Чем отличается HVAC от HVDC в передаче электроэнергии
Разница между HVAC и HVDC
Электроэнергия, произведенная на электростанциях, передается на большие расстояния до электрических подстанций, которые затем распределяют ее потребителям. Напряжение, используемое для передачи электроэнергии на большие расстояния, чрезвычайно высокое, и мы рассмотрим причины этого высокого напряжения позже. Кроме того, передаваемая энергия может быть в виде переменного тока (AC) или постоянного тока (DC). Таким образом, мощность может передаваться с использованием либо HVAC (High Voltage Alternating Current), либо HVDC (High Voltage Direct Current).
Почему необходимо высокое напряжение для передачи?
Напряжение играет ключевую роль в снижении потерь в линии, также известных как потери при передаче. Каждый электрический проводник, используемый для передачи электроэнергии, имеет определенное количество омического сопротивления (R). Когда ток (I) проходит через эти проводники, они генерируют тепловую энергию, которая, по сути, является потерянной энергией или мощностью (P).
Согласно закону Ома
Как видно, энергия, теряемая в проводнике при передаче, зависит от тока, а не от напряжения. Однако мы можем регулировать величину тока путем преобразования напряжения с помощью специального оборудования.
Во время преобразования напряжения мощность остается неизменной. Напряжение и ток просто изменяются обратно пропорционально, следуя принципу:
Например, мощность 11 кВт при напряжении 220 В имеет ток 50 А. В таком случае потери в линии передачи будут
Давайте увеличим напряжение в 10 раз. Тогда та же мощность 11 кВт будет иметь напряжение 2200 В и ток 5 А. Теперь потери в линии будут;
Как видите, увеличение напряжения значительно снижает потери мощности в линиях передачи. Поэтому, чтобы уменьшить ток в кабелях передачи, сохраняя ту же мощность, мы увеличиваем напряжение.
Война токов (AC против DC)
В конце 1880-х годов, во время так называемой "войны токов", постоянный ток (DC) был первым, который использовался для передачи электроэнергии. Однако он считался крайне неэффективным из-за отсутствия практичного оборудования для преобразования напряжения, в отличие от переменного тока (AC), который можно было легко повышать или понижать с помощью трансформаторов. Ранние станции низкого напряжения постоянного тока могли обеспечивать электроэнергией только в радиусе нескольких миль; за пределами этого радиуса напряжение резко падало, требуя наличия множества генерирующих станций в малых областях — это был дорогой подход.
Хотя передача постоянного тока высокого напряжения по своей природе имеет меньшие потери, чем AC, ранние системы DC зависели от ртутных дуговых вентилей (выпрямителей) для преобразования высокого напряжения AC в DC для передачи на большие расстояния. Эти конечные устройства были громоздкими, дорогими и требовали частого обслуживания. В то время как передача AC зависела от трансформаторов, которые были более эффективными, доступными и надежными, что делало AC доминирующим выбором для передачи электроэнергии на большие расстояния в то время.
При выборе между высоким напряжением переменного тока (HVAC) и высоким напряжением постоянного тока (HVDC) для передачи следует учитывать несколько ключевых факторов. Эта статья подробно рассматривает эти факторы.
HVAC & HVDC
HVAC (High Voltage Alternating Current) и HVDC (High Voltage Direct Current) относятся к диапазонам напряжений, используемых для передачи электроэнергии на большие расстояния. HVDC обычно предпочитают для сверхдлинных расстояний (обычно более 600 км), хотя обе системы широко используются по всему миру сегодня, каждая со своими преимуществами и недостатками.
Затраты на передачу
Передача электроэнергии на большие расстояния требует высоких напряжений, с передачей мощности между конечными станциями, которые занимаются преобразованием напряжения. Общие затраты на передачу, таким образом, зависят от двух компонентов: затрат на конечные станции и затрат на линии передачи.
Точка безубыточности
"Точка безубыточности" относится к длине передачи, после которой общая инвестиционная стоимость HVAC превышает стоимость HVDC. Это расстояние составляет примерно 400-500 миль (600-800 км). Для расстояний, превышающих этот порог, HVDC является более экономически выгодным выбором; для коротких расстояний HVAC более экономичен. Эта взаимосвязь визуально представлена на графике выше.
Гибкость
HVDC обычно используется для точечной передачи на большие расстояния, так как отбор мощности в промежуточных точках потребовал бы дорогостоящих преобразователей для понижения высокого постоянного напряжения. В противоположность этому, HVAC предлагает большую гибкость: несколько конечных станций могут использовать недорогие трансформаторы для понижения высоких напряжений, позволяя извлекать мощность в различных точках линии.
