HVDC более эффективен на таком расстоянии. Вот причины:

В случае постоянного тока нет индуктивного/емкостного сопротивления, тогда как в случае переменного тока существуют оба емкостных/индуктивных сопротивления. Из-за отсутствия индуктивности падение напряжения в HVDC очень мало по сравнению с переменным током (при условии, что все остальные условия постоянны). По этим причинам HVDC обеспечивает преимущество перед регулированием напряжения энергосистемы.

HVDC не имеет диэлектрических потерь. Кроме того, отсутствует скин-эффект проводника, и для передачи энергии используются целые проводники.

С точки зрения стоимости энергосистемы постоянный ток более эффективен и наименее дорог. Во-первых, нам нужно только два проводника вместо трех. Но единственная проблема, с которой мы сталкиваемся, — это выработка электроэнергии при высоком напряжении, потому что нам нужно высокое напряжение для передачи. Постоянный ток нельзя ни повысить напрямую, ни генерировать при очень высоких напряжениях. Таким образом, в настоящее время единственным решением является использование твердотельной электроники и преобразование HVAC в HVDC для целей передачи, а затем снова преобразование его обратно в переменный ток и отключение для целей передачи.

1. Тесла ≠ Бог, Эдисон ≠ Дьявол

(Перефразируя прекрасное название статьи Forbes .)

Война токов была между Томасом Эдисоном и Джорджем Вестингаузом . Тесла был настолько вовлечен в это, что Вестингауз лицензировал свои патенты на передачу энергии переменного тока. Стоит добавить, что Тесла фактически работал на Эдисона и использовал предыдущую разработку Майкла Фарадея для переменного тока и переработал собственную технологию Эдисона для производства и передачи энергии постоянного тока, чтобы вместо этого использовать переменный ток.

И сделал он это по просьбе Эдисона.

Эдисон не очень верил в мощность постоянного тока и попросил Теслу попытаться переделать ее во что-то лучшее. Не то, что специально использовало переменный ток, просто что-то. Что-то, что было лучше. Что, очевидно, и сделал Тесла. Однако Эдисон подумал, что идея использования переменного тока для передачи энергии слишком нелепа, чтобы быть практичной, и решил не реализовывать ее. Конечно, это было… неразумно со стороны Эдисона.

Это будет последний раз, когда Тесла и Эдисон взаимодействуют или конфронтируют друг с другом по поводу передачи энергии постоянного и переменного тока.

Джордж Вестингауз, с другой стороны, искренне верил в энергию переменного тока, и, хотя Тесла усовершенствовал и запатентовал многие технологии, связанные с переменным током, именно Вестингауз коммерциал технологии, изобретенные Теслой, в нечто, что могло быть практичным для передачи энергии. Именно Westinghouse продвигала AC, финансировала его, создавала, платила за то, чтобы эти шоу демонстрировали опасность DC, все это. Тесла продолжал помогать в разработке переменного тока в ограниченной степени, но он сделал это, потому что Westinghouse заплатил ему за это, он не был особенно увлечен или озабочен тем, чтобы сделать переменный ток глобальным стандартом. Помните: Тесла считал, что передача энергии с использованием проводников сама по себе является фундаментально ошибочной, и был в значительной степени сосредоточен на разработке беспроводной передачи энергии. К сожалению, в конечном итоге это оказалось совершенно непрактичным, но я отвлекся.

Чтобы подчеркнуть это, Тесла провел последние годы своей жизни в отеле New Yorker, одном из последних бастионов постоянного тока. Он эксплуатировал большую электростанцию ​​​​постоянного тока до 1960-х годов, спустя много времени после смерти Теслы, и в последние годы Теслы был одним из крупнейших (и последних оставшихся) мест производства электроэнергии постоянного тока в мире. Выбор этого места в качестве своего дома и места работы, пока он в конце концов не умер, не является действиями человека, который особенно беспокоился о мощности переменного и постоянного тока. Тесла хотел только доказать, что его идеи могут работать.

Вся идея противостояния Эдисона и Теслы в основном является выдумкой, забавной историей, взятой из Интернета, но, к сожалению, не отражающей ни историю, ни реальность.

См . здесь исторически достоверную научно-популярную версию Войны Токов.

