Sieci elektroenergetyczne: prąd przemienny i stały

Wiemy, że mamy teraz 50/60 Hz w naszych ścianach głównie z powodów historycznych - przed 100 laty nie było żadnych sposobów na zwiększenie / zmniejszenie napięcia stałego DC.

Obecnie mamy po prostu problemy z tego powodu - każde sprzedane urządzenie musi mieć ok. 1 uF na 1 W mocy, zanim zasilacz będzie miał wystarczającą moc, gdy przejdziemy przez zero (ten problem nie występuje w przypadku zasilania 3-fazowego, ale dostępne głównie w aplikacjach przemysłowych tylko AFAIK) + czapki muszą mieć wyższe napięcie znamionowe, aby przetrwać szczyty sinusoidalne + cały ten bałagan PFC.

Czy słusznie jest powiedzieć, że gdybyśmy zaprojektowali nowoczesną sieć energetyczną, pominęlibyśmy prąd przemienny i po prostu mieliby prąd stały wszędzie? O ile widzę, znacznie zwiększyłoby to niezawodność i obniżyło koszty wielu urządzeń.

Guy Allee z Intel Research napisał na ten temat w zeszłym roku - DC - Pomysł, którego czas minął? - na wsparcie sieci 380 V prądu stałego, z następującymi punktami:

• 7% oszczędności energii w porównaniu do wysokowydajnego 415VAC; 28% w porównaniu z prądem typowym 208 VAC
• 15% mniej kosztów kapitałowych
• 15% mniej komponentów zasilacza
• 33% oszczędności miejsca w centrum danych
• 200% Poprawa niezawodności, która wzrasta do 1000%, jeśli bezpośrednio podłączysz magistralę akumulatora
• Eliminacja harmonicznych i nieodporność na inne problemy z jakością zasilania prądem przemiennym
• Naturalne powinowactwo do alternatywnego wytwarzania energii (fotowoltaiczne i wiatrowe wynoszą ~ 400Vdc wewnętrznie, a faktycznie tracisz energię i wydajność, kiedy zmuszasz się do przejścia na prąd przemienny)

Dodał w komentarzach:

Bardzo celowo wybraliśmy 380 V DC, ponieważ chcesz uzyskać tak wysokie napięcie, jak możesz sobie pozwolić na wydajność. Jednocześnie ten standard dotyczy tylko aplikacji niskonapięciowych (<600 V). Bylibyśmy wyżej, ale istnieją bariery strukturalne przy napięciu 400 V DC i 420 V DC. Przy napięciu 380 V DC utrzymujemy te same wartości znamionowe części, których używa prąd przemienny, i uzyskujemy korzyści w zakresie kosztu objętości wynikające z zastosowania piggybackingu w stosunku do większości obecnych objętości elementów zasilacza prądu przemiennego. Jestem pewien, że docenisz także znaczące koszty, które +/- 340 V DC ma w osobistym sprzęcie bezpieczeństwa, dlatego standard pozwala na opłacalną dystrybucję +/- 190 V DC. Dzięki temu mamy najwyższą wydajność, ale opłacalną normę. I z powinowactwem do innych branż, PV, wiatru, pojazdów elektrycznych i oświetlenia,

Wspomina także o mieszanym rozkładzie prądu przemiennego i stałego w budynku (np. W centrach danych). Więcej informacji na temat tej inicjatywy można znaleźć na stronie internetowej EMerge Alliance: http://www.emergealliance.org .

Bezpieczeństwo. Przepływ HVDC przez gniazdko ścienne nie jest mądry. Odłącz urządzenie wysokoprądowe bez uprzedniego wyłączenia spowoduje powstanie dużego łuku

Krótka odpowiedź:

Nie.

Długa odpowiedź:

Zaletą prądu przemiennego do dystrybucji energii na odległość jest łatwość zmiany napięcia za pomocą transformatora. Przekształcanie mocy prądu stałego z jednego napięcia na drugie wymaga dużej wirującej konwertera obrotowego lub zestawu silnik-generator, co jest trudne, kosztowne, nieefektywne i wymaga konserwacji, natomiast w przypadku prądu przemiennego napięcie można zmienić za pomocą prostych i wydajnych transformatorów bez ruchomych części i wymagają bardzo niewielkiej konserwacji.

Sugerowane czytanie:

Wojna prądów

Możesz mieć rację. AC kiedyś miało ogromną przewagę nad DC w przeszłości. Jednak wraz ze spadkiem kosztów przetwornic DC-DC względna przewaga prądu zmiennego spadła, aw niektórych przypadkach uległa przekroczeniu. Gdybyśmy dzisiaj projektowali nowy system przesyłu energii, prąd stały wszędzie mógłby zmniejszyć całkowite koszty systemu.

