Elektrik İletiminde HVAC ve HVDC Arasındaki Farklar Nedir
HVAC ve HVDC Arasındaki Fark
Elektrik santrallerinde üretilen elektrik, uzun mesafeler boyunca elektrik alt istasyonlarına iletilir ve buradan tüketicilere dağıtılmaya başlar. Uzun mesafe güç iletimi için kullanılan gerilim son derece yüksektir ve bu yüksek gerilimin nedenlerini daha sonra inceleyeceğiz. Ayrıca, iletilen güç, değişken akım (AC) veya sabit akım (DC) formunda olabilir. Bu nedenle, güç HVAC (Yüksek Gerilimli Değişken Akım) veya HVDC (Yüksek Gerilimli Sabit Akım) kullanılarak iletilabilir.
Neden İletim İçin Yüksek Gerilim Gerekli?
Gerilim, hat kayıplarını (veya iletim kayıplarını) azaltmada kritik bir rol oynar. Güç iletimi için kullanılan her elektrikiletken, belirli bir ohmik direnç (R) içerir. Akım (I), bu iletkenlerden geçtiğinde termal enerji üretir, bu da temelde boşa harcanan enerji veya güç (P) demektir.
Ohm Kanunu'na göre
Açıkça görülüyor ki, iletim sırasında iletken içinde harcanan enerji, voltajın değil, akımın üzerine bağlıdır. Ancak, özel ekipman kullanarak voltaj dönüştürme yoluyla akım büyüklüğünü ayarlayabiliriz.
Voltaj dönüştürme sırasında, güç korunur ve değişmez. Sadece voltaj ve akım, aynı faktörle ters orantılı olarak değişir, aşağıdaki ilkeye uygun olarak:
Örneğin, 220v voltajda 11KW gücünde 50 Amper akım bulunur. Bu durumda, iletim hat kayıpları olacaktır
Şimdi, voltajı 10 kat artıralım. Aynı 11KW güçte, voltaj 2200v ve 5 Amper olacaktır. Şimdi hat kayıpları şu şekilde olacaktır;
Görüldüğü gibi, voltajı artırarak iletim hatlarında güç kayıplarını önemli ölçüde azaltabiliriz. Bu nedenle, iletim kablosundaki akımı azaltırken aynı miktarda güç iletimini sürdürmek için voltajı artırırız.
Akım Savaşı (AC vs. DC)
1880'lerin sonlarında, "Akım Savaşı" adı verilen dönemde, sabit akım (DC) ilk olarak güç iletimi için kullanıldı. Ancak, pratik voltaj dönüştürme ekipmanlarının eksikliği nedeniyle oldukça etkisiz olduğu düşünülüyordu - değişken akım (AC), transformatörler kullanılarak kolayca yükseltilip alçaltılabilirdi. Erken düşük voltajlı DC güç istasyonları, birkaç mil yarıçapında elektrik sağlayabiliyordu; bu sınırlardan ötesinde, voltaj hızla düşerdi, bu da küçük alanlarda çok sayıda jeneratöre ihtiyaç duyulmasını gerektiriyordu - bu yaklaşım maliyetlidir.
Yüksek voltajlı DC iletim, AC'den daha düşük kayıplarla doğal olarak gerçekleşir, ancak erken DC sistemleri, uzun mesafe iletimi için yüksek voltajlı AC'yi DC'ye dönüştürmek üzere mercüri yay kapaklarını (düzelticileri) kullanıyordu. Bu uç cihazlar, büyük, pahalı ve sık bakım gerektiren gereklilikler taşıyordu. Karşılaştırıldığında, AC iletimi, daha etkili, uygun fiyatlı ve güvenilir olan transformatörlerden bağımlıydı, bu da o dönemde uzun mesafe güç iletimi için AC'nin hakim olması anlamına geliyordu.
Yüksek voltajlı AC (HVAC) ve yüksek voltajlı DC (HVDC) arasında seçim yaparken, birkaç kritik faktör göz önünde bulundurulmalıdır. Bu makale, bu faktörleri detaylı olarak inceler.
HVAC & HVDC
HVAC (Yüksek Gerilimli Değişken Akım) ve HVDC (Yüksek Gerilimli Sabit Akım), uzun mesafe güç iletimi için kullanılan voltaj aralıklarını ifade eder. HVDC genellikle ultra-uzun mesafeler (genellikle 600 km'den fazla) için tercih edilir, ancak her iki sistem de günümüzde dünya çapında yaygın olarak kullanılmaktadır, her biri kendi avantajları ve dezavantajlarıyla birlikte.
İletim Maliyetleri
Uzun mesafe güç iletimi, yüksek voltajlar gerektirir ve güç, voltaj dönüştürmesini yapan terminal istasyonları arasında aktarılır. Toplam iletim maliyetleri, dolayısıyla iki bileşenden oluşur: terminal istasyonu maliyetleri ve iletim hattı maliyetleri.
Maliyet Eşitleme Mesafesi
"Maliyet eşitleme mesafesi", HVAC'nin toplam yatırım maliyetinin HVDC'nin toplam yatırım maliyetinden fazla olduğu iletim uzunluğudur. Bu mesafe yaklaşık 400-500 mil (600-800 km)'dir. Bu eşiğin ötesindeki mesafelerde, HVDC daha maliyet etkin seçeneğidir; daha kısa mesafelerde, HVAC daha ekonomiktir. Bu ilişki, yukarıdaki grafikte görsel olarak gösterilmiştir.
