Dlaczego systemy przesyłu / dystrybucji energii są zmienne, a nie stałe?

Czy jest dobry powód, dla którego nie jesteśmy w trakcie całkowitej konwersji naszego elektrycznego systemu przesyłowego na prąd stały? Głównym powodem stosowania prądu przemiennego na sieci (bez obrazy Tesli, kocham cię, człowieku) było umożliwienie transformacji na wyższe napięcia w celu zmniejszenia strat w linii ( ) i jeśli rozmiar przewodnika pozostaje taki sam gdy E jest zwiększona w równaniu E = I R następnie , że muszą koniecznie maleć, co z kolei zmniejsza straty kwadratu $P=IE=I^2R$$E$$E=IR$$I$$I$). Ale teraz mamy możliwość przekształcania prądu przemiennego (we wszystkich generatorach termicznych, wodnych i wiatrowych) i prądu stałego (w generatorach słonecznych) na dowolny poziom prądu stałego, jaki chcemy i przesyłamy, zwykle do obciążeń mieszkaniowych lub komercyjnych, które i tak mają tendencję do korzystania z prądu stałego. W razie potrzeby można go przekształcić z powrotem w prąd przemienny przy obciążeniach przemysłowych (zwykle silniki).

W ten sposób wiele transformatorów, kondensatorów, problemów z odstępami itp. Można wyeliminować z sieci elektrycznej, znacznie zwiększając wydajność, a tym samym zmniejszając emisje i koszty.

Czy coś mi umyka?

Jest kilka powodów. Po pierwsze: strata mocy w przewodzie wynosi I ^ 2 * R. Dlatego lepiej jest przekazywać moc przy bardzo wysokim napięciu i niskim prądzie. AC jest znacznie łatwiej podbity do wysokiego napięcia (nie jest wymagana elektronika). Zwiększenie obciążeń przemysłowych za pomocą elektroniki krzemowej nie jest praktyczne.

Kolejną jest łatwość przełączania pod obciążeniem. Jeśli wyłączysz obciążenie podłączone do prądu stałego, wyładowanie łukowe na przełączniku z powodu indukcyjności drutu i indukcyjności obciążenia staje się problematyczne. To zmusza przełączniki DC do większej niezawodności.

Szum 60 Hz generowany przez transformatory jest znacznie mniejszy niż szum przełączający, który byłby wytwarzany przez całą elektronikę wymaganą do zerwania i wzmocnienia prądu stałego, a następnie przekształcenia go w prąd przemienny w punkcie obciążenia, zgodnie z propozycją.

Zastosowano HVDC: Lista projektu HVDC . Dwie dominujące technologie stosowane w HVDC (tyrystory i IGBT) zostały wynalezione odpowiednio do 1950 i 1968 roku. W międzyczasie kraje budowały sprzęt do transmisji prądu przemiennego. Po co wymieniać coś, co działa, skoro wydałeś już dużo pieniędzy na budowę sieci? Poczekaj, aż istniejący system przestanie działać, a następnie zaktualizuj.

Dane wydają się to uzasadniać: Chiny budują dużą liczbę linii przesyłowych HVDC, ponieważ mają pieniądze i tak naprawdę nie mają żadnej istniejącej sieci, z którą mogłyby współdziałać / konkurować. Podobnie istnieją projekty w Europie i obu Amerykach, ale wydają się one bardziej ograniczone do obszarów, w których HVDC naprawdę świeci (systemy podwodne), ponieważ istnieją sieci, więc koszt aktualizacji nie jest jeszcze uzasadniony.

Ponadto HVDC nie zawsze ma sens, szczególnie gdy potrzebujesz / chcesz transmisji wielopunktowej. To sprawia, że ​​trasowanie systemu HVDC jest trudniejsze niż systemu AC.

