Vad är skillnaderna mellan HVAC och HVDC i energiöverföring?

Skillnad mellan HVAC och HVDC

Elektricitet som produceras i kraftverk överförs över långa avstånd till elektriska ombordssättningar, vilka sedan distribuerar den till kunder. Spänningen som används för överföring av ström över långa avstånd är extremt hög, och vi kommer att utforska anledningarna till denna höga spänning senare. Dessutom kan den överförda effekten vara antingen växelström (AC) eller likström (DC). Därför kan effekt överföras med hjälp av antingen HVAC (High Voltage Alternating Current) eller HVDC (High Voltage Direct Current).

Varför är hög spänning nödvändig för överföring?

Spänning spelar en viktig roll för att minska linjeförluster, även kända som överföringsförluster. Varje elektrisk ledare som används för effektöverföring har en viss mängd ohmisk resistans (R). När ström (I) flödar genom dessa ledare genererar de termisk energi, vilket i grund och botten är slöserad energi eller effekt (P).

Enligt Ohms lag

Som synes beror den slöserade energin i en ledare under överföring på strömmen snarare än spänningen. Men vi kan justera strömstyrkan genom spänningskonvertering med hjälp av specialiserad utrustning.

Under spänningskonvertering bevaras effekten och ändras inte. Spänningen och strömmen varierar helt enkelt omvänt med samma faktor, enligt principen:

Till exempel har 11 kW effekt vid en spänning på 220 V 50 ampere. I så fall skulle linjeförlusterna vara

Låt oss öka spänningen med en faktor 10. Så skulle samma effekt på 11 kW ha en spänning på 2200 V & 5 ampere. Nu skulle linjeförlusterna vara;

Som du kan se minskar ökningen av spänningen linjeförlusterna betydligt i överföringslinjer. För att minska strömmen i överföringskablar medan samma mängd effektöverföring bibehålls, ökar vi spänningen.

Strömkriget (AC kontra DC)

I slutet av 1880-talet, under det så kallade "strömkriget", var likström (DC) den första som användes för effektöverföring. Det ansågs dock vara mycket ineffektivt på grund av brist på praktisk spänningskonverteringsutrustning - till skillnad från växelström (AC), som enkelt kunde stegras upp eller ned med hjälp av transformatorer. Tidiga lågspännings-DC-kraftstationer kunde endast leverera el inom ett radie av några mil; utanför detta sjönk spänningen drastiskt, vilket krävde flera genereringsstationer i små områden - en kostsam lösning.

Även om högspännings-DC-överföring i sig ger lägre förluster än AC, byggde tidiga DC-system på kvicksilverbågeventiler (rektifierare) för att konvertera högspännings-AC till DC för långdistansöverföring. Dessa terminalenheter var tunga, dyra och krävde ofta underhåll. I motsats till detta berodde AC-överföring på transformatorer - mer effektiva, prisvärda och tillförlitliga - vilket gjorde AC till den dominerande valet för långdistansöverföring av el vid den tiden.

När man väljer mellan högspännings-AC (HVAC) och högspännings-DC (HVDC) för överföring måste flera kritiska faktorer tas i beaktning. Den här artikeln utforskar dessa faktorer i detalj.

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) och HVDC (High Voltage Direct Current) hänvisar till spänningsintervall som används för långdistansöverföring av el. HVDC föredras vanligtvis för ultra-långa avstånd (vanligtvis över 600 km), men båda systemen används idag vitt och brett runt om i världen, var och en med sina egna fördelar och nackdelar.

Överföringskostnader

Långdistansöverföring av el kräver höga spänningar, med effekt som överförs mellan terminalstationer som hanterar spänningskonvertering. Totala överföringskostnader beror därför på två komponenter: terminalstationskostnader och överföringslinjekostnader.

• Terminalstationer
  Terminalstationer konverterar spänningsnivåer för överföring. För AC-system görs detta huvudsakligen med hjälp av transformatorer, som växlar mellan höga och låga spänningar. För DC-system använder terminalstationer thyristorbaserade eller IGBT-baserade konverterare för att justera DC-spänningsnivåer.

