ความแตกต่างระหว่าง HVAC และ HVDC ในระบบส่งกำลังไฟฟ้า

ความแตกต่างระหว่าง HVAC และ HVDC

พลังงานไฟฟ้าที่สร้างขึ้นในโรงไฟฟ้าถูกส่งผ่านระยะทางไกลไปยังสถานีไฟฟ้าซึ่งจะกระจายให้กับผู้ใช้ แรงดันที่ใช้ในการส่งไฟฟ้าระยะทางไกลมีค่าสูงมาก และเราจะสำรวจเหตุผลสำหรับแรงดันสูงนี้ในภายหลัง นอกจากนี้ ไฟฟ้าที่ส่งผ่านอาจอยู่ในรูปแบบกระแสสลับ (AC) หรือกระแสตรง (DC) ดังนั้น ไฟฟ้าสามารถส่งผ่านโดยใช้ HVAC (High Voltage Alternating Current) หรือ HVDC (High Voltage Direct Current)

ทำไมแรงดันสูงจึงจำเป็นสำหรับการส่ง?

แรงดันมีบทบาทสำคัญในการลดการสูญเสียบนสายส่ง หรือที่เรียกว่าการสูญเสียจากการส่ง ทุกคอนดักเตอร์ที่ใช้ในการส่งไฟฟ้ามีความต้านทานโอห์ม (R) บางส่วน เมื่อมีกระแส (I) ไหลผ่านคอนดักเตอร์เหล่านี้ จะทำให้เกิดพลังงานความร้อน ซึ่งเป็นพลังงานที่สูญเปล่าหรือพลังงาน (P)

ตามกฎของโอห์ม

ตามที่เห็นได้ชัด ปริมาณพลังงานที่สูญเสียในคอนดักเตอร์ระหว่างการส่งขึ้นอยู่กับกระแสไม่ใช่แรงดัน แต่เราสามารถปรับขนาดของกระแสโดยใช้อุปกรณ์เฉพาะในการแปลงแรงดัน

ระหว่างการแปลงแรงดัน พลังงานจะคงที่และไม่เปลี่ยนแปลง แรงดันและกระแสเพียงแค่แปรผันกลับกันตามหลักการเดียวกัน:

ตัวอย่างเช่น กำลัง 11 กิโลวัตต์ ที่แรงดัน 220 โวลต์ มีกระแส 50 แอมแปร์ ในกรณีนี้ การสูญเสียบนสายส่งจะเป็น

ลองเพิ่มแรงดันขึ้น 10 เท่า ดังนั้น กำลัง 11 กิโลวัตต์ จะมีแรงดัน 2200 โวลต์ และ 5 แอมแปร์ ตอนนี้การสูญเสียบนสายส่งจะเป็น

ตามที่เห็นได้ชัด การเพิ่มแรงดันทำให้การสูญเสียพลังงานบนสายส่งลดลงอย่างมาก ดังนั้น เพื่อลดกระแสในสายส่งขณะรักษาปริมาณการส่งพลังงานเดิม เราจึงเพิ่มแรงดัน

สงครามของกระแส (AC vs. DC)

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 1880 ระหว่างที่เรียกว่า "สงครามของกระแส" กระแสตรง (DC) เป็นรูปแบบแรกที่ใช้ในการส่งไฟฟ้า แต่ถูกมองว่าไม่มีประสิทธิภาพเนื่องจากขาดอุปกรณ์แปลงแรงดันที่เหมาะสม ต่างจากกระแสสลับ (AC) ที่สามารถแปลงแรงดันขึ้นหรือลงได้ง่ายโดยใช้หม้อแปลง สถานีไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันต่ำในระยะแรกสามารถจ่ายไฟฟ้าได้ภายในรัศมีไม่กี่ไมล์ หากเกินกว่านั้น แรงดันจะลดลงอย่างมาก ทำให้ต้องใช้สถานีกำเนิดไฟฟ้าหลายแห่งในพื้นที่เล็กๆ ซึ่งเป็นวิธีที่มีค่าใช้จ่ายสูง

แม้ว่าการส่งกระแสตรงแรงดันสูงจะมีการสูญเสียน้อยกว่า AC แต่ระบบ DC ในระยะแรกอาศัยวาล์วอาร์กเมอร์กิวรี (rectifiers) ในการแปลงกระแสสลับแรงดันสูงเป็นกระแสตรงสำหรับการส่งระยะไกล อุปกรณ์ปลายทางเหล่านี้มีขนาดใหญ่ ราคาแพง และต้องการการบำรุงรักษาบ่อยครั้ง ในทางกลับกัน การส่งกระแสสลับขึ้นอยู่กับหม้อแปลง ซึ่งมีประสิทธิภาพ ราคาถูก และเชื่อถือได้ ทำให้ AC เป็นทางเลือกหลักสำหรับการส่งไฟฟ้าระยะไกลในเวลานั้น

