Koje su razlike između HVAC i HVDC u prijenosu struje

Razlika između HVAC i HVDC

Električna energija proizvedena u elektrane se prenosi na velike rastojanja do električnih podstajica, koje zatim raspoređuju energiju potrošačima. Napon korišćen za prenos struje na velika rastojanja je izuzetno visok, a razloge za to visoko naponski nivo ćemo kasnije istražiti. Takođe, prenosljiva moć može biti u obliku izmjenične (AC) ili jednosmjerne struje (DC). Stoga, moć se može prenositi koristeći ili HVAC (Visoki Napon Izmjenične Struje) ili HVDC (Visoki Napon Jednosmjerne Struje).

Zašto je visok napon neophodan za prenos?

Napon ima ključnu ulogu u smanjenju gubitaka na linijama, također poznatih kao gubitci pri prenosu. Svaki vodilj koji se koristi za prenos električne energije ima određeni ohmski otpor (R). Kada struja (I) teče kroz ove vodilje, oni generišu termalnu energiju, koja je u suštini izgubljena energija ili snaga (P).

Prema Ohmovom zakonu

Kao što je očigledno, izgubljena energija u vodilju tokom prenosa zavisi od struje, a ne od napona. Međutim, moguće je prilagoditi intenzitet struje putem konverzije napona pomoću specijaliziranog opreme.

Tokom konverzije napona, snaga ostaje sačuvana i nepromenjena. Napon i struja jednostavno variraju obrnut proporcionalno, prema principu:

Na primer, 11KW snage na naponskom nivou od 220v ima 50 Ampera. U takvom slučaju, gubitci na prenosnim linijama će biti

Povećajmo napon deset puta. Tako će ta ista snaga od 11KW imati napon od 2200v i 5 Ampera. Sada bi gubitci na linijama bili;

Kao što vidite, povećanje napona značajno smanjuje gubitke snage na prenosnim linijama. Dakle, kako bismo smanjili struju u prenosnim kabelima, ali suzdržali isti iznos prenose snage, povećavamo napon.

Rat struja (AC protiv DC)

U kasnim 1880-ima, tijekom tzv. "Rata struja", jednosmjerana struja (DC) bila je prva koja je bila iskorištena za prenos snage. Međutim, smatrano je da je bila izuzetno neefikasna zbog nedostatka praktične opreme za konverziju napona - unatoč tome što je izmjenična struja (AC) mogla lako biti povećana ili smanjena pomoću transformatora. Rani niskonaponski DC elektrane mogli su osigurati struju samo u radijusu od nekoliko milja; izvan toga, napon drastično padao, zahtijevajući više generirajućih stanica na manjim površinama - skupa metoda.

Iako visokonaponski DC prenos u sebi ima manje gubitke nego AC, rani DC sistemi su se oslanjali na merkurijevske lukove (rectifiers) za pretvaranje visokonaponske AC u DC za prenos na velika rastojanja. Ovi terminalni uređaji su bili obujmi, skupi i zahtijevali često održavanje. U suprotnosti, AC prenos se oslanjao na transformatore - efikasnije, dostupnije i pouzdane - što je AC činilo dominantnim izborom za prenos snage na velika rastojanja u to vrijeme.

Pri odabiru između visokonaponskog AC (HVAC) i visokonaponskog DC (HVDC) za prenos, moraju se uzeti u obzir nekoliko ključnih faktora. Ovaj članak detaljno istražuje ove faktore.

HVAC & HVDC

HVAC (Visoki Napon Izmjenične Struje) i HVDC (Visoki Napon Jednosmjerne Struje) odnose se na naponske raspon koji se koriste za prenos snage na velika rastojanja. HVDC se tipično preferira za ultra-dugačke udaljenosti (obično preko 600 km), iako su oba sistema široko korišćena širom sveta danas, svaki sa svojim prednostima i nedostacima.

Troškovi prenosa

Prenos snage na velika rastojanja zahtijeva visoke napone, s prenosom snage između terminalnih stanica koje rukuju konverzijom napona. Ukupni troškovi prenosa stoga zavise od dva komponenta: troškovi terminalnih stanica i troškovi prenosnih linija.