  Eftersom transformatorer är mer tillförlitliga och billigare än halvledarskonverterare, är AC-terminalstationer mindre kostsamma än deras DC-motsvarigheter, vilket gör AC-spänningskonvertering mer ekonomisk.

• Överföringslinjer
  Linjekostnader beror på antalet ledare och designen av överföringstorn. HVDC-system kräver bara två ledare, medan HVAC-system behöver tre eller fler (inklusive bundlade ledare för att motverka koronaeffekter).

  AC-överföringstorn måste stödja tyngre mekaniska belastningar, vilket kräver starkare, högre och bredare konstruktioner jämfört med HVDC-torn. Linjekostnader ökar med avstånd, och per 100 km är HVAC-linjer betydligt dyrare än HVDC-linjer.

• Totala överföringskostnader
  Totala kostnader bestäms av terminalkostnader (fasta, oberoende av avstånd) och linjekostnader (variabel, ökar med avstånd). Således stiger den totala kostnaden för ett överföringssystem när avståndet ökar.

Jämnviktsavstånd

"Jämnviktsavstånd" hänvisar till det överföringsavstånd där den totala investeringskostnaden för HVAC överstiger den för HVDC. Detta avstånd är ungefär 400–500 mil (600–800 km). För avstånd som överstiger denna tröskel är HVDC det mer kostnadseffektiva valet; för kortare avstånd är HVAC mer ekonomiskt. Denna relation illustreras visuellt i grafen ovan.

Flexibilitet

HVDC används vanligtvis för punkt-till-punkt långdistansöverföring, eftersom det att ta ut effekt vid mellanliggande punkter skulle kräva dyra konverterare för att stega ner höga DC-spänningar. I motsats till detta erbjuder HVAC större flexibilitet: flera terminalstationer kan använda lågprisade transformatorer för att stega ner höga spänningar, vilket möjliggör effektuttag vid olika punkter längs linjen.

Effektförluster

HVAC-överföring ger upphov till flera typer av förluster, inklusive koronaförluster, skinneffektsförluster, strålförluster och induktionsförluster, vilka till stor del saknas eller minimeras i HVDC-system:

• Koronaförluster: När spänningen överstiger en kritisk tröskel joniserar luften runt ledarna, skapar gnistor (koronautsläpp) som slösar energi. Dessa förluster är frekvensberoende - eftersom DC har nollfrekvens är HVAC-koronaförluster ungefär tre gånger högre än de i HVDC.

• Skinneffektsförluster: Vid AC-överföring är strömtätheten högst vid ledarytan och lägst i kärnan (skinneffekten), vilket minskar den effektiva tvärsnittsytan som används för strömförsel. Detta ökar ledarnas resistans och förstärker I²R-förluster. DC-ström, å andra sidan, distribueras jämnt över ledaren, vilket eliminerar denna effekt.

• Strål- och induktionsförluster: HVAC:s alternerande magnetfält får långa överföringslinjer att fungera som antenner (som strålar irreversibel energi) och inducerar strömmar i närliggande ledare (induktionsförluster). HVDC:s konstanta magnetfält undviker båda problemen.

Skinneffekten

Skinneffekten, som är direkt proportionell mot frekvens, tvingar majoriteten av AC-strömmen att flöda nära ledarytan, vilket lämnar kärnan underutnyttjad. Detta minskar ledarens effektivitet: för att kunna föra större strömmar kräver HVAC-system ledare med ökad tvärsnittsarea, vilket ökar materialkostnaderna. HVDC, som inte påverkas av skinneffekten, använder ledare mer effektivt.

Således, för att kunna föra samma ström, kräver HVAC ledare med större diameter, medan HVDC kan uppnå detta med ledare med mindre diameter.

Kabelförloppsström och spänningsgradering

Kabler har graderade maximala tolerabla spänningar och strömmar. För AC är toppspänning och toppström ungefär 1,4 gånger högre än deras medelvärden (vilka motsvarar den faktiska levererade effekten eller ekvivalenta DC-värden). I motsats till detta har DC-system identiska topp- och medelvärden.

