Hva er forskjellene mellom HVAC og HVDC i kraftoverføring?

Forskjellen mellom HVAC og HVDC

Elektrisitet som produseres i kraftverk overføres over lange avstander til elektriske understasjoner, som deretter distribuerer den til forbrukere. Spenningsnivået som brukes for langdistanseoverføring er ekstremt høyt, og vi vil senere utforske grunnene til dette høye spenningnivået. I tillegg kan den overførte effekten være i form av vekselstrøm (AC) eller likestrøm (DC). Derfor kan effekten overføres ved hjelp av enten HVAC (High Voltage Alternating Current) eller HVDC (High Voltage Direct Current).

Hvorfor er høy spenning nødvendig for overføring?

Spenning har en viktig rolle i reduksjon av linjetap, også kjent som overførings tap. Hver elektrisk ledere som brukes for effektoverføring, har en viss mengde ohmsk motstand (R). Når strøm (I) flyter gjennom disse lederne, genererer de termisk energi, som i praksis er forbrukt energi eller effekt (P).

Ifølge Ohms lov

Som det er tydelig, avhenger den spilte energien i en leder under overføring av strømmen snarere enn spenningen. Imidlertid kan vi justere strømmens størrelse gjennom spenningskonvertering ved hjelp av spesialisert utstyr.

Under spenningskonvertering forbli effekten bevart og uendret. Spenningen og strømmen varierer bare invers proporsjonalt med samme faktor, etter prinsippet:

For eksempel, 11 kW effekt ved en spenning på 220 V har 50 A. I slik en situasjon, vil linjetapene være

La oss øke spenningen med en faktor på 10. Så samme effekt på 11 kW ville ha en spenning på 2200 V & 5 A. Nå ville linjetapene være;

Som du ser, reduserer økningen av spenningen tapene betydelig i overføringslinjer. For å redusere strømmen i overføringskabler mens man beholder samme mængde effekt, øker vi spenningen.

Strømkonflikten (AC vs. DC)

I slutten av 1880-tallet, under den såkalte "Strømkonflikten", ble likestrøm (DC) først innført for effektoverføring. Imidlertid ble det ansett som svært ineffektivt på grunn av mangelen på praktisk spenningskonverteringsutstyr – ulikt vekselstrøm (AC), som lett kunne steges opp eller ned ved hjelp av transformatorer. Tidlige lavspennings DC-kraftstasjoner kunne kun levere elektrisitet innenfor et radius av noen få mil; utenfor dette falt spenningen drastisk, noe som krevede flere genererende stasjoner i små områder – en kostbar tilnærming.

Selv om høyspenning DC-overføring i seg selv innebærer lavere tap enn AC, ble tidlige DC-systemer avhengige av kvikksølv bueventiler (rektifiser) for å konvertere høyspenning AC til DC for langdistanseoverføring. Disse terminalenhetene var store, dyre og krevede hyppig vedlikehold. I motsetning til dette, var AC-overføring avhengig av transformatorer – mer effektive, rimelige og pålitelige – noe som gjorde AC til den dominerende valget for langdistanseeffektoverføring på den tiden.

Når det gjelder valg mellom høyspenning AC (HVAC) og høyspenning DC (HVDC) for overføring, må flere kritiske faktorer vurderes. Denne artikkelen utforsker disse faktorene i detalj.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) og HVDC (High Voltage Direct Current) refererer til spenningsområder som brukes for langdistanseeffektoverføring. HVDC foretrekkes typisk for ultralange avstander (vanligvis over 600 km), men begge systemene er vidt brukte verden over i dag, hver med sine egne fordeler og ulemper.

Overføringskostnader

Langdistanseeffektoverføring krever høye spenninger, med effekt overført mellom terminalstasjoner som håndterer spenningskonvertering. Totale overføringskostnader avhenger derfor av to komponenter: terminalstasjonskostnader og overføringslinjekostnader.

• Terminalstasjoner
  Terminalstasjoner konverterer spenningsnivåer for overføring. For AC-systemer gjøres dette hovedsakelig ved hjelp av transformatorer, som skifter mellom høy og lav spenning. For DC-systemer bruker terminalstasjoner thyristor- eller IGBT-baserte konvertere for å justere DC-spenningsnivåer.

