الأحد، 10 مايو 2020

مقارنة بين نقل الكهرباء باستخدام الـــ HV-AC باستخدام HV-DC



مشاكل النقل بنظام الــ AC:

مع التوسع فى نقل الطاقة المنقولة بين محطتين ظهرت مشاكل جديدة ل Transmission AC لم تكن بالحسبان منها :
    1 -أن عملية النقل إذا تمت بنظام ال AC فسيترتب على ذلك ظهور معوقات جديدة لمرور التيار (XL and XC)  بال تعرف Inductive and Capacitive Reactance تختلف وهذه ، عن المقاومة األومية R المعروفة فى نظام الـ DC ، ويترتب على وجود هذه المعاوقات عدة مشاكل منها زيادة انخفاض الجهد عبر الخط .

   2 -تبين أن هناك حدودا Limits أقصى قدرة يمكن نقلها على الخط الواصل بين المحطتين ، وهذه ال transmitted power Max تتوقف على عدة عوامل منها قيمة جهد الخط فى بدايته ونهايته V2 , V1 ، و تتوقف أيضا على قيمة معاوقة الخط X ، و تتوقف أيضا على قيمة الـ δ, angle Power بين جهدى المحطتين ، كما في المعادلة :


          𝑃 =  (𝑉1x𝑉2/𝑋) sinδ

وهذه المعوقات لم تكن موجودة فى نظام ال DC الذى كانت حدود النقل فيه تتوقف فقط على التحمل الحراري للخط ، ومن ثم  فالقدرة المنقولة  لاسيما مع زيادة طول خطوط النقل (زيادة قيمة X ).

   3 -فى نظام ال AC يمكن أن يؤثر حدوث أي تغير فى الحمل أو حدوث عطل على استقرار الشبكة وربما الأمر إلى أن يتسبب فى فصل محطة التوليد  ، ومنه ستجد أن استقرار الشبكة فى نظام ال AC أصعب بكثير منه فى حالة ال DC بسبب ال Power Reactive .

    4 -ظهور ظواهر مثل ظاهرة ارتفاع الجهد الأحمال Effect Ferranti ، و كذلك ظاهرة Ground Arcing فى نظم ال AC المعزولة ، و أيضا ظاهرة الكورونا وما ترتب على ذلك من كثرة  الموصلات بسبب استخدام conductors Bundle كما سنرى ، إلى غير ذلك من المشاكل المرتبطة بنظام ال AC و التي لم تكن فى الحسبان ، وبالتالي أصبحت تك المواصلات والأبراج مضاعفة مقارنة بنظام ال DC. 

وبعد ظهور هذه المشاكل عادت فكرة النقل باستخدام HVDC تعود مرة أخرى ولكن بعد تعديلها ، أو بمعنى آخر ، بعد دمج الطريقتين معا فى طريقة واحدة تستفيد من مميزاتهما وتتجنب عيوبهما. 

بالإضافة للنقاط التى ذكرت فى المقطع السابق ، فهناك عناصر أخرى تمثل نقاطا هامة فى المقارنة بين النظامين ، وسنبدأ بعرض عيوب نظام ال HVDC مقارنة بنظام ال AC-HV ، ثم نعرض لميزاته:


عيوب نظام  HV-DC

   1 -نقل القدرة بالتيار المستمر يتطلب محطة تحويل من التيار المتردد إلى المستمر فى بداية خط النقل (Rectifier )أخرى للتحويل من التيار المستمر إلى المتردد (Inverter) فى نهاية الخط كما فى الشكل التالي  وهذه المحطات لها تكلفة عالية.



    2 -أجهزة الـــ Rectifiers and Inverters المستخدمة فى نظام الاا DC والتى تظهر صورتها فى الشكل 7-2 تعتبر مصدرا للتوافقيات Harmonics غير المرغوب فيها مما يتطلب استخدام harmonic filter عند بداية ونهاية الخط كما فى الشكل 7-1 مما يزيد من التكلفة. 



    3 -من عيوب هذه المحطات أنها تستهلك قدرة غير فعالة بقيم عالية (لكن مع فارق مهم وهو أن هذه القدرة غير الفعالة تستهلك فى بدايات الخط عند المصدر ول تمر عبر الخط كما فى حالة التيار المتردد). 

