-overdracht is de stroomdichtheid het hoogst aan de oppervlakte van de geleider en het laagst in het kern (het "skin effect"), wat de effectieve doorsnede die voor stroom wordt gebruikt vermindert. Dit verhoogt de geleiderweerstand en versterkt I²R-verliezen. DC-stroom, daarentegen, verdeelt zich uniform over de geleider, waardoor dit effect wordt geëlimineerd.

• Stralings- en induktieverliezen: Het wisselende magnetische veld van HVAC zorgt ervoor dat lange transmissielijnen fungeren als antennes (stralen onherstelbare energie) en stroom in nabijgelegen geleiders induceren (induktieverliezen). Het constante magnetische veld van HVDC vermijdt beide problemen.

Het Skin Effect

Het skin effect, direct evenredig met de frequentie, dwingt de meeste AC-stroom om dicht bij de oppervlakte van de geleider te stromen, waardoor de kern onderbenut blijft. Dit vermindert de efficiëntie van de geleider: om grotere stromen te dragen, vereisen HVAC-systemen geleiders met een vergroot doorsnedeoppervlak, wat de materiaalkosten verhoogt. HVDC, onaangetast door het skin effect, gebruikt geleiders efficiënter.

Dus om dezelfde stroom te dragen, vereist HVAC geleiders met een grotere diameter, terwijl HVDC dit kan bereiken met kleinere diameter geleiders.

Kabelstroom en Spanningsklasseringen

Kabels hebben maximale toelaatbare spanning- en stroomklasseringen. Voor AC zijn de piekspanning en -stroom ongeveer 1,4 keer hoger dan hun gemiddelde waarden (die overeenkomen met het daadwerkelijk afgeleverde vermogen of equivalent DC-waarden). Daarentegen hebben DC-systemen identieke piek- en gemiddelde waarden.

Echter, HVAC-geleiders moeten gerateerd zijn voor piekstroom en -spanning, waardoor ongeveer 30% van hun capaciteit wordt verspild. Daarentegen maakt HVDC gebruik van de volledige capaciteit van geleiders, wat betekent dat een geleider van dezelfde grootte meer vermogen kan transporteren in HVDC-systemen.

Right-of-Way

"Right-of-way" verwijst naar het landcorridor dat nodig is voor transmissie-infrastructuur. HVDC-systemen hebben een smaller right-of-way vanwege kleinere torens en minder geleiders (twee voor DC versus drie voor driefase AC). Bovendien moeten AC-isolatoren op torens gerateerd zijn voor piekspanningen, wat hun voetafdruk nog verder vergroot.

Deze smallere corridor vermindert materiaal-, bouw- en grondkosten, waardoor HVDC superieur is qua right-of-way-efficiëntie.

Onderwater Energieoverdracht

Onderwaterekabels die worden gebruikt voor offshore energieoverdracht hebben verdwaalde capaciteit tussen parallelle geleiders. Capaciteit reageert op spanningveranderingen - constant in AC (50-60 cycli per seconde) maar alleen optredend tijdens schakeling in DC.

AC-kabels laden en ontladen continu, wat aanzienlijke vermogensverliezen veroorzaakt voordat energie aan de ontvangende kant wordt afgeleverd. HVDC-kabels, slechts éénmaal geladen, elimineren dergelijke verliezen. Voor meer details, verwijzen wij naar inhoud over de constructie, kenmerken, legging en verbindingen van onderwaterekabels.

Controleerbaarheid van Stroomverloop

HVAC-systemen missen precieze controle over stroomverloop, terwijl HVDC-verbindingen gebruik maken van IGBT-gebaseerde halfgeleiderconverters. Deze complexe convertors, die meerdere keren per cyclus kunnen worden geschakeld, optimaliseren de vermogensverdeling in het systeem, verbeteren de harmonische prestaties en maken snelle foutbescherming en -opruiming mogelijk - voordelen die HVAC niet kan evenaren.

Verbinding van Asynchrone Systemen en Slimme Netwerken

Een slim netwerk stelt meerdere productiestations in staat om in te voeden in een geünificeerd netwerk, waarbij gebruik wordt gemaakt van kleine schaalnetwerken voor hoge vermogensproductie. Echter, het verbinden van meerdere asynchrone AC-netwerken (met verschillende frequenties of fasen) is zeer uitdagend.

Verbinding van Asynchrone Netwerken

Elektriciteitsnetwerken wereldwijd werken op verschillende frequenties - sommige op 50 Hz, anderen op 60 Hz. Zelfs netwerken met dezelfde frequentie kunnen uit fase zijn. Deze worden geclassificeerd als "asynchrone systemen" en kunnen niet via standaard AC-verbindingen worden verbonden.

DC echter, wordt niet beïnvloed door frequentie of fase. HVDC-interconnecties lossen dit op door AC om te zetten in frequentie- en fase-onafhankelijke DC, waardoor de naadloze integratie van asynchrone netwerken mogelijk wordt. Aan de ontvangende kant zetten HVDC-inverters de DC terug om in AC met de vereiste frequentie, waardoor geünificeerde energieoverdracht mogelijk wordt.

Schakelaars

Schakelaars zijn cruciaal in hoge-spannings-overdracht, verantwoordelijk voor het de-energizeren van circuits tijdens storingen of onderhoud. Een belangrijke eis is de boogdoofmakende capaciteit om de stroomtoevoer te onderbreken.

• HVAC Schakelaars: AC-stroom verandert continu van richting, creërend natuurlijke nullen-momenten (50-60 keer per seconde) die boogautomatisch doven. Dit "zelf-dovende" kenmerk vereenvoudigt het ontwerp van HVAC-schakelaars, waardoor ze relatief eenvoudig en kosteneffectief zijn.

• HVDC Schakelaars: DC-stroom is unidirectioneel zonder natuurlijke nulpunten. Om bogen te doven, moet gespecialiseerde schakeling kunstmatig nulpunten genereren. Deze complexiteit maakt HVDC-schakelaars ingewikkelder en duurder dan hun AC-tellen.

Interferentie Generatie

AC's wisselstroom produceert een constant variërend magnetisch veld, wat interferentie kan veroorzaken in nabijgelegen communicatielijnen. Daarentegen elimineert DC's constante magnetisch veld dergelijke interferentie, waardoor minimale verstoring van aangrenzende communicatiesystemen wordt gegarandeerd.