  Siden transformatorer er mer pålitelige og billigere enn fasttilstands-konvertere, er AC-terminalstasjoner mindre kostbare enn deres DC-motsvaringer, noe som gjør AC-spenningskonvertering mer økonomisk.

• Overføringslinjer
  Linjekostnader avhenger av antall lederer og design av overførings tårn. HVDC-systemer trenger bare to lederer, mens HVAC-systemer trenger tre eller flere (inkludert bundlete lederer for å redusere korona-effekter).

  AC-overførings tårn må støtte tyngre mekaniske laster, noe som krever sterke, høyere og bredere strukturer sammenlignet med HVDC-tårn. Linjekostnader øker med avstand, og per 100 km er HVAC-linjer betydelig dyrere enn HVDC-linjer.

• Total overføringskostnad
  Totale kostnader bestemmes av terminalkostnader (fast, uavhengig av avstand) og linjekostnader (variabel, økende med avstand). Dermed øker den totale kostnaden for et overføringsystem når avstanden øker.

Break-even avstand

"Break-even avstand" refererer til overføringslengden der den totale investeringskostnaden for HVAC overstiger den for HVDC. Denne avstanden er omtrent 400–500 miles (600–800 km). For avstander lenger enn denne terskelen er HVDC den mer kostnadseffektive valget; for kortere avstander er HVAC mer økonomisk. Dette forholdet vises grafisk ovenfor.

Flexibilitet

HVDC brukes typisk for punkt-til-punkt langdistanseoverføring, da tapping av effekt ved mellomliggende punkter krever dyre konvertere for å stegge ned høye DC-spenninger. I motsetning til dette gir HVAC større fleksibilitet: flere terminalstasjoner kan benytte lavkostnads-transformatorer for å stegge ned høye spenninger, noe som muliggjør effektutvinning ved forskjellige punkter langs linjen.

Effektetap

HVAC-overføring fører til flere typer tap, inkludert korona-tap, hud-effekt-tap, strålingstap og induksjonstap, som i stor grad er fraværende eller minsket i HVDC-systemer:

• Korona-tap: Når spenningen overstiger en kritisk terskel, ioniseres luften rundt lederne, som skaper gnister (korona-avledning) som spiller vekk energi. Disse tapene er frekvensavhengige – siden DC har null frekvens, er HVAC-korona-tap omtrent tre ganger høyere enn de i HVDC.

• Hud-effekt-tap: I AC-overføring er strømtettheten høyest på lederoverflaten og lavest i kjernen (den "hud-effekten"), noe som reduserer den effektive tverrsnittsarealet som brukes for strømflyt. Dette øker ledermotstanden og forsterker I²R-tap. DC-strøm, imidlertid, fordeler seg jevnt over lederen, eliminering denne effekten.

• Strålingstap og induksjonstap: HVACs alternerende magnetfelt får lange overføringslinjer til å fungere som antenner (som stråler irreversibel energi) og induserer strøm i nærliggende lederer (induksjonstap). HVDCs stabil magnetfelt unngår begge disse problemene.

Hud-effekten

Hud-effekten, direkte proporsjonal med frekvens, tvinger mesteparten av AC-strømmen til å flyte nær lederoverflaten, igjen la kjernen ubrukt. Dette reduserer lederens effektivitet: for å føre større strøm, krever HVAC-systemer lederer med økt tverrsnittsareal, noe som driver opp materialekostnader. HVDC, som ikke påvirkes av hud-effekten, bruker lederer mer effektivt.

Dermed krever HVAC lederer med større diameter for å føre samme strøm, mens HVDC kan oppnå dette med mindre diameter lederer.

Kablestrøm og -spenningsklasser

Kabler har maksimal tolerabel spenning og strøm. For AC er toppspenning og -strøm omtrent 1,4 ganger høyere enn deres gjennomsnittlige verdier (som svarer til den faktiske leverte effekten eller ekvivalente DC-verdier). I motsetning til dette har DC-systemer identiske topp- og gjennomsnittsverdier.