เมื่อเลือกระหว่างการส่งกระแสสลับแรงดันสูง (HVAC) และกระแสตรงแรงดันสูง (HVDC) ต้องพิจารณาปัจจัยสำคัญหลายประการ บทความนี้จะสำรวจปัจจัยเหล่านี้อย่างละเอียด

HVAC & HVDC

HVAC (High Voltage Alternating Current) และ HVDC (High Voltage Direct Current) หมายถึงช่วงแรงดันที่ใช้ในการส่งไฟฟ้าระยะไกล HVDC ถูกเลือกใช้สำหรับระยะทางยาวมาก (โดยทั่วไปเกิน 600 กิโลเมตร) แต่ทั้งสองระบบยังถูกใช้อย่างกว้างขวางทั่วโลกในปัจจุบัน แต่ละระบบมีข้อดีและข้อเสียของตนเอง

ค่าใช้จ่ายในการส่ง

การส่งไฟฟ้าระยะทางไกลต้องใช้แรงดันสูง โดยมีการถ่ายโอนพลังงานระหว่างสถานีปลายทางที่จัดการการแปลงแรงดัน ค่าใช้จ่ายในการส่งรวมจึงขึ้นอยู่กับสองส่วน: ค่าใช้จ่ายของสถานีปลายทางและค่าใช้จ่ายของสายส่ง

• สถานีปลายทาง
  สถานีปลายทางแปลงระดับแรงดันสำหรับการส่ง สำหรับระบบ AC การนี้ทำโดยใช้หม้อแปลง ซึ่งแปลงระหว่างแรงดันสูงและต่ำ สำหรับระบบ DC สถานีปลายทางใช้คอนเวอร์เตอร์ที่ใช้ thyristor หรือ IGBT ในการปรับแรงดัน DC

  เนื่องจากหม้อแปลงมีความเชื่อถือได้และราคาถูกกว่าคอนเวอร์เตอร์แบบโซลิดสเตต สถานีปลายทาง AC จึงมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่า DC ทำให้การแปลงแรงดัน AC มีประสิทธิภาพมากกว่า

• สายส่ง
  ค่าใช้จ่ายของสายส่งขึ้นอยู่กับจำนวนคอนดักเตอร์และการออกแบบเสาส่ง HVDC ต้องการเพียง 2 คอนดักเตอร์ ในขณะที่ HVAC ต้องการ 3 หรือมากกว่า (รวมถึงคอนดักเตอร์ที่รวมกันเพื่อลดผลกระทบของโคโรนา)

  เสาส่ง AC ต้องรองรับภาระทางกลที่หนัก ทำให้ต้องใช้โครงสร้างที่แข็งแรง สูง และกว้างกว่าเสาส่ง HVDC ค่าใช้จ่ายของสายส่งเพิ่มขึ้นตามระยะทาง และทุก 100 กิโลเมตร สายส่ง HVAC มีค่าใช้จ่ายสูงกว่า HVDC อย่างมาก

• ค่าใช้จ่ายในการส่งรวม
  ค่าใช้จ่ายรวมถูกกำหนดโดยค่าใช้จ่ายของสถานีปลายทาง (คงที่ ไม่ขึ้นอยู่กับระยะทาง) และค่าใช้จ่ายของสายส่ง (แปรผัน ขึ้นอยู่กับระยะทาง) ดังนั้น ค่าใช้จ่ายรวมของระบบส่งไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นตามระยะทาง

ระยะทางที่เท่ากัน

"ระยะทางที่เท่ากัน" หมายถึงระยะทางของการส่งที่ค่าใช้จ่ายรวมของ HVAC เกินกว่า HVDC ระยะทางนี้ประมาณ 400-500 ไมล์ (600-800 กิโลเมตร) สำหรับระยะทางที่เกินกว่านี้ HVDC เป็นทางเลือกที่ประหยัดกว่า สำหรับระยะทางที่สั้นกว่านี้ HVAC ประหยัดกว่า ความสัมพันธ์นี้แสดงอย่างชัดเจนในกราฟด้านบน

ความยืดหยุ่น

HVDC ใช้สำหรับการส่งระยะทางยาวแบบจุดต่อจุด เนื่องจากการดึงไฟฟ้าที่จุดกลางต้องใช้คอนเวอร์เตอร์ราคาแพงเพื่อลดแรงดัน DC ที่สูง ในทางกลับกัน HVAC มีความยืดหยุ่นมากขึ้น: สถานีปลายทางหลายแห่งสามารถใช้หม้อแปลงราคาถูกในการลดแรงดันสูง ทำให้สามารถดึงไฟฟ้าได้ที่จุดต่างๆ ตลอดแนวสายส่ง

การสูญเสียพลังงาน

การส่ง HVAC มีการสูญเสียหลายประเภท รวมถึงการสูญเสียจากโคโรนา ผลผิว รังสี และการเหนี่ยวนำ ซึ่งส่วนใหญ่ไม่มีหรือลดลงอย่างมากในระบบ HVDC:

• การสูญเสียจากโคโรนา: เมื่อแรงดันเกินค่าวิกฤต อากาศรอบคอนดักเตอร์จะไอออนไนซ์ สร้างประกายไฟ (การปล่อยโคโรนา) ที่สูญเสียพลังงาน การสูญเสียนี้ขึ้นอยู่กับความถี่—เนื่องจาก DC มีความถี่เป็นศูนย์ การสูญเสียจากโคโรนาใน HVAC ประมาณสามเท่าของ HVDC

• ผลผิว: ในการส่ง AC ความหนาแน่นของกระแสสูงที่ผิวคอนดักเตอร์และต่ำที่แกนกลาง (ผลผิว) ทำให้พื้นที่ภาคตัดขวางที่ใช้สำหรับการไหลของกระแสลดลง ทำให้ความต้านทานของคอนดักเตอร์เพิ่มขึ้นและเพิ่มการสูญเสีย I²R กระแส DC กระจายสม่ำเสมอทั่วคอนดักเตอร์ ทำให้ไม่มีผลผิว

• การสูญเสียจากการรังสีและการเหนี่ยวนำ: สนามแม่เหล็กสลับของ HVAC ทำให้สายส่งยาวทำงานเหมือนเสาอากาศ (รังสีพลังงานที่ไม่สามารถรับคืนได้) และเหนี่ยวนำกระแสในคอนดักเตอร์ใกล้เคียง (การสูญเสียจากการเหนี่ยวนำ) สนามแม่เหล็กคงที่ของ HVDC หลีกเลี่ยงปัญหาเหล่านี้

ผลผิว

ผลผิว ซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่ บังคับให้กระแส AC ส่วนใหญ่ไหลใกล้ผิวคอนดักเตอร์ ทำให้แกนกลางไม่ได้ใช้ ทำให้ประสิทธิภาพของคอนดักเตอร์ลดลง: สำหรับการส่งกระแสที่ใหญ่ขึ้น HVAC ต้องใช้คอนดักเตอร์ที่มีพื้นที่ภาคตัดขวางใหญ่ขึ้น ทำให้ค่าใช้จ่ายวัสดุเพิ่มขึ้น HVDC ไม่ได้รับผลกระทบจากผลผิว ใช้คอนดักเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ดังนั้น เพื่อส่งกระแสที่เท่ากัน HVAC ต้องใช้คอนดักเตอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ในขณะที่ HVDC สามารถทำได้ด้วยคอนดักเตอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า

อัตรากระแสและความอดทนแรงดันของสายเคเบิล

สายเคเบิลมีแรงดันและความอดทนกระแสสูงสุดที่กำหนดไว้ สำหรับ AC แรงดันและกระแสสูงสุดประมาณ 1.4 เท่าของค่าเฉลี่ย (ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานที่ส่งจริงหรือค่า DC ที่เทียบเท่า) ในทางกลับกัน ระบบ DC มีค่าสูงสุดและค่าเฉลี่ยเท่ากัน

อย่างไรก็ตาม คอนดักเตอร์ HVAC ต้องมีการจัดอันดับสำหรับกระแสและแรงดันสูงสุด ทำให้สูญเสียความสามารถในการขนส่งประมาณ 30% ในทางกลับกัน HVDC ใช้ความสามารถเต็มของคอนดักเตอร์ หมายความว่าคอนดักเตอร์ขนาดเดียวกันสามารถส่งพลังงานได้มากขึ้นในระบบ HVDC

ทางเดิน

"ทางเดิน" หมายถึงพื้นที่ทางดินที่จำเป็นสำหรับโครงสร้างส่งไฟฟ้า ระบบ HVDC มีทางเดินที่แคบลงเนื่องจากเสาที่เล็กกว่าและคอนดักเตอร์น้อยกว่า (2 สำหรับ DC ต่อ 3 สำหรับ AC สามเฟส) นอกจากนี้ ฉนวนบนเสา AC ต้องมีการจัดอันดับสำหรับแรงดันสูงสุด ทำให้พื้นที่ที่ใช้เพิ่มขึ้น

ทางเดินที่แคบลงนี้ทำให้ลดค่าวัสดุ การก่อสร้าง และที่ดิน ทำให้ HVDC มีประสิทธิภาพมากกว่าในด้านทางเดิน

