Що таке HVAC та HVDC у передачі електроенергії
Різниця між HVAC та HVDC
Електроенергія, вироблена на електростанціях, передається на великі відстані до електропідстанцій, які потім розподіляють її серед споживачів. Напруга, яка використовується для передачі енергії на великі відстані, дуже висока, і ми розглянемо причини цієї високої напруги трохи пізніше. Крім того, передавана енергія може бути у формі альтернуючого струму (AC) або постійного струму (DC). Тому енергію можна передавати за допомогою систем HVAC (High Voltage Alternating Current) або HVDC (High Voltage Direct Current).
Чому необхідна висока напруга для передачі?
Напруга грає ключову роль у зменшенні втрат лінії, також відомих як втрати передачі. Кожний електричний провідник, який використовується для передачі енергії, має певну величину омічного опору (R). Коли струм (I) проходить через ці провідники, вони генерують теплову енергію, яка є, по суті, витраченою енергією або потужністю (P).
Згідно з законом Ома
Як видно, енергія, яка втрачається в провіднику під час передачі, залежить від струму, а не від напруги. Однак, ми можемо регулювати величину струму шляхом перетворення напруги за допомогою спеціального обладнання.
Під час перетворення напруги, потужність залишається незмінною. Напруга і струм просто змінюються обернено пропорційно за одним і тим же коефіцієнтом, згідно з принципом:
Наприклад, 11 кВт потужності при напрузі 220 В має 50 Ампер. У такому випадку, втрати лінії передачі будуть
Збільшимо напругу у 10 разів. Таким чином, та сама потужність 11 кВт матиме напругу 2200 В і 5 Ампер. Тепер втрати лінії будуть;
Як ви бачите, збільшення напруги значно зменшує втрати потужності в лініях передачі. Тому, щоб зменшити струм у кабелях передачі, залишаючи ту ж саму кількість передаваної потужності, ми збільшуємо напругу.
Війна струмів (AC проти DC)
У кінці 1880-х років, під час так званої "Війни струмів", постійний струм (DC) був першим, який використовувався для передачі енергії. Однак, він був вважаний надзвичайно неефективним через відсутність практичного обладнання для перетворення напруги - на відміну від альтернуючого струму (AC), який легко можна було підвищувати або знижувати за допомогою трансформаторів. Ранні електростанції з низькою напругою могли забезпечувати електроенергією лише в радіусі кількох миль; за межами цього радіусу напруга значно знижувалася, що вимагало багатьох електростанцій на невеликих площах - дорогощива стратегія.
Хоча передача постійного струму високої напруги внутрішньо має менші втрати, ніж AC, ранні системи DC залежали від ртутних дугових вентилів (релектриків) для перетворення високої напруги AC в DC для передачі на великі відстані. Ці термінальні пристрої були громіздкими, дорогими і потребували частого обслуговування. З іншого боку, передача AC залежала від трансформаторів - більш ефективних, доступних та надійних, що робило AC домінуючим вибором для передачі енергії на великі відстані тоді.
При виборі між високою напругою AC (HVAC) та високою напругою DC (HVDC) для передачі, повинні враховуватися кілька ключових факторів. Ця стаття детально розглядає ці фактори.
HVAC & HVDC
HVAC (High Voltage Alternating Current) та HVDC (High Voltage Direct Current) вказують на діапазони напруг, які використовуються для передачі енергії на великі відстані. HVDC зазвичай використовується для надвеликих відстаней (зазвичай понад 600 км), хоча обидві системи широко використовуються по всьому світу сьогодні, кожна має свої переваги та недоліки.
Витрати на передачу
Передача енергії на великі відстані вимагає високої напруги, а потужність передається між термінальними станціями, які займаються перетворенням напруги. Всього витрати на передачу залежать від двох компонентів: витрат на термінальні станції та витрат на лінії передачі.
Критична відстань
"Критична відстань" позначає довжину передачі, за якою загальні інвестиційні витрати HVAC перевищують витрати HVDC. Ця відстань становить приблизно 400-500 миль (600-800 км). Для відстаней, що перевищують цей поріг, HVDC є більш економічним вибором; для коротших відстаней, HVAC є більш економічним. Це співвідношення візуально показано на графіку вище.
Гнучкість
HVDC зазвичай використовується для точкової передачі на великі відстані, оскільки відведення енергії в проміжних точках вимагає дорогих конвертерів для зниження високої напруги DC. Натомість, HVAC надає більшу гнучкість: кілька термінальних станцій можуть використовувати дешеві трансформатори для зниження високої напруги, що дозволяє відводити енергію в різних точках лінії.