Imidlertid må HVAC-ledere være klassifisert for toppstrøm og -spenning, noe som spiller vekk omtrent 30% av deres transportkapasitet. I motsetning til dette bruker HVDC full kapasitet av lederer, noe som betyr at en leder av samme størrelse kan overføre mer effekt i HVDC-systemer.

Rettigheter til areal

"Rettigheter til areal" refererer til landkorridoren som kreves for overføringsinfrastruktur. HVDC-systemer har en smal korridor på grunn av mindre tårn og færre lederer (to for DC mot tre for tre-fase AC). I tillegg må AC-isolatoren på tårnene være klassifisert for toppspenninger, noe som øker deres fotavtrykk ytterligere.

Den smalere korridoren reduserer materialer, konstruksjon og landkostnader, noe som gjør HVDC superiør i forhold til effektivitet av rettigheter til areal.

Submarin effektoverføring

Submarine kabler som brukes for havbasert effektoverføring har strømførende kapasitans mellom parallelle lederer. Kapasitansen reagerer på spenningsendringer – konstant i AC (50–60 sykluser per sekund), men forekommer bare ved skift i DC.

AC-kabler lader og lader kontinuerlig, noe som fører til betydelige effektetap før effekten leveres til mottakerenden. HVDC-kabler, som lades bare en gang, eliminerer slike tap. For mer detaljer, se innhold om submarine kabelkonstruksjon, egenskaper, legging og forbindelser.

Kontroll over effektstrøm

HVAC-systemer mangler nøyaktig kontroll over effektstrøm, mens HVDC-lenker bruker IGBT-baserte halvlederkonvertere. Disse komplekse konvertere, som kan skifte flere ganger per syklus, optimaliserer effektfordelingen i systemet, forbedrer harmonisk ytelse og muliggjør rask feilbeskyttelse og -rydding – fordele som ikke er matchet av HVAC.

Tilkobling av asynkrone systemer og smarte nettverk

Et smart nettverk tillater at flere produksjonsstasjoner matte inn i et forenet nettverk, utnyttende små nettverk for høyeffektproduksjon. Imidlertid er tilkoblingen av flere asynkrone AC-nettverk (med ulike frekvenser eller fasen) høyst utfordrende.

Tilkobling av asynkrone nettverk

Effektnettverk verden over opererer med ulike frekvenser – noen på 50 Hz, andre på 60 Hz. Selv nettverk med samme frekvens kan være ute av fase. Disse klassifiseres som "asynkrone systemer" og kan ikke kobles sammen via standard AC-lenker.

DC, imidlertid, er ikke påvirket av frekvens eller fase. HVDC-lenker løser dette ved å konvertere AC til frekvens- og fase-uavhengig DC, noe som muliggjør naiv integrasjon av asynkrone nettverk. På mottakerenden konverterer HVDC-invertere DC tilbake til AC med den nødvendige frekvensen, noe som muliggjør enhetlig effektoverføring.

Sirkuitbrytere

Sirkuitbrytere er viktige i høyspenningsoverføring, ansvarlige for å deaktivere kretser under feil eller ved vedlikehold. Et nøkkelkrav er evnen til å slukke bue for å avbryte effektstrøm.

• HVAC-sirkuitbrytere: AC-strøm reverserer retningen kontinuerlig, noe som skaper naturlige null-strømpunkter (50–60 ganger per sekund) som automatisk slukker buer. Denne "self-extinguishing" funksjonen forenkler HVAC-bryterdesign, gjør dem relativt enkle og kostnadseffektive.

• HVDC-sirkuitbrytere: DC-strøm er unidireksjonell uten naturlige null-gjennomgangspunkter. For å slukke buer, må spesialisert kretsarstiltak kunstig generere null-strømpunkter. Denne kompleksiteten gjør HVDC-brytere mer kompliserte og dyrere enn deres AC-motsvaringer.

Generering av forstyrrelser

ACs alternerende strøm produserer en konstant variert magnetfelt, som kan inducere forstyrrelser i nærliggende kommunikasjonslinjer. I motsetning til dette eliminerer DCs stabile magnetfelt slike forstyrrelser, noe som sikrer minimal forstyrrelse av nabokommunikasjonssystemer.