Jakie są różnice między HVAC a HVDC w transmisji energii elektrycznej
Różnica między HVAC a HVDC
Energia elektryczna generowana w elektrowniach jest przesyłana na duże odległości do podstacji elektrycznych, które następnie dystrybuują ją do odbiorców. Napięcie używane do długodystansowej transmisji energii jest niezwykle wysokie, a powody tego wysokiego napięcia omówimy później. Ponadto, przesyłana energia może być w formie prądu przemiennego (AC) lub prądu stałego (DC). Dlatego energia może być przesyłana za pomocą HVAC (High Voltage Alternating Current) lub HVDC (High Voltage Direct Current).
Dlaczego wysokie napięcie jest niezbędne do transmisji?
Napięcie odgrywa kluczową rolę w redukowaniu strat liniowych, znanych również jako straty transmisyjne. Każdy przewodnik elektryczny używany do transmisji energii ma pewną ilość oporu ohmicznego (R). Gdy prąd (I) przepływa przez te przewodniki, generują one energię termiczną, która jest zasadniczo marnowaną energią lub mocą (P).
Zgodnie z prawem Ohma
Jak widać, energia marnowana w przewodniku podczas transmisji zależy od natężenia prądu, a nie od napięcia. Jednak możemy dostosować natężenie prądu poprzez konwersję napięcia przy użyciu specjalistycznego sprzętu.
Podczas konwersji napięcia, moc pozostaje zachowana i niezmieniona. Napięcie i prąd po prostu zmieniają się odwrotnie w tej samej skali, zgodnie z zasada:
Na przykład, moc 11 kW przy napięciu 220 V ma natężenie prądu 50 A. W takim przypadku, straty w linii transmisyjnej wyniosą
Zwiększmy napięcie dziesięciokrotnie. Ta sama moc 11 kW będzie miała napięcie 2200 V i 5 A. Teraz straty w linii będą wynosić;
Jak widzisz, zwiększenie napięcia znacząco redukuje straty mocy w liniach transmisyjnych. Aby zmniejszyć natężenie prądu w kablach transmisyjnych, podczas gdy utrzymujemy tę samą moc, zwiększamy napięcie.
Wojna prądów (AC vs. DC)
W późnych latach 80. XIX wieku, podczas tzw. "wojny prądów", prąd stały (DC) był pierwszy wykorzystywany do transmisji energii. Jednakże, uważano go za bardzo nieefektywny ze względu na brak praktycznego sprzętu do konwersji napięcia - w przeciwieństwie do prądu przemiennego (AC), który można łatwo przestawiać w górę lub w dół za pomocą transformatorów. Wczesne stacje energetyczne z niskim napięciem DC mogły dostarczać energię tylko w promieniu kilku mil; poza tym, napięcie gwałtownie spadało, wymagając wielu stacji generacyjnych w małych obszarach - kosztownego podejścia.
Chociaż transmisja DC o wysokim napięciu naturalnie wiąże się z mniejszymi stratami niż AC, wczesne systemy DC polegały na próżniowych klamkach rtęciowych (prostownikach) do konwersji wysokiego napięcia AC na DC dla długodystansowej transmisji. Te urządzenia końcowe były grube, drogie i wymagały częstego serwisowania. Natomiast transmisja AC opierała się na transformatorach - bardziej efektywnych, tanich i niezawodnych - co sprawiło, że AC stało się dominującym wyborem dla długodystansowej transmisji energii w tamtym czasie.
Przy wyborze między wysokonapięciowym prądem przemiennym (HVAC) a wysokonapięciowym prądem stałym (HVDC) do transmisji, należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych czynników. Ten artykuł szczegółowo omawia te czynniki.
HVAC & HVDC
HVAC (High Voltage Alternating Current) i HVDC (High Voltage Direct Current) odnoszą się do zakresów napięć używanych do długodystansowej transmisji energii. HVDC jest zwykle preferowane dla ultradługich odległości (zwykle ponad 600 km), choć oba systemy są szeroko stosowane na całym świecie, każdy z nich ma swoje własne zalety i wady.
Koszty transmisji
Długodystansowa transmisja energii wymaga wysokich napięć, z mocą przesyłaną między stacjami końcowymi, które zajmują się konwersją napięcia. Całkowite koszty transmisji zależą od dwóch składników: kosztów stacji końcowych i kosztów linii transmisyjnych.
Odległość punktu zwrotnego
"Odległość punktu zwrotnego" odnosi się do długości transmisji, po której całkowity koszt inwestycyjny HVAC przekracza koszt HVDC. Ta odległość wynosi około 400-500 mil (600-800 km). Dla odległości przekraczających ten próg, HVDC jest bardziej ekonomicznym wyborem; dla krótszych odległości, HVAC jest bardziej ekonomiczne. Ta relacja jest graficznie przedstawiona na powyższym wykresie.
Elastyczność
HVDC jest zwykle używane do punktowo-długodystansowej transmisji, ponieważ pobieranie mocy w punktach pośrednich wymagałoby kosztownych konwerterów do obniżenia wysokich napięć DC. Z drugiej strony, HVAC oferuje większą elastyczność: wiele stacji końcowych może korzystać z tanich transformatorów do obniżenia wysokich napięć, umożliwiając pobieranie mocy w różnych punktach linii.