Mkeith odpowiedział na zadane pytanie, tj. Jakie są główne wady dystrybucji HVDC. „Przeciw-odpowiedź” na to pytanie autorstwa helloworld922 (kolejna obecnie najczęściej głosowana odpowiedź) wskazuje na szereg przypadków, w których HVDC jest / był używany. Wszyscy ci inżynierowie nie mogliby być szaleni, więc myślę, że ważne jest wyjaśnienie tutaj, kiedy HVDC ma sens. (Nawiasem mówiąc, byłoby to lepsze pytanie niż to, co zadał PO).

Na początek istnieją przypadki, w których AC byłoby prawie niemożliwe. Obejmuje to łączenie sieci prądu przemiennego, które działają względem siebie asynchronicznie, na przykład łączenie systemów 50 i 60 Hz; zdarza się to na przykład w Japonii: Wschodnia Japonia używa 50 Hz, a Zachodnia Japonia - 60 Hz. W rzeczywistości istnieje kilka innych niszowych aplikacji, w których HVDC jest jedynym rozsądnym wyborem, ale nie są łatwe do wyjaśnienia neofitom w kilku słowach. Jeśli potrzebujesz bardziej szczegółowej listy (z przykładami ze świata rzeczywistego), Delea and Casazza's Understanding Electrical Power System ma dłuższą listę.

Pomijając takie niszowe przypadki, myślę, że należy podkreślić, że istnieje optymalizacja kosztów całkowitychktóre można (i faktycznie należy) wykonać przy podejmowaniu decyzji, czy prąd przemienny czy stały powinien być metodą transmisji dla linii energetycznej. Dwa główne czynniki to koszt samej linii (kable, wieże, jeśli dotyczy, np. Nie podmorski) i koszt terminali. Zasadniczo kable transmisyjne prądu stałego kosztują mniej niż kable o równoważnej mocy dla prądu trójfazowego. Dzieje się tak z łatwego do wyjaśnienia powodu: potrzebujesz mniejszej liczby przewodów dla prądu stałego niż trójfazowego prądu zmiennego, ale izolacja dla przewodów prądu przemiennego (i może to być tylko szczelina powietrzna, ale przekłada się to na koszty wieży) musi wytrzymać szczytową wartość prądu przemiennego, podczas gdy czerpiesz korzyści tylko z przesyłania „mocy skutecznej” (bardziej poprawnie, średniej mocy odpowiadającej napięciu skutecznemu) przy AC. Z drugiej strony, elektronika mocy końcowej kosztuje więcej HVDC niż transformatory prądu przemiennego,

Ta optymalizacja całkowitego kosztu faktycznie daje dziś główne zastosowanie HVDC: przesyłanie dużych ilości mocy na duże odległości (i przez to bez przerywania / podsłuchu). Typowe wartości, w których HVDC jest bardziej ekonomiczny niż prąd przemienny, transmituje więcej niż 500 MW na ponad 500 km (według Delea i Casazza). Wiele (jeśli nie większość) przykładów z listy na Wikipedii (połączonych w odpowiedzi helloworld922) jest tego rodzaju. Nie powinno być zaskoczeniem, że takie przykłady pochodzą z Chin, Kanady lub Australii. W Europie większość średnich / dużych linii przesyłowych HVDC to kable podmorskie.

Poniżej pokazano, jak wygląda syntetyczny (czyli raczej podręcznikowy niż optymalizacyjny) przykład optymalizacji dla wstępnie określonego poziomu mocy, w którym wykreślany jest jedynie koszt w stosunku do odległości transmisji; pochodzi z Kim i in. Transmisja HVDC , której pierwszy rozdział jest dostępny bezpłatnie .

Dla konkretnej perspektywy kosztów, oto kilka wartości (według Larruskain i in .) Dla tego, co jest bliskie najniższej mocy, dla której wykonane są elementy terminala HVDC:

• Przetwornik tyrystorowy, 50 MW, 100 kV. Przybliżona wartość jednostkowa wynosi: 500 EUR / kW
• Para przetworników IGBT, 50 MW, +/- 84kV. Przybliżona wartość jednostkowa wynosi: 150 EUR / kW
• Transformator, 50 MVA, 69 kV / 138 kV. Przybliżona wartość jednostkowa wynosi: 7,5 EUR / kVA

Biorąc pod uwagę stosunek cenowy prostownika i transformatora 20x-60x przy 50 MW, oczywiste jest, dlaczego HVDC nie zmniejsza się do niższych mocy.

Dzięki zastosowaniu transformatorów prądu przemiennego (w ten sposób) można wyeliminować falowniki, prostowniki, transformatory obrotowe itp. Z sieci elektrycznej, znacznie zwiększając wydajność, a tym samym zmniejszając emisje i koszty.

W Chicago i Nowym Jorku sieć prądu stałego została wyłączona w latach 90. W Melbourne w Australii sieć prądu stałego została wyłączona około 2005 r. Ostatecznie główną lub jedyną rzeczą nadal podłączoną do sieci prądu stałego były bardzo stare windy w starych budynkach. W Melbourne po awarii linii przesyłowej taniej było dać każdemu pozostałemu klientowi prądu stałego prostownik i podłączyć stary sprzęt do sieci prądu przemiennego, zamiast naprawiać i wymieniać sieć przesyłową prądu stałego.

Chociaż przenoszenie mocy prądu przemiennego ma wiele zalet, przenoszenie mocy prądu stałego jest nadal stosowane do wzajemnego łączenia sieci WN: w celu utrzymania stabilności sieci w przypadku długich połączeń, a zwłaszcza w kablach podziemnych / podmorskich, w celu zmniejszenia strat dielektrycznych i efektu naskórkowego.

Tak, czegoś brakuje. Dzięki nowoczesnym tranzystorom i innym komponentom elektronicznym możemy podnieść prąd stały do ​​punktu, ale nie łatwo, ekonomicznie lub z rozsądną wydajnością przy poziomach mocy MW do napięć wymaganych na głównych liniach przesyłowych.

Transformatory są jedynym praktycznym sposobem na uzyskanie 100 kV przy poziomach mocy MW, a transformatory wymagają prądu przemiennego.

Po prostu dlatego, że Tesla vs. Edison 1880. W rezultacie 99,9% naszej infrastruktury wytwarzania i przesyłu to prąd przemienny. Przejście na DC nie jest czymś, co można zrobić w weekend. Co ze wszystkimi urządzeniami i fabrykami ludzi z silnikami indukcyjnymi? DC nie będzie tam działać. Będą potrzebować rozwiniętej alternatywy. Podstacje będą musiały zostać całkowicie przerobione. Elektronika mocy HVDC do obsługi tego wszystkiego będzie musiała zostać przetestowana i certyfikowana. A może co najważniejsze, wszystko to kosztuje. Dużo pieniędzy. Nie oczekuj, że zmiana z AC na DC nastąpi szybko lub szybko, jeśli w ogóle.

To jest dokładnie na twoim wykresie, punkt 6: „Wiele terminali / stukanie: trudne”.

HVDC jest już czasami wykorzystywany do połączeń punkt-punkt, ale im bardziej elektryczny i wielościeżkowy system dystrybucji energii, tym mniej wygodny. W zwartych krajach europejskich średnia niezakłócona długość odcinka sieci jest krótka, poniżej progu ekonomicznego wynoszącego ~ 100 km.

Osobiście uważam, że bardziej prawdopodobne jest pojawienie się mikrosieci prądu stałego niskiego napięcia zasilanych energią odnawialną i bateriami akumulatorów, zanim dojdzie do hurtowej konwersji sieci prądu przemiennego na prąd stały.

Oto, czego brakuje: myślisz jak inżynier, a nie przedsiębiorca. Podążaj za pieniędzmi. Kiedy przejście na prąd stały będzie uzasadnione ekonomicznie, w tym wszystkie koszty wymiany istniejącej infrastruktury itp., Nastąpi. W przypadkach, w których DC ma sens, stało się i ma miejsce.

