Gdybyśmy mogli uruchomić naszą sieć elektryczną od zera dzięki dzisiejszej technologii, który byłby najbardziej efektywnym wyborem? AC czy DC?

Ostatnio czytałem o wielu zaletach systemów przesyłowych HVDC do transmisji na duże odległości, połączeń podmorskich i innych. Historyczny powód, dla którego prąd przemienny został wybrany zamiast prądu stałego, wynikał głównie z wynalezienia transformatora, który umożliwił łatwą manipulację napięciem przemiennym, umożliwiając przesyłanie wysokiego napięcia na duże odległości.

Jednak po wynalezieniu zaworów rtęciowych, tyrystorów, IGBT i wszystkich tych elementów, które umożliwiły transmisję prądu stałego, pomyślałem, że gdybyśmy mieli sieć wyłącznie prądu stałego, moglibyśmy pozbyć się wszystkich prostowników prądu przemiennego / stałego, które znajdziemy w nasze urządzenia elektroniczne. Może to znacznie poprawić efektywność energetyczną i zaoszczędzić mnóstwo pieniędzy.

Gdybyśmy mieli szansę zacząć od nowa, czy system transmisji prądu stałego mógłby być lepszym wyborem ¹ , czy też AC nadal byłby lepszy ?

^{1: im lepiej , tym bardziej wydajne energetycznie .}

Trochę historii

Sugestie stojące za tym tematem są sprzeczne z tym, czego wielu inżynierów elektryków nauczyło się od pierwszego kursu w obwodach - że prąd przemienny jest lepszy do przesyłania energii. W końcu w „wojnie prądów” pod koniec 1800 roku to Tesla pomogła Westinghouse w walce o AC, ostatecznie pokonując marzenia Edisona o imperium DC.

Podstawową zaletą stosowania prądu przemiennego w porównaniu do prądu stałego w tym czasie była wydajność. Coraz łatwiejsze staje się przekształcanie jednego napięcia prądu przemiennego na drugie, szczególnie w porównaniu z kosztem, trudnością i nieefektywnością konwersji jednego napięcia prądu stałego na inne w tym czasie. Zgodnie z pierwszym prawem Joule ilość energii zmarnowanej jako ciepło w liniach przesyłowych jest proporcjonalna do kwadratu prądu. Biorąc pod uwagę, że linie przesyłowe mają znaną (zasadniczo) stałą rezystancję, wówczas w przypadku przesyłania tej samej ilości mocy marnuje się znacznie więcej w transmisji niskonapięciowej i wysokoprądowej niż w transmisji wysokonapięciowej i niskoprądowej. Jak wspomniano, bardzo niepraktyczne było przekształcanie napięć prądu stałego na wystarczająco wysoki poziom, aby przezwyciężyć utratę linii w porównaniu ze względną łatwością transformacji napięć prądu przemiennego.

Na marginesie, wiele miejsc nigdy nie w pełni przełączyło się z oryginalnych systemów transmisji prądu stałego na prąd przemienny do połowy XX wieku.

Możesz przeczytać wszystko o historii tutaj .

Wprowadź nowoczesny projekt elektryczny

Nie oznacza to, że AC nie ma własnych problemów. Efekt skórki jest jednym z przykładów mniejszej wydajności prądu przemiennego niż prądu stałego, ale nadal nie kompensuje wyżej wymienionych strat linii. Inną kwestią jest wyładowanie koronowe występujące przy wysokich poziomach napięcia transmisji. Na dużych odległościach napięcie prądu przemiennego ma również problemy ze stabilnością. W tym artykule IEEE znajduje się kilka różnych odległości, zauważając, że reaktancja linii może być kompensowana w odległościach do 600 - 700 mil.

Dzięki nowoczesnym implementacjom rtęciowych zaworów łukowych, tyrystorów i IGBT oraz skutecznym sposobom konwersji napięcia stałego transmisja HVDC jest nie tylko możliwa, ale pozwala przezwyciężyć wiele problemów związanych z transmisją HVAC. Całkowita odległość transmisji jest znacznie większa, a wspomniane efekty AC są przezwyciężone. Ponadto koszt związany z HVDC jest niższy niż HVAC po przekroczeniu progu odległości. Ta różnica kosztów jest szczegółowo omówiona w tym dokumencie, który obejmuje również podział kosztów podstacji zasilania. Koszt omówiono również w linku podanym przez Jake'a w jego odpowiedzi .

Faktem jest, że obecna infrastruktura elektryczna opiera się na przesyłaniu prądu przemiennego. Ogromna większość współczesnych technologii wymaga tego rodzaju mocy do prawidłowego działania, a gdyby AC nigdy nie był używany, wątpię, czy mielibyśmy wiele technicznych postępów, które znamy i kochamy. Teoretycznie zastosowanie samego HVDC może okazać się bardziej wydajne, ale aby zrekompensować różnicę kosztów, hybrydowy system HVAC / HVDC jest najlepszym rozwiązaniem, przynajmniej w tym momencie w rozwoju człowieka.

Wraz ze wzrostem kosztów miedzi i innych użytecznych metali oraz problemami środowiskowymi z zastosowanymi olejami izolacyjnymi transformatory prądu przemiennego dużej mocy stają się bardzo drogie w porównaniu do ich odpowiedników w stanie stałym. To nie tylko koszt uzwojenia, ale także duże metalowe skrzynki oraz koszty transportu i instalacji związane z tak dużymi transformatorami.

Przejście na transmisję prądu stałego o wysokim napięciu prawdopodobnie byłoby myleniem pod względem wydajności, jednak mogłoby to być niższe koszty, gdybyśmy nie mieli obecnej infrastruktury. Nadal potrzebne byłyby transformatory, ale zamiast transformatorów mocy niskiej częstotliwości połączylibyśmy półprzewodnikowe przetworniki DC-DC z transformatorami mocy o wysokiej częstotliwości, które mogą być znacznie mniejsze (a więc tańsze) przy tej samej mocy konwersji mocy.