2. ОВКВ и ОВКВ

Теперь, чтобы, наконец, ответить на ваш вопрос, HVDC значительно более эффективен, чем HVAC для передачи энергии.

Вот почему сегодня новые линии передачи представляют собой исключительно HVDC. Строить линии электропередач HVAC просто не имеет экономического смысла. Конечно, HVAC по-прежнему доминирует, но потому, что подобная инфраструктура имеет очень длительный срок службы. Все новое, что строится, всегда является HVDC.

Обратите внимание, ключевое слово здесь — прогоны на уровне передачи . Это региональные трассы сверхвысокого напряжения на длинные дистанции. Переменный ток по-прежнему остается лучшим выбором для задач на уровне распределения электроэнергии, но это может измениться (а может и нет).

Итак, насколько эффективнее HVDC, чем HVAC? Сядьте — HVDC на 30–40 % эффективнее при передаче энергии, чем HVAC. Так что это не просто немного лучше - это намного лучше.

Теперь поговорим о том, почему:

1. Снижение потерь от короны

   

   Поскольку HVDC имеет статическую полярность, оно позволяет носителям заряда располагаться таким образом, чтобы электрическое поле между проводниками было минимальным, что приводит примерно к половине потерь из-за коронных токов по сравнению с HVAC.

2. Нет скин-эффекта

   

   Видите, как эти высоковольтные линии на самом деле состоят из связок из 3 проводников? Это из-за скин-эффекта. Переменный ток имеет тенденцию концентрировать фактические носители заряда (электроны) тока в самых удаленных областях проводника. Этот эффект зависит от частоты и проводящего материала, но он эффективно заставляет данный проводник вести себя как несколько меньший проводник, когда через него проходит переменный ток. Для меди с поперечным сечением 1000 квадратных мм кабель переменного тока с частотой 60 Гц будет иметь примерно на 23% более активное сопротивление по сравнению с постоянным током через тот же кабель.

3. Нет реактивной мощности

   

   Реактивная мощность — это мнимая составляющая комплексной мощности, свойство, уникальное для переменного тока. Реактивная мощность, в отличие от активной мощности, представляет собой не фактическую передачу или потребление энергии с заданной скоростью, а скорее скорость накопления энергии.. Реактивная мощность представляет собой мощность, которая ничего не делает, это просто мощность, которая питает паразитные механизмы накопления энергии, в частности, емкость (которая хранит энергию в электрическом поле) и индуктивность (которая хранит энергию в магнитном поле). Эта реактивная мощность усредняется до нуля, поскольку накопленная энергия в конечном итоге высвобождается обратно (или имеет отрицательную величину). Проблема в том, что на самом деле он ничего не делает, он не может использоваться нагрузкой, он на самом деле не передает мощность удаленному потребителю. Но фактические задействованные токи очень реальны, поэтому с переменным током есть составляющая тока, которая течет и испытывает потери сопротивления, и все это, как и любой другой ток, но это происходит бесполезно. Он просто шевелится, ничего не делая,

4. Отсутствие диэлектрических потерь

   

   Диэлектрики, также известные как изоляторы, состоят из множества маленьких электрических диполей (отсюда и слово «диэлектрик»). Поскольку полярность переменного тока меняется взад и вперед, то же самое происходит и с электрическим полем. Это заставляет диполи в диэлектриках менять полярность на благоприятную для данного электрического поля. Однако переворачивание этих маленьких диполей не бесплатно, оно требует энергии. Это означает, что объемные диэлектрики рассеивают небольшое количество электромагнитной энергии, когда они подвергаются поляризации внешним электрическим полем.

   В постоянном токе это происходит один раз, когда начинает течь ток. После этого полярность не меняется (если что-то не пошло ужасно, ужасно неправильно). Для переменного тока он изменяется на любой частоте. Для передачи по сети это обычно 50 или 60 Гц. Вы можете подумать: «Но ведь ЛЭП голый металл, никакой изоляции!». На самом деле они все завернуты в изоляцию, просто это воздух. Это не мой любимый изоляционный материал, но он точно дешевый! Этот эффект, несмотря на то, что он очень мал на частоте 50 Гц или 60 Гц, если умножить его на большие расстояния, высокую напряженность электрического поля и просто масштаб сдвига, все это составляет еще один значимый источник потерь. Тот, которого нет у HVDC.