• Terminalne stanice
  Terminalne stanice konvertuju naponske nivoe za prenos. Za AC sisteme, to se uglavnom radi pomoću transformatora, koji prebacuju između visokih i niskih napona. Za DC sisteme, terminalne stanice koriste thyristor ili IGBT bazirane konvertere za podešavanje nivoa DC napona.

  Pošto su transformatori pouzdaniji i jeftiniji od čvrstotijelih konvertera, AC terminalne stanice su jeftinije od njihovih DC ekvivalenta, čime se AC konverzija napona čini ekonomičnijom.

• Prenosne linije
  Troškovi linija zavise od broja vodilja i dizajna toranj za prenos. HVDC sistemi zahtijevaju samo dva vodilja, dok HVAC sistemi trebaju tri ili više (uključujući bundlirane vodilje za smanjenje efekta korone).

  Torani za AC prenos moraju podržavati veće mehaničke opterećenja, zahtijevajući jačije, više i šire strukture u usporedbi s HVDC toranima. Troškovi linija rastu s rastojanjem, a po 100 km, HVAC linije su značajno skuplje od HVDC linija.

• Ukupni troškovi prenosa
  Ukupni troškovi određeni su troškovima terminala (fiksni, nezavisni od rastojanja) i troškovima linija (promjenjivi, rastu s rastojanjem). Stoga, ukupni trošak prenosnog sistema raste kako rastojanje raste.

Rastojanje ravnoteže

"Rastojanje ravnoteže" odnosi se na duljinu prenosa iznad koje ukupni investicioni trošak HVAC prenosa premašuje HVDC. To rastojanje iznosi otprilike 400-500 milja (600-800 km). Za rastojanja iznad tog praga, HVDC je ekonomičniji izbor; za kraća rastojanja, HVAC je ekonomičniji. Ova relacija je vizualno prikazana na grafikonu iznad.

Fleksibilnost

HVDC se tipično koristi za točka-do-točke prenos na velika rastojanja, jer bi izvlačenje snage na među točkama zahtijevalo skupi konvertere za smanjenje visokih DC napona. U suprotnosti, HVAC nudi veću fleksibilnost: više terminalnih stanica može koristiti jeftine transformatore za smanjenje visokih napona, omogućujući izvlačenje snage na različitim točkama duž linije.

Gubitci snage

HVAC prenos dovodi do nekoliko vrsta gubitaka, uključujući gubitke korone, gubitke efekta kože, gubitke zračenja i indukcije, koji su u velikoj mjeri odsutni ili minimalizirani u HVDC sistemima:

• Gubitci korone: Kada napon premaši kritični prag, zrak oko vodilja ionizira, stvarajući iskre (korona discharga) koje gube energiju. Ovi gubitci su ovisni o frekvenciji - budući da DC ima nultu frekvenciju, HVAC gubitci korone su približno tri puta veći od HVDC gubitaka.

• Gubitci efekta kože: U AC prenosu, gustoća struje najveća je na površini vodilja i najmanja u jezgru (efekt kože), smanjujući efektivnu presječnu površinu korištenu za protok struje. To povećava otpor vodilja i amplifikuje I²R gubitke. DC struja, s druge strane, distribuira uniformno kroz vodilj, eliminirajući ovaj efekt.

• Gubitci zračenja i indukcije: Alternativni magnetni polje HVAC-a dovode do toga da dugi prenosni linije djeluju kao antene (zračenje neoporavljive energije) i induciraju struje u bliskim vodiljima (gubitci indukcije). Steadfastno magnetno polje HVDC-a izbjegava ove probleme.

Efekt kože

Efekt kože, direktno proporcionalan frekvenciji, prisiljava većinu AC struje da teče blizu površine vodilja, ostavljajući jezgro neiskorištenim. To smanjuje efikasnost vodilja: da bi nosile veće struje, HVAC sistemi zahtijevaju vodilje s povećanom presječnom površinom, povećavajući materijalne troškove. HVDC, koji nije utjecan efektom kože, koristi vodilje efikasnije.

Stoga, da bi se prenosila ista struja, HVAC zahtijeva vodilje s većim promjerom, dok HVDC može postići to s vodiljima manjeg promjera.

Ocjenjivanje struje i napona kabela

Kabeli imaju maksimalno dopušteni napon i struju. Za AC, vrhunski napon i struja su približno 1,4 puta veći od njihovih prosečnih vrijednosti (koje odgovaraju stvarno dostavljenoj snazi ili ekvivalentnim DC vrijednostima). U suprotnosti, DC sistemi imaju identične vrhunske i prosečne vrijednosti.