Podaję kolejny dobry powód przeciwko sieci DC oprócz:

• podatne na uszkodzenia i drogie półprzewodniki i kondensatory
• przytłaczające kłopoty EMC we wszystkich układach przerywacza i PFC
• zwiększona korozja po wystąpieniu wycieku

Bezpieczeństwo. Bardzo trudno jest zbudować wyłączniki dla sieci prądu stałego o wysokim napięciu / wysokim prądzie. Bezpieczniki muszą być pięciokrotnie większe dla bezpiecznego gaszenia łuku. Przełączniki wymagają znacznie większych i bardziej skomplikowanych komór strzałowych ze względu na pojemność siatki i zupełnie inne zachowanie w łukach.

W systemie dystrybucji prądu przemiennego wszystkie alternatory muszą być zsynchronizowane nie tylko częstotliwością, ale także kątem. Za każdym razem, gdy wzrasta obciążenie, próbuje spowolnić alternatory. To nie jest dozwolone, a moc musi wzrosnąć. Jeśli obciążenie jest zbyt wysokie, należy je odłączyć, co dodatkowo obciąża inne alternatory. Teoretycznie HVDC jest bardziej stabilny i bardziej wyrozumiały. Powodem, dla którego używamy ac jest to, że do niedawna była to lepsza metoda. Jak wspomniano przez innych, przejście na HVDC jest kosztowne.

Wszystkie poprzednie odpowiedzi obejmują pytania OP, ale pomyślałem, że po prostu dodam coś do powiedzenia wcześniej dotyczącego zlokalizowanych, krótkoterminowych sieci prądu stałego. Następną „rewolucją” w dystrybucji energii będą systemy odpowiedzi na żądanie ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ), które zapewniają zlokalizowane zasilanie za pośrednictwem sieci społecznościowych zasilanych z baterii, energii słonecznej i innych źródeł odnawialnych.

Tesla (firma, a nie człowiek) pokazuje nam, dokąd zmierza ich domowy zestaw akumulatorów - wyobraź sobie, że oszczędności na rachunkach krajowych wynikają z możliwości przejścia na akumulator w szczytowym okresie kosztu energii i ładowania akumulatorów za pośrednictwem PV i innych urządzeń poza szczytem .

Zbierz kilka domów, aby dzielić tę zdolność w społeczności, a następnie możesz mieć wystarczające zasoby, aby sprzedać nadwyżkę innym członkom / społecznościom (możesz już odsprzedać je do sieci w Wielkiej Brytanii). Być może tego rodzaju podsiatką może być HVDC, jeśli wszyscy członkowie społeczności są uczestnikami.

Istnieje kilka powodów, dla których wysokie napięcie DC nie jest jeszcze praktyczne, jednak powoli powraca w niektórych niszowych zastosowaniach.

• Transformatory prądu przemiennego są bardzo solidną i sprawdzoną technologią z wieloletnimi badaniami, ulepszeniami i optymalizacją za ich plecami i są bardzo tańsze niż DC / AC - transformator wysokiej częstotliwości - odpowiednik AC / DC i oczywiście są znacznie bardziej niezawodne
• Wyłączniki, które służą do przerywania obwodów pod obciążeniem lub zwarciem, stanowią poważny problem w systemach prądu stałego, ponieważ w systemie prądu przemiennego prądy z natury muszą przekraczać zero, znacznie łatwiej jest przerwać prądy prądu przemiennego, wyłączniki prądu przemiennego znacznie wyprzedzają Odpowiedniki prądu stałego pod względem ceny, zdolności wyłączania prądu, żywotności i ...
• nawet jeśli dojdziemy do tego, że obie technologie są na równi ze sobą, co jest jeszcze wiele lat do tego momentu, musisz zrozumieć, że operatorzy dystrybucji prądu przemiennego są bardzo niechętni i ostrożni w stosowaniu nowych technologii

Korzystanie z sieci poza domem w oświetleniu i komputerach jest z pewnością bardziej wydajne dzięki DC. Oświetlenie LED wykorzystuje ułamek mocy oświetlenia żarowego i fluorescencyjnego. LED musi używać prądu stałego iz tego powodu każde światło LED musi mieć przetwornicę prądu przemiennego na prąd stały, która jest nieefektywna i podatna na awarie. Rzeczywiście większość awarii lamp LED wynika z obwodów konwersji i bardzo rzadko z samym źródłem światła LED.