    4 -القواطع في شبكات DC HV تعتبر أكثر تعقيدا بسبب صعوبة إطفاء القوس الكهربية Arc ، فالتيار المستمر ثابت وال يمر بالصفر ، لذلك يتم تصميمها بشكل خاص باستخدام  ثايرثتورات SCRs معينة GTO, Off Turn Gate ، مع دوائر إطفاء circuts Commutation معقدة نسبيا ، أما قواطع شبكات AC HV فإن الأمر سهل لأن التيار المتردد يمر بالصفر مرتين في كل cycle مما يجعل إطفاء القوس الكهربية أكثر سهولة.

 5 -ومن عيوبها تعقد التصميم والتشغيل والتحكم مقارنة بنظام الـ AC.

مميزات  نظام الـ HV-DC

وكل ما سبق يعتبر من عيوب النقل على الجهد العالى المستمر HVDC ، لكن لهذا النظام فوائد عديدة منها:

    1 -من أهم ميزات هذا النظام أننا ال نحتاج عند الربط بين شبكتين أن نتأكد من أنهما Synchronized كما فى حالة ال AC ، وهذه الميزة مهمة جدا لتحسين ال Stability ، كما أن هذه الميزة واضحة فى شبكتى الصين والهند - وهما أكبر دولتين حدث بهما نمو سريع جدا لشبكة الكهرباء – حيث توسعت الشبكة من خلال إنشاء شبكات موحدة متعددة (Grids) يتم الربط بينها بنظام ال HV-DC لسهولة تبادل الطاقة بين المنظومات المختلفة.

   2 -في نظام ال DC تكون عدد الاسلاك اثنان system Bipolar فقط كما فى الصورة أسفله ال DC ، بينما تكون عدد الأسلاك بالدائرة الواحدة يساوى ثالثة ( phase three ) فى نظام ال AC كما فى الصورة أسفله ، وهناك أيضا نظام فى ال DC يستخدم خط واحد فقط للنقل Monopolar على أن يعود التيار خلال الأرض. بالتالي ففى كل الأحوال فإن حجم البرج أيضا فى نظام ال DC أصغر ، و هذا يعني تكلفة أقل.




   3 -في نظام ال DC يكون التردد صفرا ، و بالتالى لا توجد مفاعلة حثية XL و ال مفاعلة سعوية XC . وهذا يعنى عدم وجود ال Power Reactive بمشاكلها.والتى منها عدم اتزان الجهد ومنها التسبب فى زيادة القدرة المفقودة بسبب مرور هذه القدرة غير الفعالة عبر الخطوط ، ولذلك فقد قلنا سابقا أن استقرار منظومة ال DC أعلى من استقرار منظومة ال AC

   4 -ظاهرة ال effect skin موجودة فى حالة التيار المتردد فقط ، حيث يمر التيار المتردد حول السطح الخارجى للموصل أى تقل مساحة المقطع الفعلية التى يمر فيها التيار ، بينما هذه الظاهر ة غير موجودة فى حالة التيار المستمر حيث يمر التيار فى كامل مقطع الموصل وهذا يعنى أن مقاومة الموصل فى حالة ال AC أكبر من مقاومته فى حالة ال DC ( المقاومة 2 تتناسب عكسيا مع مساحة المقطع) وهذا يؤدي بالضرور ة إلى أن تكون المفاقيد النحاسية (R I) فى حالة ال DC أقل.

5 -مساحة مقطع الموصل فى حالة ال DC أقل من مساحة مقطعه فى حالة ال AC كنتيجة لظاهرة ال effect skin ، وهذا يقلل من التكلفة الكلية.  
6 -فى حالة النقل بالتيار المستمر يكون الهبوط فى الجهد على طول الخط (R*I) أقل بكثير من الهبوط فى الجهد فى حالة النقل بالاتيار المتردد (jX+R * (I  مما يحسن تنظيم الجهد Regulation Voltage ويزيد من كفاءة نقل القدرة الكهربية .

7 -فى حالة ال DC يسمح باستخدام خط نقل DC بأى طول لنقل أى قدرة (بشرط عدم تجاوز حد التحميل الحرارى للموصلات فقط) ، بينما فى حالة ال AC هناك حدود لطول خط النقل .

8 -فى خط النقل ال DC لا نستخدم معوضات Compensators على طول خط مثل Series or Shunt capacitors أو reactors Shunt المستخدمة فى خطوط ال AC.

