Чому системи передачі / розподілу енергії змінного струму, а не постійного струму?

Чи є вагома причина, чому ми не перебуваємо в процесі повної перетворення нашої системи передачі електроенергії в постійний струм? Основна причина використання змінного струму в сітці (без образи Тесла, я люблю тебе, людина) полягала в тому, щоб включити перетворення на більш високі напруги, щоб знизити втрати лінії ( ), і якщо розмір провідника залишиться колишнім, коли збільшується в рівнянні то повинен обов'язково зменшуватися, у свою чергу зменшуючи втрати як квадратE E = I R I $P=IE=I^2R$$E$$E=IR$$I$$I$). Але тепер ми маємо можливість перетворювати змінні (у всіх теплових, гідро- та вітрогенераторах) та постійного струму (на сонячних генераторах) на будь-який рівень постійного струму, який ми бажаємо та передаємо, як правило, на житлові або комерційні навантаження, які, як правило, використовують постійний струм. Якщо це необхідно, його можна перетворити на змінного струму при промислових навантаженнях (як правило, двигуни).

Таким чином, багато трансформаторів, конденсаторів, проблем з інтервалом тощо можуть бути усунені з електромережі, різко підвищивши ефективність, а в свою чергу зменшивши викиди та витрати.

Я щось тут пропускаю?

Причин кілька. Перший: втрати потужності в проводі - I ^ 2 * R. Тому краще передавати потужність при дуже високій напрузі та малому струмі. Змінювання змінного струму набагато легше підвищується до високої напруги (електроніка не потрібна). Збільшувати промислові навантаження за допомогою кремнієвої електроніки не практично.

Ще одна легкість перемикання під навантаженням. Якщо вимкнути навантаження, підключене до постійного струму, напруга на комутаторі через індуктивності проводу та індуктивності навантаження стає проблематичною. Це змушує вимикачі постійного струму бути більш надійними.

Шум 60 Гц, створюваний трансформаторами, набагато менший, ніж шум перемикання, який створювався б усією електронікою, необхідною для підсилення та підвищення постійного струму, а потім перетворював його на змінного струму в момент навантаження, як ви пропонуєте.

HVDC використовується: Список проекту HVDC . Дві домінуючі технології, що застосовуються для HVDC (тиристори та IGBT), не були винайдені до 1950 та 1968 років відповідно. Тим часом країни будували обладнання для передачі змінного струму. Навіщо замінювати те, що працює, коли ви вже витратили багато грошей на будівництво сітки? Просто зачекайте, поки існуюча система перестане працювати, а потім оновіть.

Ці дані, очевидно, виправдовують це: Китай будує велику кількість ліній електропередачі HVDC, оскільки у них є гроші, а насправді немає жодної існуючої мережі, з якою би взаємодіяли / конкурували. Аналогічно, є проекти в Європі та Америці, але, здається, вони обмежені в тих сферах, де HVDC дійсно світить (підводні системи), оскільки існують існуючі мережі, тому вартість модернізації ще не виправдана.

Крім того, HVDC не завжди має сенс, особливо тоді, коли вам потрібно / хочете багатоточкову передачу. Це робить маршрутизацію системи HVDC складніше, ніж систему змінного струму.

Mkeith відповів на поставлене запитання, тобто які основні недоліки розподілу HVDC. "Контрвідказ" на це helloworld922 (наступна найбільш голосована відповідь тут наразі) вказує на купу випадків, коли HVDC використовується / була використана. Всі ці інженери не могли бути божевільними, тому я думаю, що тут важливо пояснити, коли HVDC має сенс. (Це, до речі, було б краще питання, ніж те, що задала ОП).

Для початку є деякі випадки, коли змінна струм може бути майже нездійсненним. Сюди входить підключення мереж живлення змінного струму, які працюють асинхронно один щодо одного, такі як підключення систем 50 і 60 Гц; це відбувається в Японії, наприклад: Східна Японія використовує 50 Гц, а Західна Японія - 60 ГГц. Насправді є ще кілька нішевих додатків, де HVDC є єдиним розумним вибором, але пояснити неофітам їх непросто кількома словами. Якщо ви хочете більш детальний перелік (із прикладами реального світу), система розуміння електричної енергії Delea та Casazza має більш довгий список.