Dla równoważnych poziomów mocy i prądu oraz niezawodności prąd stały wymaga nieco mocniejszych części do wyłączników, bezpieczników i odgromników; ale prąd przemienny wymaga nieco droższych linii przesyłowych i lepszej koordynacji generatorów energii, aby uniknąć awarii kaskadowej.

Chociaż (z przyczyn historycznych) urządzenia prądu przemiennego mają przewagę ekonomiczną skali w porównaniu z urządzeniami prądu stałego, projektanci wielu najnowszych systemów przenoszenia mocy na duże odległości najwyraźniej zdecydowali, że stosowanie prądu stałego o wysokim napięciu (zwykle 200 000 V prądu stałego) ma niższe koszty systemu netto niż przy użyciu prądu przemiennego.

Chociaż (z przyczyn historycznych) wiele samolotów i promu kosmicznego używa 400 Hz 120 V prądu przemiennego, wczesne plany międzynarodowej stacji kosmicznej wzywały do ​​wykorzystania mocy dystrybucji 20000 Hz 440 V prądu przemiennego (!), Dopóki priorytety programu się nie zmieniły, a inżynierowie zmienili do 120 VDC. ( Mukund R. Patel str. 543)

Ludzie z Google ( a , b ) zasugerowali producentom komputerów stacjonarnych i serwerów, że koszt netto może spaść, jeśli przejdziemy na „materiały tylko 12V”, które zamieniają napięcie sieciowe na 12 VDC, a wtedy płyta główna komputera wymaga tylko 12 VDC , który zmniejsza się do dowolnej kolekcji napięć, której potrzebuje (jak większość laptopów), zamiast obecnej konfiguracji zasilacza ATX, która ma grubą wiązkę drutów z pstrokatym zestawem napięć.

Lee Felsenstein i Douglas Adams poszli jeszcze dalej i poprosili, aby ktoś opracował standardowy system dystrybucji 12 VDC. ( c , d )

Jest jeszcze jedna kwestia, którą chciałbym dodać, dlaczego moim zdaniem nie możemy pominąć klimatyzacji. Długie ścieżki, zwłaszcza kable, lepiej wykonywać w DC (ze względu na indukcyjność / pojemność, które są drogie w obsłudze na większych odległościach).

Najważniejsze jest to, że linie HVDC są punkt-punkt. Siatkowa siatka DC to zupełnie inna historia. Jeśli w którymkolwiek punkcie sieci wystąpi błąd, np. Drzewo spadnie na linię, cała siatka spadnie (napięcie spadnie do zera, a konwertery muszą się wyłączyć).
W AC na impedanze wpływa głównie indukcyjność, więc mamy o wiele większą impedanze niż w DC, gdzie impedanze ma niewielki opór. Jeśli drzewo wpada do linii prądu zmiennego, zmienność w tym punkcie wynosi zero. Ale wysoki prąd błędu i wysoka impedancja powodują duże napięcie. Więc właśnie ta linia jest wyłączona, pozostałe (jeśli nie bardzo blisko) mają (prawie) swoje normalne napięcie. W DC impedancja jest bardzo mała, więc napięcie w całej siatce siatkowej spada prawie do zera, a nie tylko jednej linii, ale cała sieć jest w dół. Powinieneś także wiedzieć, że równowaga produkcji mocy i zużycia prądu przemiennego odbywa się za pomocą częstotliwości. W DC odbywa się to przez napięcie. Powinno to uczynić oczywistym, że tak duży problem z napięciem wcale nie jest dobry.
Jeśli ktoś chciałby przetransportować jakąkolwiek znaczącą moc na tę sieć przy niskim napięciu lub chce zwiększyć tę zmienność, potrzebne są bardzo bardzo duże prądy, tak duże, że linie po prostu się stopią. Dlatego konwertery wyłączają się (zanikają) i czekają, aż linia zostanie naprawiona i będzie gotowa.

Krótka odpowiedź: Nie tak szybko Dłużej: Konwertery półprzewodnikowe są całkiem dobre. Transmisja długodystansowa ma wiele zalet. Transport krótkodystansowy prawdopodobnie nadal korzysta z transformatorów.

Dodatkowe informacje: na świecie jest kilka linii prądu stałego. Weźmy na przykład linię HVDC w Itaipu , która pozostaje jedną z najważniejszych instalacji HVDC na świecie. To linia o mocy 6300 MW i długości 780 km.