Потери мощности
Передача HVAC влечет за собой несколько типов потерь, включая потери короны, потери от кожного эффекта, потери излучения и потери индукции, которые в значительной степени отсутствуют или минимизированы в системах HVDC:
Кожный эффект
Кожный эффект, прямо пропорциональный частоте, заставляет большую часть переменного тока протекать близко к поверхности проводника, оставляя сердцевину недоиспользованной. Это снижает эффективность проводника: для передачи больших токов системы HVAC требуют проводников с увеличенным сечением, что повышает затраты на материалы. HVDC, не подверженный кожному эффекту, использует проводники более эффективно.
Таким образом, для передачи такого же тока HVAC требует проводников с большим диаметром, тогда как HVDC может достичь этого с проводниками меньшего диаметра.
Номинальные значения тока и напряжения кабелей
У кабелей есть номинальные максимальные допустимые значения напряжения и тока. Для переменного тока пиковые значения напряжения и тока примерно в 1,4 раза выше их средних значений (которые соответствуют фактической передаваемой мощности или эквивалентным значениям постоянного тока). В противоположность этому, в системах постоянного тока пиковые и средние значения одинаковы.
Однако, проводники HVAC должны быть рассчитаны на пиковые значения тока и напряжения, что приводит к потере примерно 30% их пропускной способности. В противоположность этому, HVDC использует полную пропускную способность проводников, что означает, что проводник одного и того же размера может передавать больше мощности в системах HVDC.
Право прохода
"Право прохода" относится к земельному коридору, необходимому для инфраструктуры передачи. Системы HVDC имеют более узкий коридор из-за меньших опор и меньшего количества проводников (два для DC против трех для трехфазного AC). Кроме того, изоляторы AC на опорах должны быть рассчитаны на пиковые значения напряжения, что еще больше увеличивает их занимаемую площадь.
Этот более узкий коридор снижает затраты на материалы, строительство и землю, что делает HVDC более эффективным с точки зрения права прохода.
Подводная передача электроэнергии
Подводные кабели, используемые для передачи электроэнергии в море, имеют паразитную емкость между параллельными проводниками. Емкость реагирует на изменения напряжения — постоянные в AC (50-60 циклов в секунду), но происходящие только при переключении в DC.
AC-кабели постоянно заряжаются и разряжаются, вызывая значительные потери мощности до передачи энергии на приемную сторону. Кабели HVDC, заряженные только один раз, исключают такие потери. Для получения дополнительной информации обратитесь к материалам о строительстве, характеристиках, укладке и соединениях подводных кабелей.
Управляемость потока мощности
Системы HVAC не имеют точного контроля над потоком мощности, в то время как HVDC-связи используют преобразователи на основе IGBT. Эти сложные преобразователи, переключаемые множество раз за цикл, оптимизируют распределение мощности в системе, улучшают гармонические характеристики и обеспечивают быструю защиту и устранение аварий — преимущества, которым HVAC не может похвастаться.
Связывание асинхронных систем и умных сетей
Умная сеть позволяет нескольким генерирующим станциям подключаться к единой сети, используя малые сети для производства высокой мощности. Однако, подключение нескольких асинхронных сетей AC (с различными частотами или фазами) является очень сложной задачей.
Связывание асинхронных сетей
Электросети по всему миру работают на разных частотах — некоторые на 50 Гц, другие на 60 Гц. Даже сети с одной и той же частотой могут быть несинхронизированы. Эти сети классифицируются как "асинхронные системы" и не могут быть подключены стандартными AC-связями.
Постоянный ток, однако, не зависит от частоты или фазы. HVDC-связи решают эту проблему, преобразуя AC в постоянный ток, не зависящий от частоты и фазы, что позволяет бесшовно интегрировать асинхронные сети. На приемной стороне инверторы HVDC преобразуют постоянный ток обратно в AC с требуемой частотой, обеспечивая унифицированную передачу мощности.
Выключатели
Выключатели являются критически важными в высоковольтной передаче, отвечая за деэнергизацию цепей при авариях или техническом обслуживании. Одним из ключевых требований является способность гасить дугу, чтобы прервать поток мощности.
Генерация помех
Переменный ток, имеющий постоянно изменяющееся магнитное поле, может вызывать помехи в соседних линиях связи. В противоположность этому, постоянное магнитное поле постоянного тока исключает такие помехи, обеспечивая минимальное воздействие на смежные системы связи.