Straty mocy
Transmisja HVAC wiąże się z kilkoma rodzajami strat, w tym straty koronowe, straty efektu skórki, straty promieniowania i straty indukcyjne, które są w dużej mierze nieobecne lub minimalne w systemach HVDC:
Efekt skórki
Efekt skórki, proporcjonalny do częstotliwości, zmusza większość prądu AC do przepływu w pobliżu powierzchni przewodnika, pozostawiając rdzeń nieużywany. To zmniejsza efektywność przewodnika: aby przeprowadzić większe natężenia prądu, systemy HVAC wymagają przewodników o większej przekroju, co zwiększa koszty materiałów. HVDC, nieskrępowane przez efekt skórki, używa przewodników bardziej efektywnie.
Aby przeprowadzić ten sam prąd, HVAC wymaga przewodników o większym średnicy, podczas gdy HVDC może to osiągnąć przy użyciu przewodników o mniejszej średnicy.
Maksymalne dopuszczalne natężenie i napięcie przewodników
Przewodniki mają maksymalne dopuszczalne napięcie i natężenie prądu. Dla AC, maksymalne napięcie i natężenie prądu są około 1,4 raza wyższe niż ich średnie wartości (które odpowiadają rzeczywistej dostarczonej mocy lub równoważnym wartościom DC). Z drugiej strony, systemy DC mają identyczne maksymalne i średnie wartości.
Jednak przewodniki HVAC muszą być oceniane pod kątem maksymalnego natężenia i napięcia, co marnuje około 30% ich przepustowości. Z drugiej strony, HVDC wykorzystuje pełną przepustowość przewodników, co oznacza, że przewodnik o tej samej średnicy może przesyłać więcej mocy w systemach HVDC.
Prawo do przejścia
"Prawo do przejścia" odnosi się do pasa terenu wymaganego do infrastruktury transmisyjnej. Systemy HVDC mają węższy pas przejścia ze względu na mniejsze wieże i mniejszą liczbę przewodników (dwa dla DC w porównaniu z trzema dla trójfazowego AC). Ponadto, izolatory AC na wieżach muszą być oceniane pod kątem maksymalnych napięć, co dodatkowo zwiększa ich stopę.
Ten węższy pas redukuje koszty materiałowe, budowlane i związane z terenem, co sprawia, że HVDC jest lepsze pod względem efektywności pasa przejścia.
Transmisja podwodna
Kable podwodne używane do transmisji morskiej mają parazytową pojemność między równoległymi przewodnikami. Pojemność reaguje na zmiany napięcia - stałe w AC (50-60 cykli na sekundę), ale występujące tylko podczas przełączania w DC.
Kable AC ciągle ładują i rozładowują, powodując istotne straty mocy przed dostarczeniem jej do odbiorcy końcowego. Kable HVDC, ładowane tylko raz, eliminują takie straty. Więcej szczegółów można znaleźć w treści dotyczącej budowy, charakterystyk, układania i połączeń kabli podwodnych.
Kontrola przepływu mocy
Systemy HVAC nie mają precyzyjnej kontroli nad przepływem mocy, podczas gdy linki HVDC używają konwerterów półprzewodnikowych opartych na IGBT. Te złożone konwertery, przełączane wielokrotnie w każdym cyklu, optymalizują dystrybucję mocy w systemie, poprawiają wydajność harmonicznych i umożliwiają szybką ochronę i usuwanie uszkodzeń - zalety, których nie dorównuje HVAC.
Łączenie asynchronicznych systemów i inteligentnych sieci
Inteligentna sieć pozwala wielu elektrowniom na podłączenie do zintegrowanej sieci, wykorzystując małe sieci do generowania dużej mocy. Jednak połączenie wielu asynchronicznych sieci AC (o różnych częstotliwościach lub fazach) jest bardzo trudne.
Łączenie asynchronicznych sieci
Sieci energetyczne na całym świecie działają z różnymi częstotliwościami - niektóre z 50 Hz, inne z 60 Hz. Nawet sieci o tej samej częstotliwości mogą być niezesynchronizowane. Są one klasyfikowane jako "systemy asynchroniczne" i nie mogą być połączone za pomocą standardowych połączeń AC.
DC, jednak, nie jest wpływowane przez częstotliwość ani fazę. Interlinie HVDC rozwiązują ten problem, konwertując AC na DC niezależny od częstotliwości i fazy, umożliwiając bezproblemowe integrację asynchronicznych sieci. Na końcu odbiorczym, inwertery HVDC konwertują DC z powrotem na AC z wymaganą częstotliwością, umożliwiając zintegrowaną transmisję mocy.
Przerzutniki
Przerzutniki są kluczowe w wysokonapięciowej transmisji, odpowiadają za deenergetyzowanie obwodów podczas awarii lub konserwacji. Kluczowym wymaganiem jest zdolność do gaszenia łuku, aby przerwać przepływ mocy.
Generowanie interferencji
Alternujący prąd AC tworzy ciągle zmieniające się pole magnetyczne, które może indukować interferencje w pobliskich liniach komunikacyjnych. Z drugiej strony, stałe pole magnetyczne DC eliminuje taką interferencję, zapewniając minimalne zakłócenia sąsiednich systemów komunikacyjnych.
