Kaj so razlike med HVAC in HVDC v prenosu električne energije

Razlika med HVAC in HVDC

Električna energija, ki se proizvede v elektrarnah, se prenosi na velike razdalje do električnih podstanic, ki jo nato distribuirajo končnim uporabnikom. Napetost, ki se uporablja za dolgočasno prenos električne energije, je izredno visoka, in razloge za to visoko napetost bomo kasneje raziskali. Poleg tega lahko prenesena moč biti v obliki stikajoče (AC) ali enosmerne (DC) struje. Torej, moč se lahko prenaša z uporabo buš HVAC (High Voltage Alternating Current) ali HVDC (High Voltage Direct Current).

Zakaj je potrebna visoka napetost za prenos?

Napetost igra ključno vlogo pri zmanjševanju izgub v vodilu, znanih tudi kot prenosne izgube. Vsak električni vodil, ki se uporablja za prenos električne energije, ima določeno količino ohmskega upora (R). Ko tok (I) teče skozi te vodile, generirajo toplinsko energijo, ki je bistveno izgubljena energija ali moč (P).

Po Ohmovem zakonu

Kot je očitno, izgubljena energija v vodilu med prenosom odvisna je od toka namesto napetosti. Vendar pa lahko velikost toka prilagodimo z uporabo posebnih naprav za pretvorbo napetosti.

Med pretvorbo napetosti ostane moč ohranjena in nespremenjena. Napetost in tok se preprosto obratno spreminjata z istim faktorjem, glede na načelo:

Na primer, 11 kW moč pri napetosti 220 V ima tok 50 A. V tem primeru bodo izgube v prenosnem vodilu

Povečajmo napetost za faktor 10. Torej, ista moč 11 kW bi imela napetost 2200 V in tok 5 A. Sedaj bi bile izgube v vodilu;

Kot vidite, povečanje napetosti bistveno zmanjša izgube moči v prenosnih vodilih. Zato, da zmanjšamo tok v prenosnih kabelih, hkrati pa ohranimo enako količino prenesene moči, povečujemo napetost.

Bitka struj (AC vs. DC)

V poznejih 1880. letih, med tako imenovano "bitko struj", je bil enosmerna struja (DC) prva, ki so jo uporabili za prenos električne energije. Vendar je bila ocenjena kot zelo neefektivna zaradi pomanjkanja praktičnih naprav za pretvorbo napetosti - drugače kot stikajoča struja (AC), ki se je lahko zlahka povečala ali zmanjšala z uporabo transformatorjev. Ranje nizkonapetostne elektrarne s enosmerno strujjo so lahko oskrnile samo z električno energijo v radiju nekaj milj; za daljše razdalje je napetost drastično padla, kar je zahtevalo več generirnih stanic v majhnih območjih - dragi pristop.

Čeprav visokonapetostni prenos enosmernega toka (HVDC) sam po sebi povzroča manj izgub kot AC, so se ranje sistemi enosmernega toka zanašali na rtuťne lukove valve (rectifiers) za pretvorbo visokonapetostnega AC v DC za dolgočasni prenos. Te terminalne naprave so bile obsežne, dragi in zahtevali pogosto vzdrževanje. Na drugi strani je prenos stikajoče struje odvisen od transformatorjev - bolj učinkovitih, dostopnih in zanesljivih - kar je AC postavilo kot dominantno izbiro za dolgočasni prenos električne energije tedaj.

Pri izbiri med visokonapetostnim AC (HVAC) in visokonapetostnim DC (HVDC) za prenos mora biti upoštevanih več ključnih dejavnikov. Ta članek podrobno raziskuje te dejavnike.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) in HVDC (High Voltage Direct Current) se nanašata na obsege napetosti, uporabljene za dolgočasni prenos električne energije. HVDC se običajno preferira za ultra-dolge razdalje (običajno nad 600 km), vendar sta oba sistema široko uporabljena po vsem svetu danes, vsak z lastnimi prednostmi in slabostmi.

Stroški prenosa

Dolgočasni prenos električne energije zahteva visoke napetosti, z močjo, ki se prenaša med terminalnimi stanicami, ki se ukvarjajo s pretvorbo napetosti. Skupni stroški prenosa torej odvisni so od dveh komponent: stroškov terminalnih stanic in stroškov prenosnih vodil.