Втрати потужності
Передача HVAC включає кілька типів втрат, включаючи втрати від ефекту корони, втрати від ефекту шкіри, втрати від радіації та втрати від індукції, які в основному відсутні або мінімізовані в системах HVDC:
Ефект шкіри
Ефект шкіри, прямо пропорційний частоті, примушує більшість струму AC проходити біля поверхні провідника, залишаючи середину недостатньо використаною. Це зменшує ефективність провідника: для проведення більшого струму, системи HVAC потребують провідників з збільшеною поперечною площею, що збільшує витрати на матеріали. HVDC, який не впливає на ефект шкіри, використовує провідники більш ефективно.
Отже, для проведення такого самого струму, HVAC потребує провідників з більшим діаметром, тоді як HVDC може досягти цього з провідниками меншого діаметру.
Допустимі струми та напруги кабелів
Кабелі мають максимальні допустимі напруги та струми. Для AC, пікові напруга та струм приблизно в 1,4 рази вищі, ніж їх середні значення (які відповідають фактично переданій потужності або еквівалентним значенням DC). Натомість, в системах DC пикові та середні значення однакові.
Однак, провідники HVAC повинні бути розраховані на пиковий струм та напругу, що веде до витрати приблизно 30% їхньої пропускної здатності. Натомість, HVDC використовує повну пропускну здатність провідників, що означає, що провідник однакового розміру може передавати більше потужності в системах HVDC.
Право на користування землею
"Право на користування землею" вказує на коридор земель, необхідний для інфраструктури передачі. Системи HVDC мають вужчий коридор земель через менші опори та меншу кількість провідників (два для DC проти трьох для трифазного AC). Крім того, ізолятори AC на опорах повинні бути розраховані на пикові напруги, що ще більше збільшує їхню площину.
Цей вужчий коридор зменшує витрати на матеріали, будівництво та землю, роблячи HVDC кращим з точки зору ефективності користування землею.
Передача енергії підводними кабелями
Підводні кабелі, використовувані для передачі енергії офшором, мають паразитну ємність між паралельними провідниками. Ємність реагує на зміни напруги - постійна в AC (50-60 циклів за секунду), але відбувається лише під час комутації в DC.
AC кабелі постійно заряджаються та розряджаються, що призводить до значних втрат потужності перед доставкою енергії на приймальний кінець. HVDC кабелі, заряджені лише один раз, усувають такі втрати. Для більш детальної інформації зверніться до матеріалів про будівництво, характеристики, укладання та з'єднання підводних кабелів.
Контроль потоку енергії
Системи HVAC не мають точного контролю над потоком енергії, тоді як HVDC зв'язки використовують конвертери на базі IGBT. Ці складні конвертери, які можуть переключатися кілька разів за цикл, оптимізують розподіл потужності в системі, покращують гармонічні характеристики та дозволяють швидке захист від аварій та їх усунення - переваги, які немає у HVAC.
З'єднання асинхронних систем та розумних мереж
Розумна мережа дозволяє багатьом електростанціям підключатися до єдиній мережі, використовуючи малих масштабів мережі для високопотужного виробництва. Однак, з'єднання багатьох асинхронних мереж AC (з різними частотами або фазами) є надзвичайно складним завданням.
З'єднання асинхронних мереж
Електроенергетичні мережі по всьому світу працюють на різних частотах - деякі на 50 Гц, інші на 60 Гц. Навіть мережі з однаковою частотою можуть бути несинхронізовані. Вони класифікуються як "асинхронні системи" і не можуть бути з'єднані стандартними зв'язками AC.
DC, однак, не залежить від частоти або фази. HVDC зв'язки вирішують цю проблему, перетворюючи AC на DC, який не чутливий до частоти та фази, що дозволяє безперебійне з'єднання асинхронних мереж. На приймальному кінці, інвертори HVDC перетворюють DC назад в AC з необхідною частотою, забезпечуючи єдину передачу енергії.
Автоматичні вимикачі
Автоматичні вимикачі є ключовими у високовольтних передачах, відповідаючи за знепохідження контурів під час аварій або технічного обслуговування. Основним вимогам є здатність гасити дугу, щоб перервати потік енергії.
Генерація завад
Альтернуючий струм AC створює постійно змінне магнітне поле, яке може викликати завади в поблизу розташованих лініях зв'яз