Залишаючи осторонь таких нішевих випадків, я думаю, що важливо підкреслити, що існує загальна оптимізація витратщо може (і насправді повинно бути) виконано при вирішенні питання про те, чи слід змінного чи постійного струму бути способом передачі лінії електропередач. Два основні фактори - це вартість самої лінії (кабелі, вежі, якщо це можливо, наприклад, не підводні) та вартість терміналів. Як правило, кабелі передачі постійного струму коштують менше, ніж еквівалентної потужності для трифазного змінного струму. Це трапляється з причини, яку легко пояснити: вам потрібно менше проводів для постійного струму, ніж трифазного змінного струму, але ізоляція проводів змінного струму (і це може бути просто повітряний зазор, але це означає, що коштує вежа) повинна протистояти пікове значення змінного струму, тоді як ви отримуєте лише користь від передачі "потужності RMS" (точніше, середньої потужності, що відповідає напрузі RMS) на змінне. З іншого боку, електроніка, що закінчується, коштує для HVDC, ніж трансформатори змінного струму,

Ця загальна оптимізація витрат фактично дає вам головне застосування HVDC сьогодні: передача великої кількості енергії на великі відстані (і, таким чином, без натискання / переривання). Типові значення, коли HVDC є більш економічним, ніж змінного струму, передає більше 500 МВт протягом більше 500 км (за даними Delea та Casazza). Багато (якщо не більшість) прикладів зі списку Вікіпедії (пов'язані у відповіді helloworld922) є подібними. Це не повинно бути сюрпризом, ніж такі приклади з Китаю, Канади чи Австралії. В Європі більшість середніх / великих ліній електропередач високого тиску є підводними кабелями.

Нижче наведено те, що схожий на синтетичний (маючи на увазі підручник, а не реальний) приклад оптимізації для заздалегідь визначеного рівня потужності, таким чином, на якому побудовано лише відстань між витратами та передачею; це витяг із Кім та ін. Передача HVDC , перша глава якої є у ​​вільному доступі .

З точки зору конкретної вартості, ось деякі значення (за даними Larruskain та ін .) Для того, що наближається до найнижчої потужності, для якої виготовлені термінальні компоненти HVDC:

• Тиристорний перетворювач, 50 МВт, 100 кВ. Орієнтовна вартість одиниці становить: 500 EUR / кВт
• Пара перетворювачів IGBT, 50 МВт, +/- 84 кВ. Орієнтовна вартість одиниці становить: 150 EUR / кВт
• Трансформатор, 50 МВА, 69кВ / 138кВ. Орієнтовна вартість одиниці становить: 7,5 EUR / кВА

Зважаючи на співвідношення ціни 20x-60x між випрямлячем та трансформатором на 50 МВт, очевидно, чому HVDC не зменшується до нижчих потужностей.

Використовуючи трансформатори змінного струму (таким чином), інвертори, випрямлячі, поворотні трансформатори тощо можуть бути усунені з електромережі, різко збільшуючи ефективність, а в свою чергу зменшуючи викиди та витрати.

У Чикаго та Нью-Йорку електромережа постійного струму була вимкнена в 1990-х. У Мельбурні, Австралія, електромережу постійного струму було вимкнено близько 2005 року. Зрештою, головне або єдине, що все ще було підключено до мережі постійного струму, - це дуже старі ліфти в старих будинках. У Мельбурні після виходу з ладу лінії електропередачі дешевше було давати випрямлячеві кожен залишився клієнт постійного струму та підключати старе обладнання до мережі змінного струму, а не ремонтувати та замінювати електромережу постійного струму.

Хоча передача електроенергії змінного струму має багато переваг, передача електроенергії постійного струму продовжує використовуватися для з'єднань міжгалузевих мереж: для підтримки стабільності мережі на довгих з'єднаннях, особливо для підземних / підводних кабелів, для зменшення діелектричних втрат та впливу шкіри.

Так, вам щось не вистачає. За допомогою сучасних транзисторів та інших електронних компонентів ми можемо підвищити постійний струм до точки, але не легко, економічно або з розумною ефективністю на рівнях потужності МВт до напруг, необхідних на основних ЛЕП.

Трансформатори - єдиний практичний спосіб отримати 100 кВ на рівні потужності МВт, а трансформатори потребують змінного струму.

Просто тому, що Тесла проти Едісона 1880-х років. Як результат, 99,9% інфраструктури нашої генерації та передачі є змінного струму. Перехід на DC - це не те, що можна зробити за вихідні. Що з усіма народними приладами та фабриками з індукційними двигунами? DC не буде працювати там. Їм знадобиться якась альтернатива, розроблена. Підстанції доведеться повністю переробити. Потужність електроніки HVDC для управління всім цим потрібно буде протестувати та сертифікувати. І, мабуть, головне, це все коштує грошей. Багато і багато грошей. Не шукайте, щоб перехід від змінного струму до постійного струму відбувся незабаром або швидко, якщо і коли-небудь.

Саме там, у вашому діаграмі, пункт 6: "Кілька терміналів / прослуховувань: важко".

HVDC вже періодично використовується для з'єднання «точка-точка», але чим більше електрична система розподілу та багатошаровість, тим вона менш зручна. У компактних європейських країнах середня непорушена довжина відрізка сітки коротка, нижче точки економічної беззбитковості ~ 100 км.

Особисто я думаю, що ми швидше побачимо розгортання низьковольтних мікросеток постійного струму, що живляться відновлюваними джерелами енергії та банками акумуляторів, перш ніж ми побачимо оптову конверсію мережі змінного струму в постійний струм.

Ось що вам не вистачає: Ви думаєте, як інженер, а не ділова людина. Слідкуйте за грошима. Коли є економічний сенс перетворити на постійний струм, включаючи всі витрати на заміну існуючої інфраструктури тощо, це станеться. У випадках, коли постійний струм має сенс, це сталося і відбувається.

Надаю ще одну вагому причину проти мереж постійного струму:

• несправності та дорогі напівпровідники та конденсатори
• переважна EMC клопоту в усіх цих чоппер і PFC схеми
• посилена корозія при протіканні

Безпека. Дуже важко побудувати вимикачі для мережі високої напруги / високого струму постійного струму. Для безпечного загартування дуги запобіжники повинні бути в п'ять разів більшими. Вимикачі потребують набагато більших та складніших доменних камер через ємність сітки та зовсім іншу поведінку дуги.

У системі розподільного струму змінного струму всі генератори повинні синхронізуватися не тільки за частотою, але і за кутом. Щоразу, коли навантаження збільшується, він намагається уповільнити генератори. Це не дозволено, і потужність має збільшуватися. Якщо навантаження занадто велика, її потрібно відключити, і це створює додаткове навантаження на інші генератори. Теоретично HVDC є більш стійким і прощаючим. Причина, по якій ми використовуємо ac, полягає в тому, що це був останнім часом кращий метод. Як зазначають інші, перехід на HVDC коштує дорого.

Усі попередні відповіді стосуються питань ОП, але я думав, що просто додам щось сказане раніше про локалізовані короткометражні мережі постійного струму. Наступною «революцією» у розподілі електроенергії стане система «Відповідь на попит» ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ), яка забезпечує локалізовану електроенергію через електромережі громади, що працюють на батареях, сонячній енергії та інших відновлюваних джерелах енергії.

Tesla (компанія, а не людина) показує нам, куди йде це з їхнім внутрішнім акумуляторним батареєю - уявіть собі економію внутрішніх рахунків, властиву тому, що можна переключитися на акумулятор під час пікових витрат енергії та зарядити акумулятори через PV et al. .

Отримайте декілька будинків разом, щоб поділити цю потужність у громаді, і тоді у вас також може бути достатньо ресурсу, щоб продати надлишки іншим членам / громадам (ви вже можете продати їх назад до мережі у Великобританії). Можливо, цей тип підмережі може бути HVDC, якщо всі учасники спільноти є учасниками.

Є кілька причин, чому високовольтний постійний струм ще не практичний, проте він повільно повзає в деяких нішевих додатках.

• Трансформатори змінного струму - це дуже міцна і перевірена технологія, що проводить багаторічні дослідження, вдосконалення та оптимізація за спиною, і коштує дешевше, ніж DC / AC - високочастотний трансформатор - аналог AC / DC, і звичайно вони набагато надійніші
• Автоматичні вимикачі, які використовуються для розриву ланцюгів при навантаженні або короткому замиканні, є серйозною проблемою в системах постійного струму, оскільки в системах змінного струму властиво проходити нуль, набагато простіше розбивати струми змінного струму, вимикачі змінного струму набагато випереджають Колеги постійного струму в ціні, порушуючи можливості струму, термін служби та ...
• навіть якщо ми доходимо до того, що обидві технології стоять нарівні один з одним, що до цього часу ще багато-багато років, ви повинні зрозуміти, що оператори розподілу змінного струму дуже неохоче і обережно застосовують нові технології

Використання поза сітки в домашніх умовах для освітлення та обчислень, безумовно, більш ефективно з DC. Світлодіодне освітлення використовує частку потужності лампи розжарювання та люмінесцентного освітлення. Світлодіод повинен використовувати постійний струм, і з цієї причини кожен світлодіод повинен мати перетворювач змінного струму в постійний струм, який є неефективним і схильним до виходу з ладу. Насправді більшість несправностей світлодіодних світильників пов'язані з схемою перетворення і дуже рідко з самим джерелом світлодіодного світла.

Всі комп'ютери та електроніка використовують постійний струм. Вони працюють від акумулятора, або якщо їх підключено до мережі змінного струму, необхідно перетворити мережу змінного струму на постійний струм, необхідний електроніці, за допомогою схеми, що складається з випрямних мостів, спадних трансформаторів, конденсаторів, тиристорів тощо.

Нагрівальні нитки для електричних нагрівачів не важливо, якщо ви використовуєте постійний або змінного струму, оскільки це суто резистивне навантаження. Вентилятор для обігрівачів мав би бути постійним вентилятором.

Змінного струму потрібно для будь-яких приладів або обладнання, які використовують двигуни змінного струму та / або компресори, тобто холодильники, вентилятори, вентилятори, насоси, модулі та ін. Хоча все більше електроінструментів використовують акумуляторні батареї постійного струму, а не модулі , а зарядні пристрої постійного струму.

Оскільки на місцях генерація електроенергії є постійним струмом для сонячної енергії і може бути постійним струмом для механічних генераторів для енергії вітру та біомаси, неефективно використовувати інвертори для перетворення виробленої енергії в змінного струму лише для того, щоб вона була перетворена назад в постійний струм для використання цитований вище.

Ця система зараз є, але оскільки комунальні компанії продовжують збільшувати швидкість, а інфраструктура передачі стає все більш ненадійною, все більше і більше домогосподарств намагатимуться використовувати електромережу, що генерується на постійному рівні, поза мережею. Вони все ще будуть використовувати корисні джерела змінного струму або інвертори з домашнього стека акумуляторів для обладнання та приладів, які повинні використовувати змінного струму.

В той час, як змінного струму все ж є більш економічним вибором для передачі електроенергії для передачі наземних ділянок менше 500 км, тенденція полягає в локальному виробництві та зберіганні електроенергії на місці, незалежно від мережі. Комунальні компанії вже знають про цю тенденцію та співпрацюють з муніципалітетами та постачальниками сайтів для викупу, інтеграції та іншого.

АС виграє від критичної маси багаторічного досвіду, впевненості в галузі, широкого спектру продуктів за розумними цінами та легко доступного сервісу та підтримки.

Трансформатори змінного струму куленепроникні. Скажімо, хтось хоче 50В / 240В RV-посудини на далекій стороні нашої власності в 2000 футах. Я можу використовувати загальні трансформатори, щоб розпочати нашу послугу на 240 В до 2400 В, провести полюсну лінію та інший трансформатор. Дешево, надійно і поза поличкою. Не доведеться турбуватися про несправність трансформатора ніколи. І якщо для цього потрібна послуга, кількість електриків в моїй сільській окрузі, які будуть знати, на що вони дивляться, і можуть підтримати це, безумовно, не дорівнює нулю.

HVDC не може нічого з цього вимагати.

Існує стара приказка світу мейнфреймів 1960-х років, коли вбрання, такі як Берроуз та Сперрі, намагалися зламати майже монополію IBM: "Ніхто ніколи не звільнявся за покупку IBM".

Який керівник закладу збирається висунути шию на HVDC? Не я сьогодні, думаю. Можливо завтра. Завтра не бум.