Ano ang mga Pagkakaiba sa Pagitan ng HVAC at HVDC sa Transmisyong ng Paggamit ng Enerhiya?

Pagkakaiba ng HVAC at HVDC

Ang kuryente na ginagawa sa mga planta ng kuryente ay ipinapadala sa mahabang layo patungo sa mga substation ng kuryente, na pagkatapos ay inilalagay ito sa mga consumer. Ang tensyon na ginagamit para sa pagpapadala ng kuryente sa mahabang layo ay napakataas, at sususunod ang pagsisiyasat sa mga dahilan para sa mataas na tensyon. Bukod dito, maaaring magkabilang anyo ang pinadadalang kapangyarihan, yaon ay alternating current (AC) o direct current (DC). Kaya, maaaring gamitin ang HVAC (High Voltage Alternating Current) o HVDC (High Voltage Direct Current) para sa pagpapadala ng kapangyarihan.

Bakit Kinakailangan ang Mataas na Tensyon para sa Pagpapadala?

Ang tensyon ay naglalaro ng mahalagang papel sa pagbawas ng pagkawala ng linya, kilala rin bilang transmission losses. Bawat conductor ng kuryente na ginagamit para sa pagpapadala ng kuryente ay may tiyak na halaga ng ohmic resistance (R). Kapag umagos ang current (I) sa mga conductor na ito, lumilikha sila ng thermal energy, na siyang sayang na enerhiya o kapangyarihan (P).

Ayon sa Ohm's Law

Tulad ng malinaw, ang sayang na enerhiya sa isang conductor sa panahon ng pagpapadala ay depende sa current hindi sa tensyon. Ngunit, maaari nating i-adjust ang magnitude ng current sa pamamagitan ng conversion ng tensyon gamit ang espesyal na kagamitan.

Sa panahon ng conversion ng tensyon, ang kapangyarihan ay nananatiling conserved at hindi nagbabago. Ang tensyon at current ay simpleng nag-iiba inversely sa parehong factor, sumusunod sa prinsipyo:

Halimbawa, 11KW power sa tensyon ng 220v ay may 50 Amps. Sa ganitong kaso, ang transmission line losses ay

Palakihin natin ang tensyon ng factor ng 10. Kaya ang parehong kapangyarihan ng 11KW ay magkakaroon ng tensyon ng 2200v & 5 Amps. Ngayon, ang line losses ay;

Tulad ng makikita, ang pagtaas ng tensyon ay nakakabawas ng malaking bahagi ng pagkawala ng kapangyarihan sa transmission lines. Kaya upang bawasan ang current sa mga cable ng transmission habang pinapanatili ang parehong halaga ng pagpapadala ng kapangyarihan, inaangat natin ang tensyon.

Ang War of the Currents (AC vs. DC)

Noong huling bahagi ng 1880s, sa tinatawag na "War of the Currents," ang direct current (DC) ang unang inilunsad para sa pagpapadala ng kapangyarihan. Gayunpaman, ito ay itinuturing na labis na inefficient dahil sa kakulangan ng praktikal na kagamitan para sa conversion ng tensyon - iba't iba sa alternating current (AC), na maaaring madali na i-step up o i-step down gamit ang transformers. Ang maagang low-voltage DC power stations ay maaaring magbigay lamang ng kuryente sa loob ng radius ng ilang miles; mas malayo pa rito, bumababa ang tensyon nang drastika, kaya kailangan ng maraming generating stations sa maliit na lugar - isang mahal na pamamaraan.

Bagama't ang high-voltage DC transmission ay natural na nagdudulot ng mas mababang pagkawala kaysa sa AC, ang maagang DC systems ay umasa sa mercury arc valves (rectifiers) upang i-convert ang high-voltage AC to DC para sa pagpapadala sa mahabang layo. Ang mga terminal device na ito ay bulky, mahal, at kailangan ng madalas na maintenance. Sa kabaligtaran, ang AC transmission ay umasa sa transformers - mas efficient, affordable, at reliable - kaya ang AC ang dominant na choice para sa pagpapadala ng kuryente sa mahabang layo noong panahong iyon.

Kapag pinili ang pagitan ng high-voltage AC (HVAC) at high-voltage DC (HVDC) para sa pagpapadala, dapat isaalang-alang ang ilang critical factors. Ito ang article na ito ay tatalakay ang mga factors na ito sa detalye.

HVAC & HVDC

Ang HVAC (High Voltage Alternating Current) at HVDC (High Voltage Direct Current) ay tumutukoy sa range ng tensyon na ginagamit para sa pagpapadala ng kuryente sa mahabang layo. Ang HVDC ay karaniwang pinili para sa ultra-long distances (karaniwang higit sa 600 km), bagaman parehong sistema ay malawak na ginagamit sa buong mundo ngayon, bawat isa may sarili nitong mga advantages at drawbacks.