9 -مفاقيد الكورونا Losses Corona في خطوط النقل بالتيار المستمر أقل من نظيراتها في خطوط النقل بالتيار المتردد.

10 -فى معظم الحالات تكون قيمة تيار القصر Current C.S فى نظام ال DC أقل بكثير من قيمته فى نظام ال AC السيما فى حالة الوصلات التى تمر خلال الموانع المائية حيث تكتمل دائرة التيار من خالل مقاومة عالية فى حالة القصر فتقل القيمة. 

وبالإضافة للميزات السابقة ، هناك ميزات حصرية لنظام الـــ HVDC بمعنى أنه لا وجه للمقارنة فيها مع نظام الــ HVAC ، وهى ما نعرضه فى الجزء التالى.


 متى لا يكون هناك بديل للنقل بنظام الــ HVDC ؟ 

     يعتبر النقل بالتيار المستمر Transmission HVDC اختيارا وحيدا ليس له بديل عند الربط الكهربائى بين شبكتين فى الحالات الثلاث الآتية: 
   1 -عندما يكون تردد الشبكتين مختلفا ( Hz 50 و 60Hz مثال).
   2 -عند وجود مانع مائى (بحر مثال) بين الشبكتين بحيث يمنع تركيب معوضات إستاتيكية (static (compensators var بينهما. ومن أشهر الأمثلة على ذلك الخط البحري بين انجلترا وفرنسا ، ويصل طوله إلى 45 كم ويحمل 2000 ميجاوات من خلال كابلات HVDC تحت الماء .
   لاحظ أن النقل هنا لو كان AC-HV لكان هناك مفاقيد فى التيار هائلة خلال الـــ Capacitance الخاصة بالكابل. 
  3 -عندما تكون الشبكتين من الضخامة بحيث يصعب على نظم التحكم فيهما عمل synchronization بينهما فى حال الفصل والارتباط. 

 مقارنة التكلفة فى النظامين:

   أما بالنسبة للتكلفة ، فتكلفة خط النقل فقط (بالنسبة للكيلومتر الواحد دون أخذ محطات الــ Inverters and Rectifiers  فى الاعتبار) للتيار المستمر أقل من مثيلتها بالنسبة للتيار المتردد ، لأن التيار المستمر يحتاج إلى موصلات وعوازل أقل وأبراج نقل ذات أبعاد أقل و بالتالى تكلفة أقل .
 (ملحوظة : تكلفة محولات رفع / خفض الجهد لا تؤخذ فى الاعتبار لأنها موجودة فى النظامين).

   لكن التكلفة الإجمالية ليست مجرد تكلفة خط النقل ، وإنما هناك معدات خاصة بنظام الـــ DC .و المنحنى الموجود فى شكل أسفله يوضح الفرق بين تكلفة النقل بالتيار المستمر والمتردد مقارنة مع طول خط النقل. لاحظ تغير التكلفة الإنشائية لخط النقل بالتيار المتردد و المستمر مع طول النقل على النحو التالى :
   
    1 -التكلفة الابتدائية لخط النقل بالتيار المستمر للمسافات الصغيرة أكبر من مثيلتها للتيار المتردد ، لأن تكلفة محطات Rectifications/ Inverters ستتوزع على طول صغير فترتفع القيمة. 

     2 -لكن عند قيمة معينة لطول الخط تسمى Break even distance  والتى عندها يتقاطع منحنى التكلفة للنظامين نجد أن تكلفة النقل بالتيار المستمر تصبح أقل . و هذه القيمة تكون لطول يساوى 800 كم تقريبا ، لذلك نجد أنه من الناحية الاقتصادية يستحسن النقل بالتيار المستمر فى المسافات الطويلة (أكبر من 800 كم) بينما يفضل اقتصاديا النقل بالتيار المتردد فى المسافات الأقل من 800 كم.

    3 -لاحظ أن معدل تغير تكلفة الخط للكيلومتر الواحد بالنسبة لخط النقل بالتيار المتردد أكبر من مثيلتها بالنسبة للتيار المستمر وذلك بصفة عامة للأسباب التى ذكرناها سابقا . 



تتمة الشرح
مقارنة بين خطوط النقل الكهربائية الهوائية والأرضية

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق