Почему системы передачи / распределения электроэнергии переменного, а не постоянного тока?

Есть ли веская причина, по которой мы не полностью преобразуем нашу систему электропередачи в постоянный ток? Основная причина использования переменного тока в сети (без обид, Тесла, я люблю тебя, чувак) состояла в том, чтобы включить преобразование в более высокие напряжения, чтобы снизить потери в линии ( $P=IE=I^2R$ ), и если размер проводника остается прежним , когда $E$ увеличивается в уравнении $E=IR$ тогда обязательно должен уменьшаться, в свою очередь уменьшая потери как квадрат$I$$I$). Но теперь у нас есть возможность преобразовывать переменный ток (на всех тепловых, гидро- и ветрогенераторах) и постоянный ток (на солнечных генераторах) в любой уровень постоянного тока, который мы хотим и передаем, обычно к жилым или коммерческим нагрузкам, которые в любом случае имеют тенденцию использовать постоянный ток. При необходимости он может быть преобразован обратно в переменный ток при промышленных нагрузках (как правило, двигатели).

Таким образом, многие трансформаторы, конденсаторы, проблемы с интервалами и т. Д. Могут быть исключены из электрической сети, что значительно повышает эффективность и, в свою очередь, снижает выбросы и затраты.

Я что-то здесь упускаю?

Есть несколько причин. Первый: потеря мощности в проводе равна I ^ 2 * R. Поэтому лучше передавать мощность при очень высоком напряжении и низком токе. Переменный ток намного легче повысить до высокого напряжения (электроники не требуется). Повышать промышленные нагрузки с использованием кремниевой электроники нецелесообразно.

Другое - легкость переключения под нагрузкой. Если отключить нагрузку, подключенную к постоянному току, искрение на переключателе из-за индуктивности провода и индуктивности нагрузки становится проблематичным. Это заставляет переключатели постоянного тока быть более надежными.

Шум 60 Гц, создаваемый трансформаторами, намного меньше, чем шум переключения, который будет создаваться всей электроникой, необходимой для стабилизации и повышения постоянного тока, а затем преобразовывать его в переменный ток в точке нагрузки, как вы предлагаете.

HVDC используется: Список проекта HVDC . Две доминирующие технологии, используемые для HVDC (тиристоры и IGBT), не были изобретены до 1950 и 1968 соответственно. В то же время страны строили оборудование для передачи переменного тока. Зачем заменять то, что работает, когда вы уже потратили много денег на построение сетки? Просто подождите, пока существующая система перестанет работать, и обновите ее.

Данные, кажется, оправдывают это: Китай строит большое количество линий электропередачи HVDC, потому что у них есть деньги, и на самом деле нет какой-либо существующей сети для взаимодействия / конкуренции. Точно так же есть проекты в Европе и Америке, но они, кажется, более ограничены областями, где HVDC действительно сияет (подводные системы), потому что есть существующие сети, поэтому стоимость модернизации еще не оправдана.

Кроме того, HVDC не всегда имеет смысл, особенно когда вам нужна / требуется многоточечная передача. Это делает маршрутизацию системы HVDC более сложной, чем система переменного тока.

Mkeith ответил на вопрос в виде вопроса, то есть каковы основные недостатки распределения HVDC. «Встречный ответ» на этот вопрос от helloworld922 (следующий по количеству голосов ответ здесь в настоящее время) указывает на множество случаев, когда HVDC использовался / использовался. Все эти инженеры не могли быть сумасшедшими, поэтому я думаю, что здесь важно объяснить, когда HVDC имеет смысл. (Кстати, это был бы лучший вопрос, чем то, что задал ФП.)

Для начала, есть несколько случаев, когда AC был бы практически невозможен. Это включает в себя подключение сетей переменного тока, которые работают асинхронно по отношению друг к другу, например, подключение систем 50 и 60 Гц; например, в Японии это происходит: в восточной Японии используется 50 Гц, а в западной Японии - 60 Гц. На самом деле есть еще несколько нишевых приложений, где HVDC является единственным разумным выбором, но их не легко объяснить неофитам в нескольких словах. Если вам нужен более подробный список (с примерами из реальной жизни), у Delea и Casazza в разделе « Система электропитания» есть более длинный список.

Оставляя в стороне такие нишевые случаи, я думаю, что важно подчеркнуть, что есть общая оптимизация затратэто может (и фактически должно) выполняться при принятии решения, должен ли переменный или постоянный ток быть методом передачи для линии электропередачи. Двумя основными факторами являются стоимость самой линии (кабели, вышки, если применимо, например, не подводные) и стоимость терминалов. Как правило, кабели передачи постоянного тока стоят дешевле, чем кабели эквивалентной мощности для трехфазного переменного тока. Это происходит по причине, которую легко объяснить: вам нужно меньше проводов для постоянного тока, чем для трехфазного переменного тока, но изоляция для проводов переменного тока (и это может быть только воздушный зазор, но это приводит к затратам на опору) должна выдерживать пиковое значение переменного тока, в то время как вы получаете выгоду только от передачи «среднеквадратичной мощности» (точнее, средней мощности, соответствующей среднеквадратическому напряжению) при переменном токе. С другой стороны, оконечная силовая электроника для HVDC стоит дороже, чем трансформаторы переменного тока,

Эта оптимизация общих затрат фактически дает вам основное применение HVDC сегодня: передача большого количества энергии на большие расстояния (и, следовательно, без постукивания / прерывания). Типичные значения, когда HVDC является более экономичным, чем AC, передает более 500 МВт на расстояние более 500 км (согласно Delea и Casazza). Многие (если не большинство) примеров из списка Википедии (ссылка на который содержится в ответе helloworld922) относятся именно к этому типу. Это не должно быть сюрпризом, чем такие примеры из Китая, Канады или Австралии. В Европе большинство средних / больших линий электропередачи HVDC - это подводные кабели.

Ниже приведен пример синтетической оптимизации (то есть на уровне учебника, а не в реальном мире) для заранее определенного уровня мощности, в котором отображается только соотношение цены и расстояния передачи; это выдержка из Kim et al. HVDC Transmission , первая глава которого находится в свободном доступе .

С точки зрения конкретной стоимости, вот некоторые значения (согласно Larruskain et al .) Для того, что близко к самой низкой мощности, для которой изготавливаются терминальные компоненты HVDC:

• Тиристорный преобразователь, 50 МВт, 100 кВ. Ориентировочная стоимость единицы: 500 евро / кВт
• Пара преобразователей IGBT, 50 МВт, +/- 84 кВ. Ориентировочная стоимость единицы: 150 евро / кВт
• Трансформатор, 50 МВА, 69 кВ / 138 кВ. Ориентировочная стоимость единицы: 7,5 евро / кВА

Учитывая соотношение цены между выпрямителем и трансформатором в 20x-60x в 50 МВт, очевидно, что HVDC не сокращается до более низких мощностей.

При использовании трансформаторов переменного тока (таким образом) инверторы, выпрямители, вращающиеся трансформаторы и т. Д. Могут быть исключены из электрической сети, что значительно повышает эффективность и, в свою очередь, снижает выбросы и затраты.

В Чикаго и Нью-Йорке сеть электропитания постоянного тока была отключена в 1990-х годах. В Мельбурне, Австралия, энергосистема постоянного тока была отключена примерно в 2005 году. В конце концов, основной или единственной вещью, все еще связанной с сетью постоянного тока, были очень старые лифты в старых зданиях. В Мельбурне после отказа линии электропередачи было дешевле предоставить каждому оставшемуся клиенту постоянного тока выпрямитель и подключить старое оборудование к сети переменного тока, а не ремонтировать и заменять сеть передачи постоянного тока.

Хотя передача энергии переменного тока имеет много преимуществ, передача энергии постоянного тока продолжает использоваться для соединения высоковольтных сетей: для поддержания стабильности сети при длинных соединениях, и особенно в подземных / подводных кабелях, для уменьшения диэлектрических потерь и скин-эффекта.

Да, вы что-то упустили. С современными транзисторами и другими электронными компонентами мы можем повысить постоянный ток до некоторой точки, но не легко, экономично или с разумной эффективностью при уровнях мощности МВт до напряжений, требуемых на главных линиях электропередачи.

Трансформаторы - единственный практический способ получить 100 кВ при уровнях мощности МВт, а трансформаторы требуют переменного тока.

Просто потому, что Тесла против Эдисона 1880-х годов. В результате, 99,9% нашей инфраструктуры производства и передачи электроэнергии - это переменный ток. Переход на DC - это не то, что можно сделать за выходные. Как насчет всех бытовых приборов и заводов с асинхронными двигателями? DC не будет работать там. Им понадобится какая-то альтернатива, разработанная. Подстанции должны быть полностью переделаны. Силовая электроника HVDC для всего этого должна быть проверена и сертифицирована. И, возможно, самое главное, все это стоит денег. Много-много денег. Не ожидайте, что переключение с переменного тока на постоянное будет происходить скоро или быстро, если вообще когда-либо.

Это прямо на графике, пункт 6: «Несколько терминалов / постукивание: сложно».

HVDC уже иногда используется для двухточечных линий связи, но чем более сетчатая и многолучевая система распределения электроэнергии, тем менее она удобна. В компактных европейских странах средняя невозмущенная длина сегмента сетки мала, ниже ~ 100 км экономической точки безубыточности.

Лично я думаю, что мы, скорее всего, увидим развертывание низковольтных микросетей постоянного тока, питаемых возобновляемыми источниками и банками батарей, прежде чем увидим массовое преобразование сети переменного тока в постоянный ток.

Вот что вам не хватает: вы думаете как инженер, а не бизнесмен. Следуй за деньгами. Когда это будет экономически целесообразно для перехода на DC, включая все затраты на замену существующей инфраструктуры и т. Д., Это произойдет. В тех случаях, когда DC имеет смысл, это произошло и происходит.

Я даю вам еще одну вескую причину против сетей постоянного тока, кроме:

• отказоустойчивые и дорогие полупроводники и конденсаторы
• подавляющая электромагнитная совместимость во всех этих схемах прерывателя и PFC
• повышенная коррозия при утечке

Безопасность. Очень сложно построить автоматические выключатели для сети постоянного тока высокого напряжения. Предохранители должны быть в пять раз больше для надежного гашения дуги. Коммутаторы нуждаются в значительно больших и сложных взрывных камерах из-за емкости сетки и совершенно другого поведения дуги.

В системе распределения переменного тока все генераторы должны быть синхронизированы не только по частоте, но и по углу. Каждый раз, когда нагрузка увеличивается, он пытается замедлить генераторы. Это недопустимо, и сила должна увеличиваться. Если нагрузка слишком высока, ее необходимо отключить, и это создает дополнительную нагрузку на другие генераторы. Теоретически, HVDC является более стабильным и более щадящим. Причина, по которой мы используем ac, заключается в том, что до недавнего времени это был лучший метод. Как уже упоминалось, переход на HVDC является дорогостоящим.

Все предыдущие ответы охватывают вопросы ОП, но я подумал, что просто добавлю к сказанному ранее относительно локализованных, коротких сетей постоянного тока. Следующей «революцией» в распределении электроэнергии станут системы реагирования на запросы ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ), которые обеспечивают локализованную электроэнергию через электросети сообщества, работающие от батарей, солнечных батарей и других возобновляемых источников энергии.

Тесла (компания, а не человек) показывает нам, куда это идет со своим внутренним аккумулятором - представьте себе экономию внутренних счетов, связанную с возможностью переключения на батарею в периоды пиковой стоимости энергии и зарядки аккумуляторов с помощью PV и др. В непиковый период ,

Соберите несколько домов вместе, чтобы поделиться этими возможностями в сообществе, и тогда у вас также может быть достаточно ресурсов, чтобы продать свой избыток другим членам / сообществам (вы уже можете продать его обратно в сеть в Великобритании). Возможно, этот тип подсетей может быть HVDC, если каждый участник сообщества является участником.

Есть несколько причин, по которым постоянное напряжение высокого напряжения пока нецелесообразно, однако в некоторых нишевых приложениях оно медленно уходит назад.

• Трансформаторы переменного тока являются очень надежной и проверенной технологией с многолетними исследованиями, усовершенствованиями и оптимизацией за их спиной и намного дешевле, чем DC / AC - высокочастотный трансформатор - аналог AC / DC, и, конечно, они намного надежнее
• Автоматические выключатели, которые используются для размыкания цепей под нагрузкой или коротким замыканием, представляют собой серьезную проблему в системах постоянного тока, так как в системах переменного тока по своей природе приходится проходить через ноль, гораздо проще отключить переменные токи, автоматические выключатели намного опережают Постоянные аналоги в цене, ломая текущие возможности, срок службы и ...
• даже если мы дойдем до того, что обе технологии находятся на одном уровне, что еще много лет тому назад, вы должны понять, что операторы распределения переменного тока очень неохотны и осторожны в применении новых технологий.

Использование постоянного тока в домашних условиях для освещения и вычислительной техники, безусловно, более эффективно при использовании постоянного тока. Светодиодное освещение использует часть мощности лампы накаливания и флуоресцентного освещения. Светодиод должен использовать постоянный ток, и по этой причине каждый светодиод должен иметь преобразователь переменного тока в постоянный, который неэффективен и подвержен сбоям. Действительно, большинство отказов светодиодных ламп происходит из-за схемы преобразования и очень редко к самому светодиодному источнику света.

Все компьютеры и электроника используют DC. Они работают от батареи или, если подключены к сети переменного тока, должны преобразовывать напряжение сети переменного тока в постоянное, необходимое для электроники, через схему, состоящую из мостовых выпрямителей, понижающих трансформаторов, конденсаторов, тиристоров и т. Д.

Нагревательные нити для электрических нагревателей не заботятся, если вы используете постоянный или переменный ток, так как это чисто резистивная нагрузка. Вентилятор для обогревателей должен быть вентилятором постоянного тока.

Переменный ток потребуется для любых приборов или оборудования, в которых используются двигатели и / или компрессоры переменного тока, например, холодильники, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, вентиляторы, насосы, подключаемые устройства и т. Д. Хотя все больше и больше электроинструментов используют перезаряжаемые аккумуляторные батареи постоянного тока, а не подключаемые. и зарядные устройства являются постоянными.

Поскольку на месте выработка электроэнергии является постоянным током для солнечной энергии и может быть постоянным током для механических генераторов для энергии ветра и биомассы, нецелесообразно использовать инверторы для преобразования генерируемой мощности в переменный ток, а только для преобразования ее обратно в постоянный ток для использования. цитируется выше.

Сейчас это система, но поскольку коммунальные предприятия продолжают повышать тарифы, а инфраструктура передачи становится все более ненадежной, все больше и больше домохозяйств будут стремиться использовать автономную локальную электроэнергию постоянного тока. Они по-прежнему будут использовать электропитание от сети переменного тока или инверторы от домашней батареи для оборудования и приборов, которые должны использовать переменный ток.

Несмотря на то, что переменный ток по-прежнему является более экономичным выбором для передачи электроэнергии по наземным линиям электропередачи протяженностью менее 500 км, тенденция заключается в локальном производстве и хранении электроэнергии на месте, независимо от энергосистемы. Коммунальные компании уже знают об этой тенденции и сотрудничают с муниципалитетами и местными провайдерами для выкупа энергосистем, интеграции и прочего.

AC получает выгоду от критической массы многолетнего опыта, уверенности в отрасли, широкого спектра продуктов по разумным ценам, а также легкодоступного обслуживания и поддержки.

Трансформаторы переменного тока пуленепробиваемые. Допустим, кто-то хочет розетку 50 А / 240 В на противоположной стороне нашего дома, в 2000 футах от нас. Я могу использовать обычные трансформаторы, чтобы поднять напряжение в нашем напряжении 240 В до 2400 В, запустить линию полюсов и другой трансформатор. Дешево, надежно и готово. Не нужно беспокоиться о выходе из строя трансформатора. И если это действительно нуждается в обслуживании, число электриков в моем сельском округе, которые будут знать, на что они смотрят и могут поддержать это, определенно не ноль.

HVDC не может требовать ничего из этого.

Существует старая пословица из мира мэйнфреймов 1960-х годов, когда такие компании, как Берроуз и Сперри, пытались сломать почти монополию IBM: «Никто никогда не был уволен за покупку IBM».

Какой руководитель предприятия собирается выложить свою шину на HVDC? Думаю, не я сегодня. Может быть завтра. Завтра не будет бума