Esneklik
HVDC genellikle noktadan noktaya uzun mesafe iletimi için kullanılır, çünkü aralıksız noktalarda güç çekimi, yüksek DC voltajlarını düşürmek için pahalı dönüştürücülere ihtiyaç duyar. Buna karşılık, HVAC, daha fazla esneklik sunar: birden fazla terminal istasyonu, düşük maliyetli transformatörler kullanarak yüksek voltajları düşürebilir, bu da hat boyunca çeşitli noktalarda güç çekimi sağlar.
Güç Kayıpları
HVAC iletim, korona kayıpları, deri etkisi kayıpları, radyasyon kayıpları ve indüksiyon kayıpları dahil olmak üzere çeşitli tür kayıplara sahiptir, bu kayıplar HVDC sistemlerinde büyük ölçüde yoktur veya en aza indirgenmiştir:
Deri Etkisi
Frekansa doğru orantılı olan deri etkisi, çoğu AC akımının iletken yüzeyinde akmasına, çekirdeğin kullanılmamasına neden olur. Bu, iletken verimliliğini azaltır: daha büyük akımlar taşımak için, HVAC sistemleri, malzeme maliyetlerini artıran daha büyük kesit alanına sahip iletkenlere ihtiyaç duyar. Deri etkisinden etkilenmeyen HVDC, iletkenleri daha verimli kullanır.
Bu nedenle, aynı akımı taşımak için, HVAC daha büyük çaplı iletkenlere, HVDC ise daha küçük çaplı iletkenlere ihtiyaç duyar.
Kablo Akım ve Voltaj Derecelendirmeleri
Kablolarda, maksimum toleransta voltaj ve akım derecelendirmeleri vardır. AC için, zirve voltaj ve akım, ortalama değerlerinin (gerçek teslim edilen güç veya eşdeğer DC değerlerine karşılık gelen) yaklaşık 1.4 katıdır. Karşılaştırıldığında, DC sistemlerde, zirve ve ortalama değerler aynıdır.
Ancak, HVAC iletkenleri, zirve akım ve voltaj için derecelendirilmelidir, bu da taşıma kapasitelerinin yaklaşık %30'unu boşa çıkarır. Karşılaştırıldığında, HVDC, iletkenlerin tam kapasitesini kullanır, bu da aynı boyuttaki bir iletkenin HVDC sistemlerinde daha fazla güç taşımak anlamına gelir.
Geçiş Hakkı
"Geçiş hakkı", iletim altyapısı için gereken arazi koridorunu ifade eder. HVDC sistemleri, daha küçük kuleler ve daha az iletken (DC için iki, üç fazlı AC için üç) nedeniyle daha dar bir geçiş hakkına sahiptir. Ayrıca, kulelerdeki AC yalıtıcılar, zirve voltajlar için derecelendirilmelidir, bu da iz bırakışlarını artırır.
Bu daha dar koridor, malzeme, inşaat ve arazi maliyetlerini azaltır, bu da HVDC'nin geçiş hakkı verimliliği açısından üstün olduğunu gösterir.
Denizaltı Güç İletimi
Offshore güç iletimi için kullanılan denizaltı kablolarında, paralel iletkenler arasında sapma kapasitansı vardır. Kapasitans, voltaj değişimlerine tepki verir - AC'de sürekli (saniyede 50-60 döngü) ama DC'de sadece anahtarlama sırasında gerçekleşir.
AC kabloları sürekli şarj ve şarjdan boşalır, bu da güç alıcısına ulaşmadan önce önemli miktarda güç kaybına neden olur. HVDC kabloları, sadece bir kez şarj edildiği için, bu kayıpları ortadan kaldırır. Daha fazla ayrıntı için, denizaltı kablo inşası, özellikleri, serme ve bağlantıları hakkında içeriklere başvurun.
Güç Akışı Kontrolü
HVAC sistemleri, güç akışı üzerinde hassas kontrol sağlama konusunda yetersizdir, HVDC bağlantıları ise IGBT tabanlı yarı iletken dönüştürücüler kullanır. Bu karmaşık dönüştürücüler, her döngüde birden fazla kez anahtarlama yeteneği ile, sistem genelinde güç dağılımını optimize eder, harmonik performansı geliştirir ve hızlı arız koruması ve temizlemeyi sağlar - HVAC'nin eşleşemeyeceği avantajlardır.
Asenkron Sistemlerin Bağlanması ve Akıllı Ağlar
Akıllı ağ, birçok jenerasyon istasyonunun birleştirilmiş bir ağ beslemesine olanak tanır, küçük ölçekli ağları yüksek güç üretiminde kullanır. Ancak, farklı frekans veya fazlara sahip birçok asenkron AC ağını (farklı frekans veya fazlara sahip) bağlamak oldukça zordur.
Asenkron Ağların Bağlanması
Dünya çapındaki güç ağları, bazıları 50 Hz, bazıları 60 Hz'de çalışır. Ayn