Wszystkie komputery i elektronika używają prądu stałego. Pracują z akumulatora lub, jeśli są podłączone do sieci prądu przemiennego, muszą przekształcić prąd przemienny w prąd stały wymagany przez elektronikę za pomocą obwodu składającego się z mostków prostowniczych, transformatorów obniżających napięcie, kondensatorów, tyrystorów itp.

Żarniki grzejne do grzejników elektrycznych nie dbają o to, czy używasz prądu stałego lub przemiennego, ponieważ jest to obciążenie wyłącznie rezystancyjne. Wentylator do grzejników musiałby być jednak wentylatorem prądu stałego.

Potrzebne byłyby prąd przemienny dla wszystkich urządzeń lub urządzeń, które wykorzystują silniki prądu przemiennego i / lub sprężarki, tj. Lodówki, HVAC, wentylatory, pompy, urządzenia wtykowe itp. Chociaż coraz więcej elektronarzędzi używa akumulatorów DC zamiast akumulatorów , a ładowarki to DC.

Ponieważ wytwarzanie energii na miejscu jest prądem stałym dla energii słonecznej i może być prądem stałym dla mechanicznych alternatorów dla energii wiatrowej i biomasy, nie jest konieczne stosowanie falowników w celu konwersji generowanej energii na prąd przemienny tylko w celu konwersji z powrotem na prąd stały do ​​zastosowań cytowany powyżej.

To jest teraz ten system, ale w miarę jak przedsiębiorstwa użyteczności publicznej wciąż zwiększają stawki, a infrastruktura przesyłowa staje się coraz bardziej zawodna, coraz więcej gospodarstw domowych będzie próbowało wykorzystywać lokalnie wytwarzaną energię prądu stałego poza siecią. Nadal będą korzystać z zasilania sieciowego lub falowników z domowego zestawu akumulatorów do urządzeń i urządzeń, które muszą korzystać z prądu przemiennego.

Chociaż prąd przemienny jest nadal bardziej ekonomicznym wyborem do przesyłu energii lądowej na odległość mniejszą niż 500 km, trendem jest lokalna produkcja i magazynowanie energii elektrycznej na miejscu, niezależnie od sieci. Firmy użyteczności publicznej są już świadome tego trendu i współpracują z gminami i dostawcami na miejscu w celu odkupu sieci, integracji i innych.

AC korzysta z masy krytycznej długiego doświadczenia, zaufania branży, szerokiej gamy produktów po rozsądnych cenach oraz łatwo dostępnej obsługi i wsparcia.

Transformatory AC są kuloodporne. Powiedzmy, że ktoś chce gniazda RV 50A / 240V po drugiej stronie naszej nieruchomości, w odległości 2000 stóp. Mogę użyć zwykłych transformatorów, aby uruchomić naszą usługę 240 V do 2400 V, poprowadzić linię biegunową i inny transformator. Tanie, niezawodne i gotowe. Nigdy nie będziesz musiał się martwić o awarię transformatora. A jeśli wymagałoby to serwisu, liczba elektryków w moim wiejskim hrabstwie, którzy będą wiedzieli, na co patrzą i mogą to wspierać, jest zdecydowanie niezerowa.

HVDC nie może domagać się tego.

Jest takie powiedzenie ze świata komputerów mainframe z lat 60. XX wieku, kiedy stroje takie jak Burroughs i Sperry próbowały przełamać niemal monopol IBM: „Nikt nigdy nie został zwolniony za kupowanie IBM”.

Który kierownik obiektu zamierza wystawić HVDC? Chyba nie dzisiaj. Może jutro. Jutro nie ma boomu.