Transmission Costs

Ang pagpapadala ng kuryente sa mahabang layo ay nangangailangan ng mataas na tensyon, na ang kapangyarihan ay inililipat sa pagitan ng mga terminal station na nag-handle ng conversion ng tensyon. Ang kabuuang transmission costs kaya depende sa dalawang component: terminal station costs at transmission line costs.

• Terminal Stations
  Ang mga terminal station ay nag-convert ng mga level ng tensyon para sa pagpapadala. Para sa mga AC systems, ito ay pangunahing ginagawa gamit ang transformers, na switch sa pagitan ng mataas at mababang tensyon. Para sa mga DC systems, ang mga terminal station ay gumagamit ng thyristor o IGBT-based converters upang i-adjust ang mga level ng DC tensyon.

  Dahil ang mga transformers ay mas reliable at mas mura kaysa sa solid-state converters, ang AC terminal stations ay mas mura kaysa sa kanilang DC counterparts, kaya mas ekonomiko ang AC voltage conversion.

• Transmission Lines
  Ang mga line costs ay depende sa bilang ng mga conductor at design ng transmission towers. Ang HVDC systems ay nangangailangan lamang ng dalawang conductor, samantalang ang HVAC systems nangangailangan ng tatlo o higit pa (kasama ang bundled conductors upang mapabuti ang corona effects).

  Ang mga AC transmission towers ay kailangan ng mas matibay, mas taas, at mas lapad na structure kumpara sa HVDC towers. Ang mga line costs ay tumataas kasama ang layo, at per 100 km, ang HVAC lines ay mas mahal kaysa sa HVDC lines.

• Overall Transmission Costs
  Ang kabuuang costs ay nadetermina ng terminal costs (fixed, independent of distance) at line costs (variable, increasing with distance). Kaya, ang kabuuang cost ng isang transmission system ay tumataas habang tumataas ang layo.

Break-Even Distance

Ang "break-even distance" ay tumutukoy sa transmission length na lumalampas kung saan ang kabuuang investment cost ng HVAC ay lumalampas sa HVDC. Ang layo na ito ay humigit-kumulang 400-500 miles (600-800 km). Para sa layo na lumampas sa threshold na ito, ang HVDC ang mas cost-effective na choice; para sa mas maikling layo, ang HVAC ang mas ekonomiko. Ang relasyon na ito ay visual na ipinapakita sa graph sa itaas.

Flexibility

Ang HVDC ay karaniwang ginagamit para sa point-to-point long-distance transmission, dahil ang pag-tap ng power sa intermediate points ay nangangailangan ng mahal na converters upang i-step down ang mataas na DC tensyon. Sa kabaligtaran, ang HVAC ay nagbibigay ng mas maraming flexibility: maraming terminal stations ay maaaring gumamit ng mura na transformers upang i-step down ang mataas na tensyon, na nagbibigay ng pagkakataon para sa extraction ng power sa iba't ibang puntos sa linya.

Power Losses

Ang HVAC transmission ay nagdudulot ng iba't ibang uri ng pagkawala, kabilang ang corona losses, skin effect losses, radiation losses, at induction losses, na kadalasang wala o minimized sa HVDC systems:

• Corona Losses: Kapag lumampas ang tensyon sa critical threshold, ang hangin sa paligid ng mga conductor ay ionizes, lumilikha ng sparks (corona discharge) na sayang ang enerhiya. Ang mga pagkawala na ito ay frequency-dependent—dahil ang DC ay walang frequency, ang HVAC corona losses ay humigit-kumulang tatlong beses mas mataas kaysa sa HVDC.

• Skin Effect Losses: Sa AC transmission, ang current density ay pinakamataas sa surface ng conductor at pinakamababa sa core (ang "skin effect"), na nagbabawas ng effective cross-sectional area na ginagamit para sa pag-ilog ng current. Ito ay nagpapataas ng resistance ng conductor at amplifies I²R losses. Ang DC current, sa kabaligtaran, ay nagdistribute ng uniform across ang conductor, na nag-eeliminate ng epekto na ito.

• Radiation and Induction Losses: Ang alternating magnetic field ng HVAC ay nagpapahiwatig na ang mahabang transmission lines ay gumagana bilang antennas (na radiate irrecoverable energy) at nag-induce ng currents sa nearby conductors (induction losses). Ang steady magnetic field ng HVDC ay nakakaiwas sa parehong issues.

The Skin Effect

Ang skin effect, na direktang proportional sa frequency, ay pilitin ang karamihan ng AC current na umagos malapit sa surface ng conductor, na iiwan ang core underutilized. Ito ay nagbawas ng efficiency ng conductor: upang magbigay ng mas malaking current, ang HVAC systems ay nangangailangan ng conductors na may increased cross-sectional area, na nagpapataas ng material costs. Ang HVDC, na hindi naapektuhan ng skin effect, ay gumagamit ng conductors nang mas epektibo.

Kaya, upang magbigay ng parehong current, ang HVAC ay nangangailangan ng conductors na may mas malaking diameter, samantalang ang HVDC ay maaaring makamit ito gamit ang mas maliit na diameter ng conductors.