Men HVAC-ledare måste graderas för toppström och spänning, vilket slösar ungefär 30% av deras kapacitet. I motsats till detta använder HVDC full kapacitet av ledarna, vilket innebär att en ledare av samma storlek kan överföra mer effekt i HVDC-system.

Rättsväg

"Rättsväg" hänvisar till landkorridoren som krävs för överföringsinfrastruktur. HVDC-system har en smalare rättsväg på grund av mindre torn och färre ledare (två för DC jämfört med tre för trefas-AC). Dessutom måste AC-isolatorer på torn vara graderade för toppspänningar, vilket ytterligare ökar deras fotavtryck.

Denna smalare korridor minskar material-, konstruktions- och markkostnader, vilket gör HVDC superiort i fråga om rättsvägseffektivitet.

Undervattens effektöverföring

Undervattenskabler som används för havsbaserad effektöverföring har strömförlustkapacitans mellan parallella ledare. Kapacitansen reagerar på spänningsändringar - konstant i AC (50–60 cykler per sekund) men inträffar endast vid växling i DC.

AC-kabler laddas och lossas kontinuerligt, vilket orsakar betydande effektförluster innan effekten levereras till mottagaren. HVDC-kabler, som laddas enbart en gång, eliminera dessa förluster. För mer information, hänvisa till innehåll om undervattenskabelbyggnad, egenskaper, läggning och kopplingar.

Kontrollbarhet av effektflöde

HVAC-system saknar precis kontroll över effektflödet, medan HVDC-länkar använder IGBT-baserade halvledarkonverterare. Dessa komplexa konverterare, som kan växlas flera gånger per cykel, optimiserar effektfordelingen i systemet, förbättrar harmoniska prestanda och möjliggör snabb felidentifiering och rensning - fördelar som inte matchas av HVAC.

Samkoppling av asynkrona system och smarta nät

Ett smart nät tillåter flera produktionssentral att mata in i ett enhetligt nät, vilket utnyttjar småskaliga nät för högeffektgenerering. Men att ansluta flera asynkrona AC-nät (med olika frekvenser eller faspositioner) är mycket utmanande.

Samkoppling av asynkrona nät

Kraftnät runt om i världen drivs med olika frekvenser - vissa på 50 Hz, andra på 60 Hz. Även nät med samma frekvens kan vara ur fas. Dessa klassificeras som "asynkrona system" och kan inte kopplas samman via standard AC-länkar.

DC, däremot, påverkas inte av frekvens eller fas. HVDC-interlinks löser detta genom att konvertera AC till frekvens- och fasneutral DC, vilket möjliggör sömlös integration av asynkrona nät. På mottagar-sidan konverterar HVDC-inverterare DC tillbaka till AC med den önskade frekvensen, vilket underlättar enhetlig effektöverföring.

Brytare

Brytare är avgörande i högspänningsöverföring, ansvariga för att avenergisera kretsar vid fel eller under underhåll. En viktig krav är bågsläckningsförmåga för att avbryta effektflödet.

• HVAC-brytare: AC-ström växlar riktning kontinuerligt, vilket skapar naturliga nollströmsmoment (50–60 gånger per sekund) som automatiskt släcker bågar. Denna "självdämpande" egenskap förenklar HVAC-brytardesign, vilket gör dem relativt enkla och kostnadseffektiva.

• HVDC-brytare: DC-ström är unidirektionell utan naturliga nollgenomgångar. För att släcka bågar måste specialiserad kretskonstruktion artificiellt generera nollströmspunkter. Denna komplexitet gör HVDC-brytare mer komplicerade och dyra än deras AC-motsvarigheter.

Störningsgenerering

AC:s alternerande ström producerar en konstant varierande magnetfält, vilket kan inducera störningar i närliggande kommunikationslinjer. I motsats till detta eliminerar DC:s konstanta magnetfält sådana störningar, vilket säkerställer minimal störning av intilliggande kommunikationssystem.