• Terminalne stanice
  Terminalne stanice pretvarjajo ravni napetosti za prenos. Za sisteme AC to glavno storijo transformatorji, ki preklapljajo med visokimi in nizkimi napetostmi. Za sisteme DC terminalne stanice uporabljajo pretvornike na osnovi tiristorjev ali IGBT-jev za prilagoditev ravni napetosti DC.

  Ker so transformatorji bolj zanesljivi in cenejši od trdnih stanjevih pretvornikov, so terminalne stanice AC cenejše od njihovih DC protologov, kar čini pretvorbo napetosti AC ekonomičnejšo.

• Prenosna vodila
  Stroški vodil odvisni so od števila vodil in dizajna prenosnih stolpov. Sistemi HVDC zahtevajo le dve vodili, medtem ko sistemi HVAC potrebujejo tri ali več (vključno z združenimi vodili za zmanjšanje efektov korona).

  Stolpi za prenos AC morajo podpirati težje mehanske obremenitve, kar zahteva močnejše, višje in širše strukture v primerjavi s stolpi HVDC. Stroški vodil rastejo s razdaljo, in na 100 km so vodila HVAC bistveno dražja od vodil HVDC.

• Skupni stroški prenosa
  Skupni stroški določeni so s stroški terminala (fiksni, neodvisni od razdalje) in stroški vodil (spremenljivi, rastoči s razdaljo). Torej, skupni stroški prenosnega sistema naraščajo s povečevanjem razdalje.

Razdalja brez izgub

Razdalja "brez izgub" se nanaša na prenosno dolžino, za katero presegajo skupni investicijski stroški HVAC stroškov HVDC. Ta razdalja je približno 400-500 milj (600-800 km). Za razdalje, ki presegajo ta prag, je HVDC bolj ekonomična izbira; za krajše razdalje je HVAC ekonomičnejša. Ta odnos je vizualno prikazan na zgornjem grafikonu.

Prilagodljivost

HVDC se običajno uporablja za točka-do-točke dolgočasni prenos, saj bi izvlečanje moči na medsebojnih točkah zahtevalo dragi pretvorniki za zmanjšanje visokih napetosti DC. Na drugi strani ponuja HVAC večjo prilagodljivost: več terminalnih stanic lahko uporablja cenejše transformatorje za zmanjšanje visokih napetosti, omogoča izvlečanje moči na različnih točkah vzdolž vodila.

Izgube moči

Prenos HVAC vključuje več vrst izgub, vključno s izgibami korona, izgibami kože, izgibami z računanjem in indukcijami, ki so v sistemih HVDC veliko manjše ali minimalne:

• Izgibe korona: Ko preseže kritično mejo, okolica vodil ionizira, ustvarja iskre (izpuščanje korona), ki porabljajo energijo. Te izgube so odvisne od frekvence - ker ima DC frekvenco 0, so izgibe korona HVAC približno trikrat višje kot v HVDC.

• Izgibe kože: Pri prenosu AC je gostota toka najvišja na površini vodil in najnižja v notranjosti (efekt kože), kar zmanjša učinkovito prečni prerez, ki se uporablja za pretok toka. To poveča upornost vodil in poveča I²R izgube. DC tok, na drugi strani, je enakomerno razporejen po vodilu, kar ta učinek eliminira.

• Izgibe z računanjem in indukcije: Alternirajoče magnetno polje HVAC spodbuja dolge prenosne vodile, da delujejo kot antene (izstražujejo neobnovljive energije) in inducirajo toke v bližnjih vodilih (indukcijske izgube). Stevilčno magnetno polje HVDC izogiba obema problemoma.

Efekt kože

Efekt kože, neposredno sorazmeren s frekvenco, prisili večino AC toka, da teče blizu površine vodil, kar pusti notranjost nedovolj uporabljeno. To zmanjša učinkovitost vodil: da nosijo večje toke, sistemi HVAC zahtevajo vodile z večjim prečnim prerezom, kar poveča stroške materialov. HVDC, ki ni vpliven na efekt kože, uporablja vodile učinkoviteje.

Torej, da nosi enak tok, HVAC zahteva vodile z večjim premerom, medtem ko HVDC to doseže z manjšimi premeri vodil.

Ocenjena moč in napetost vodil

Vodili imajo ocenjene maksimalne tolerabilne napetosti in tokove. Za AC so vrhunska napetost in tok približno 1,4-krat višja od povprečnih vrednosti (ki se ujemajo z dejansko preneseno močjo ali ekvivalentnimi vrednostmi DC). Na drugi strani imajo sistemi DC enake vrhunske in povprečne vrednosti.