Cable Current and Voltage Ratings

Ang mga cable ay may rated maximum tolerable voltage at current. Para sa AC, ang peak voltage at current ay humigit-kumulang 1.4 beses mas mataas kaysa sa kanilang average values (na tumutugon sa actual delivered power o equivalent DC values). Sa kabaligtaran, ang DC systems ay may identical peak at average values.

Gayunpaman, ang HVAC conductors ay kailangan na rated para sa peak current at voltage, na sayang humigit-kumulang 30% ng kanilang carrying capacity. Sa kabaligtaran, ang HVDC ay gumagamit ng full capacity ng conductors, na nangangahulugan na ang conductor ng parehong laki ay maaaring magpadala ng mas maraming power sa HVDC systems.

Right-of-Way

Ang "right-of-way" ay tumutukoy sa land corridor na kinakailangan para sa transmission infrastructure. Ang HVDC systems ay may mas narrow right-of-way dahil sa mas maliit na towers at mas kaunti na conductors (dalawa para sa DC kumpara sa tatlo para sa three-phase AC). Karagdagang, ang AC insulators sa mga towers ay kailangan na rated para sa peak voltages, na nagpapataas pa ng kanilang footprint.

Ang mas narrow na corridor ay nagbabawas ng material, construction, at land costs, kaya mas superior ang HVDC sa aspeto ng right-of-way efficiency.

Submarine Power Transmission

Ang submarine cables na ginagamit para sa offshore power transmission ay may stray capacitance sa pagitan ng parallel conductors. Ang capacitance ay reaksyon sa mga pagbabago ng tensyon—constant sa AC (50-60 cycles per second) pero nangyayari lamang sa switching sa DC.

Ang AC cables ay patuloy na nag-charge at nag-discharge, na nagdudulot ng significant power losses bago mag-deliver ng power sa receiving end. Ang HVDC cables, na charged only once, ay nag-eeliminate ng mga pagkawala. Para sa mas detalyadong impormasyon, tumingin sa content tungkol sa submarine cable construction, characteristics, laying, at joints.

Controllability of Power Flow

Ang HVAC systems ay walang precise control sa power flow, samantalang ang HVDC links ay gumagamit ng IGBT-based semiconductor converters. Ang mga complex na converters na ito, na switchable multiple times per cycle, ay optimize ang power distribution sa buong sistema, improve ang harmonic performance, at nagbibigay ng mabilis na fault protection at clearance—mga advantages na hindi matutugunan ng HVAC.

Interlinking Asynchronous Systems and Smart Grids

Ang smart grid ay nagbibigay ng pagkakataon para sa maraming generating stations na mag-feed sa isang unified network, na gumagamit ng small-scale grids para sa high-power generation. Gayunpaman, ang pag-connect ng maraming asynchronous AC grids (na may iba't ibang frequencies o phases) ay lubhang challenging.

Interlinking Asynchronous Grids

Ang mga power grids sa buong mundo ay gumagana sa iba't ibang frequencies—ang ilan ay 50 Hz, ang iba naman ay 60 Hz. Kahit ang mga grid na may parehong frequency ay maaaring out of phase. Ang mga ito ay inilalagay bilang "asynchronous systems" at hindi maaaring konektado sa pamamagitan ng standard AC links.

Ang DC, sa kabaligtaran, ay hindi naapektuhan ng frequency o phase. Ang HVDC interlinks ay nagreresolba nito sa pamamagitan ng conversion ng AC sa frequency- at phase-agnostic DC, na nagbibigay ng seamless integration ng asynchronous grids. Sa receiving end, ang HVDC inverters ay nagco-convert ng DC back to AC na may required frequency, na nagpapahusay ng unified power transmission.

Circuit Breakers

Ang circuit breakers ay critical sa high-voltage transmission, na responsable sa de-energizing ng circuits sa panahon ng faults o maintenance. Ang isang key requirement ay ang arc-extinguishing capability upang interruptin ang power flow.

• HVAC Circuit Breakers: Ang AC current ay patuloy na nag-reverse direction, na lumilikha ng natural zero-current moments (50-60 times per second) na automatic na extinguish ang arcs. Ang "self-extinguishing" feature na ito ay simplifies ang HVAC breaker design, na nagpapataas ng kanilang relatively straightforward at cost-effective.

• HVDC Circuit Breakers: Ang DC current ay unidirectional na walang natural zero crossings. Upang extinguish ang arcs, kailangan ng specialized circuitry upang artificially generate zero-current points. Ang complexity na ito ay nagpapataas ng HVDC breakers na mas intricate at expensive kaysa sa kanilang AC counterparts.

Interference Generation

Ang alternating current ng AC ay lumilikha ng constantly varying magnetic field, na maaaring mag-induce ng interference sa nearby communication lines. Sa kabaligtaran, ang steady magnetic field ng DC ay nag-eeliminate ng mga interference, na nagbibigay ng minimal disruption sa adjacent communication systems.