การส่งไฟฟ้าใต้น้ำ

สายเคเบิลใต้น้ำที่ใช้ในการส่งไฟฟ้านอกชายฝั่งมีความจุไฟฟ้ารั่วระหว่างคอนดักเตอร์ขนาน ความจุไฟฟ้าตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดัน—คงที่ใน AC (50-60 ไซเคิลต่อวินาที) แต่เกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีการสวิตช์ใน DC

สายเคเบิล AC ชาร์จและปล่อยพลังงานอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานอย่างมากก่อนที่จะส่งถึงปลายทาง สายเคเบิล HVDC ชาร์จเพียงครั้งเดียว ทำให้ไม่มีการสูญเสียดังกล่าว สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดดูเนื้อหาเกี่ยวกับการก่อสร้าง ลักษณะ การวาง และการเชื่อมต่อของสายเคเบิลใต้น้ำ

การควบคุมการไหลของพลังงาน

ระบบ HVAC ขาดการควบคุมที่แม่นยำในการไหลของพลังงาน ในขณะที่ระบบ HVDC ใช้คอนเวอร์เตอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ IGBT คอนเวอร์เตอร์ที่ซับซ้อนเหล่านี้ สามารถสวิตช์หลายครั้งต่อวงจร ทำให้การกระจายพลังงานในระบบมีประสิทธิภาพ ปรับปรุงสมรรถนะฮาร์โมนิก และสามารถป้องกันและกำจัดความผิดปกติได้อย่างรวดเร็ว—เป็นข้อได้เปรียบที่ไม่สามารถเทียบเท่ากับ HVAC

การเชื่อมโยงระบบไม่ซิงโครนัสและเครือข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ

เครือข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะช่วยให้สถานีกำเนิดไฟฟ้าหลายแห่งสามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายเดียว ใช้ประโยชน์จากเครือข่ายขนาดเล็กสำหรับการผลิตพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม การเชื่อมต่อเครือข่าย AC หลายแห่งที่มีความถี่หรือเฟสต่างกันเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างมาก

การเชื่อมโยงเครือข่ายไม่ซิงโครนัส

เครือข่ายไฟฟ้าทั่วโลกทำงานที่ความถี่ต่างกัน—บางแห่งที่ 50 Hz บางแห่งที่ 60 Hz แม้กระทั่งเครือข่ายที่มีความถี่เดียวกันอาจไม่ซิงโครนัส ซึ่งถูกจัดเป็น "ระบบไม่ซิงโครนัส" และไม่สามารถเชื่อมต่อผ่านลิงก์ AC มาตรฐานได้

DC ไม่ได้รับผลกระทบจากความถี่หรือเฟส ลิงก์ HVDC แก้ปัญหานี้โดยแปลง AC เป็น DC ที่ไม่ขึ้นอยู่กับความถี่และเฟส ทำให้สามารถเชื่อมโยงเครือข่ายไม่ซิงโครนัสได้อย่างราบรื่น ที่ปลายทาง HVDC คอนเวอร์เตอร์แปลง DC กลับเป็น AC ที่มีความถี่ที่ต้องการ ทำให้การส่งพลังงานเป็นเอกภาพ

วงจรตัดไฟ

วงจรตัดไฟมีความสำคัญในการส่งไฟฟ้าแรงดันสูง รับผิดชอบในการตัดวงจรระหว่างความผิดปกติหรือการบำรุงรักษา ข้อกำหนดสำคัญคือความสามารถในการดับอาร์กเพื่อหยุดการไหลของพลังงาน

• วงจรตัดไฟ HVAC: กระแส AC ย้อนทิศทางอย่างต่อเนื่อง สร้างจุดศูนย์กระแสธรรมชาติ (50-60 ครั้งต่อวินาที) ที่ดับอาร์กโดยอัตโนมัติ คุณสมบัติ "ดับเอง" นี้ทำให้การออกแบบวงจรตัดไฟ HVAC ง่ายและมีราคาถูก

• วงจรตัดไฟ HVDC: กระแส DC เป็นทางเดียวไม่มีจุดศูนย์กระแสธรรมชาติ ในการดับอาร์ก ต้องใช้วงจรพิเศษในการสร้างจุดศูนย์กระแส ความซับซ้อนนี้ทำให้วงจรตัดไฟ HVDC ซับซ้อนและมีราคาแพงกว่าวงจรตัดไฟ AC

การสร้างการรบกวน

กระแสสลับของ AC สร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ซึ่งอาจเหนี่ยวนำการรบกวนในสายสื่อสารใกล้เคียง ในทางกลับกัน สนามแม่เหล็กคงที่ของ DC ขจัดการรบกวน ทำให้มั่นใจได้ว่ามีการรบกวนต่อระบบสื่อสารใกล้เคียงน้อยที่สุด