Međutim, HVAC vodilji moraju biti ocijenjeni za vrhunsku struju i napon, gubljući približno 30% svoje nosivosti. U suprotnosti, HVDC koristi cijelu kapacitet vodilja, što znači da vodilj istog promjera može prenositi više snage u HVDC sistemima.

Pravo prolaza

"Pravo prolaza" odnosi se na zemljišni koridor potreban za infrastrukturu prenosa. HVDC sistemi imaju uži pravo prolaza zbog manjih torana i manje vodilja (dva za DC u usporedbi s tri za trofazni AC). Također, izolatori AC na toranima moraju biti ocijenjeni za vrhunske napone, što dodatno povećava njihovu stopu.

Ovaj uži koridor smanjuje materijalne, građevinske i zemljišne troškove, čime HVDC postaje superiorniji u pogledu efikasnosti prava prolaza.

Podmorski prenos snage

Podmorski kabeli koristi za prenos snage s mora imaju stray kapacitance između paralelnih vodilja. Kapacitancija reagira na promjene napona - konstantna u AC (50-60 ciklusa po sekundi) ali se javlja samo tokom preključivanja u DC.

AC kabeli kontinuirano puni i isprazni, uzrokujući značajne gubitke snage prije dostave snage na primateljski kraj. HVDC kabeli, koji se puni samo jednom, eliminiraju takve gubitke. Za više detalja, posjetite sadržaj o konstrukciji, karakteristikama, položenju i spojevima podmorskih kabela.

Kontrola toka snage

HVAC sistemi nemaju preciznu kontrolu nad tokom snage, dok HVDC veze koriste IGBT-bazirane poluprovodničke konvertere. Ovi složeni konverteri, kojima se može preključiti više puta po ciklusu, optimiziraju distribuciju snage u sistemu, poboljšavaju harmonijsko ponašanje i omogućuju brzu zaštitu i otklanjanje grešaka - prednosti koje HVAC ne može pružiti.

Povezivanje asinkronih sistema i pametnih mreža

Pametna mreža omogućava više generirajućih stanica da hrane unificiranu mrežu, koristeći male mreže za visoku proizvodnju snage. Međutim, povezivanje više asinkronih AC mreža (sa različitim frekvencijama ili fazama) je izuzetno izazovno.

Povezivanje asinkronih mreža

Električne mreže širom sveta funkcioniraju na različitim frekvencijama - neke na 50 Hz, druge na 60 Hz. Čak i mreže sa istom frekvencijom mogu biti izvan faze. Ove se klasificiraju kao "asinkrone sisteme" i ne mogu biti povezane standardnim AC vezama.

DC, međutim, nije utjecan frekvencijom ili fazom. HVDC interlinkovi rješavaju ovaj problem pretvaranjem AC u frekvencijski i fazno nezavisni DC, omogućujući bezuslovljeno integriranje asinkronih mreža. Na primateljskom kraju, HVDC inverteri pretvaraju DC natrag u AC sa potrebnom frekvencijom, omogućujući unificirani prenos snage.

Prekidači

Prekidači su ključni u visokonaponskom prenosu, odgovorni za deenergizaciju krugova tokom grešaka ili održavanja. Ključno zahtjev je sposobnost ugasišta da prekine protok snage.

• HVAC prekidači: AC struja neprestano mijenja smjer, stvarajući prirodne trenutke nula struje (50-60 puta po sekundi) koji automatski ugase iskre. Ova "samougasna" osobina pojednostavljuje dizajn HVAC prekidača, činjac ih relativno jednostavnim i ekonomičnim.

• HVDC prekidači: DC struja je jednosmjerna bez prirodnih prelaza nule. Da bi se ugase iskre, specijalizirana kola mora umjetno generirati trenutke nula struje. Ova složenost čini HVDC prekidače složenijim i skupljim od njihovih AC ekvivalenata.

Generisanje interferencije

Izmjenična struja AC-a stvara stalno varirajuće magnetno polje, što može inducirati interferenciju u bliskim komunikacionim linijama. U suprotnosti, stabilno magnetno polje DC-a eliminira takvu interferenciju, osiguravajući minimalnu prekidu susjednim komunikacionim sistemima.