Vodili HVAC morajo biti ocenjeni za vrhunske tokove in napetosti, kar pomeni, da približno 30 % njihove prenosne zmogljivosti ostane nerabljena. Na drugi strani uporablja HVDC celoten prenosni kapacitet vodil, kar pomeni, da lahko vodil enake velikosti prenese več moči v sistemih HVDC.

Pravica do uporabe

"Pravica do uporabe" se nanaša na pas zemljišča, ki je potreben za infrastrukturo prenosa. Sistemi HVDC imajo ožji pas zaradi manjših stolpov in manj vodil (dve za DC vs. tri za trofazni AC). Dodatno morajo insulatorji AC na stolpih biti ocenjeni za vrhunske napetosti, kar še dodatno poveča njihov prostorski odtis.

Ta ožji koridor zmanjša materialne, gradbeni in zemljiški stroške, kar HVDC naredi boljšim glede na učinkovitost pravice do uporabe.

Podvodni prenos električne energije

Podvodni vodili, uporabljeni za prenos električne energije na morju, imajo stranico kapacitance med vzporednimi vodili. Kapacitance reagira na spremembe napetosti - konstantna pri AC (50-60 ciklov na sekundo), toda se pojavi le med preklopom pri DC.

Vodili AC zvezno nabijajo in razbijejo, kar povzroča bistvene izgube moči pred dostavo električne energije na prejemni konec. Vodili HVDC, ki so nabiti le enkrat, takšne izgube eliminirajo. Za več podrobnosti se posvetujte z vsebino o konstrukciji, značilnostih, položaju in spojnicah podvodnih vodil.

Upravljanje pretoka moči

Sistemi HVAC nimajo natančnega nadzora nad pretokom moči, medtem ko uporabljajo HVDC povezave pretvornike, temelječe na polprevodnikih IGBT. Ti kompleksni pretvorniki, ki se lahko večkrat preklopijo na cikel, optimizirajo distribucijo moči v sistemu, izboljšajo harmonično učinkovitost in omogočajo hitro zaščito in odpravljanje kršitev - prednosti, ki jih HVAC ne more pridobiti.

Povezovanje asinhronih sistemov in pametnih omrežij

Pametno omrežje omogoča, da se več generatorjev pripne na enificirano omrežje, ki izkorišča majhna omrežja za visokoučinkovno proizvodnjo. Vendar je povezovanje več asinhronih omrežij AC (z različnimi frekvencami ali fazami) zelo izzivno.

Povezovanje asinhronih omrežij

Električna omrežja po vsem svetu delujejo na različnih frekvencah - nekatera na 50 Hz, druga na 60 Hz. Tudi omrežja z enako frekvenco lahko niso v fazi. Ti so klasificirani kot "asinhroni sistemi" in ne morejo biti povezani z standardnimi AC povezavami.

DC pa je nevaren za frekvenco ali fazo. Interpovezave HVDC rešijo to z pretvorbo AC v frekvenco in fazo-neodvisno DC, kar omogoča brezhibno integracijo asinhronih omrežij. Na prejemnem koncu pretvorniki HVDC pretvorijo DC nazaj v AC z zahtevano frekvenco, kar omogoča unificiran prenos moči.

Preklopniki

Preklopniki so ključni pri visokonapetostnem prenosu, odgovorni za odenergiziranje krakov med kršitvami ali vzdrževanjem. Ključno zahtevo je sposobnost ugasnitve luka, da prekinete pretok moči.

• Preklopniki HVAC: Struja AC se neprestano obrne, kar ustvari naravne trenutke nične struje (50-60-krat na sekundo), ki avtomatsko ugasne luke. Ta "samougasnjen" značilnost poenostavlja dizajn preklopnika HVAC, kar jih naredi relativno preproste in cenejše.

• Preklopniki HVDC: Struja DC je enosmerna brez naravnih preklopov na nič. Za ugasnitev luka mora posebna krmilna oprema umetno ustvariti točke nične struje. Ta kompleksnost naredi preklopnike HVDC bolj zapletene in dragi kot njihove AC protologe.

Generiranje motenj

Alternirajoča struja AC ustvarja stalno spreminjajoče se magnetno polje, ki lahko v bližnjih komunikacijskih vodilih povzroči motnje. Na drugi strani pa enosmerna struja DC z stalnim magnetnim poljem izbriše te motnje, kar zagotavlja minimalno motnje v sosednjih komunikacijskih sistemih.