5. Фаза? Частота? Что это такое?

   HVDC не является синусоидой или любой другой волной в этом отношении и не имеет фазы. У него тоже нет частоты.

   Весь смысл электрической сети заключается в том, чтобы служить связующим звеном не только между электростанцией и потребителем электроэнергии, но и между несколькими источниками выработки электроэнергии одновременно. Это имеет бесчисленные преимущества, от резервирования до распределения нагрузки и балансировки.

   Вы не можете просто соединить две сети, обмотать кабели изолентой и закончить. Сети должны быть не просто переменного тока, а переменного тока той же частоты и в фазе . Хуже того, есть области мира, где соседние сети, которые необходимо соединить, имеют разную частоту, тем более не совпадают по фазе. Все это в совокупности делает взаимосвязь крупных региональных энергосистем в лучшем случае вызывающей мигрень.

   С HVDC вы просто соединили их. Дело сделано! Фактически, линии HVDC активно используются на гораздо более коротких расстояниях, где обычно не имеет смысла использовать линию HVDC, потому что линия HVDC позволяет вам соединить две сети HVAC вместе, не заботясь об их частоте или фазе. HVDC выпрямляет переменный ток в постоянный, а затем инвертирует его обратно в переменный, поэтому синхронизировать нужно только один конец и с той самой сетью, к которой он подключен. Просто взгляните на эту карту линий HVDC в Европе:

   

   (Красный = в настоящее время активен, зеленый = в разработке, синий = предлагается).

Недостатком является то, что преобразователи и активные полупроводниковые повышающие/понижающие устройства переключения дороги и, по крайней мере, на данный момент, не так надежны, как пассивные трансформаторы, выполняющие ту же задачу для ОВКВ. Это основная причина того, что HVDC, хотя и более эффективен даже на более коротких расстояниях, не имеет достаточного преимущества, чтобы компенсировать более высокие затраты на строительство и обслуживание повышающих и понижающих мощностей HVDC. Технология все еще развивается, что также означает, что надежность будет не такой хорошей, и все это делает HVAC явным победителем в распределении электроэнергии, вплоть до вашего дома или бизнеса, по крайней мере, на данный момент времени. Следует помнить, что энергетические компании не слишком стремятся тратить энергию впустую, поэтому по мере появления новых технологий они будут внедряться тогда и там, где и когда это будет иметь смысл.

Инженер-конструктор HVDC по профессии здесь.

Много аккуратных длинных ответов с большим количеством информации о стоимости кабеля, короне и индуктивности, но ОП спросил, что является наиболее (энерго) эффективным.

Индуктивные «потери» в передаче переменного тока - это не потери в самой катушке индуктивности, а скорее их последствия, которые необходимо учитывать. Если у вас достаточно высокое системное напряжение для проектирования, это не будет большой проблемой всего за 500 миль. Проблема в том, что вы этого не делаете. Стоимость всего значительно возрастает, когда вы повышаете напряжение на свои инвестиции. Эксплуатационные расходы не слишком сильно пострадали. В некоторых странах даже есть фиксированные ограничения или шаги в напряжении системы, которых вам необходимо придерживаться, и здесь вам может не хватить запаса мощности. Помимо затрат и с точки зрения энергоэффективности, ваша трансмиссия переменного тока на 500 миль будет работать превосходно.

Если вы выберете HVDC, ваши потери в кабеле/воздушной линии будут немного ниже при той же сумме денег, потраченной на эквивалентное значение переменного тока, но потери в полупроводниках, которые могут составлять всего 0,2–0,8 % на станцию, могут показаться не такими уж большими. но по сравнению с решением переменного тока это огромно. Вдобавок к этому идут насосные потери в несколько кВт и система охлаждения с вентилятором для водяного охлаждения указанных полупроводников. Кроме того, вашим станциям HVDC неизбежно потребуются трансформаторы, которые могут выдерживать полное постоянное напряжение через изоляцию, что делает их намного более сложными, дорогими и с потерями, чем их аналоги переменного тока. Опять же, все еще в диапазоне эффективности 99+%, но вашему кабелю переменного тока может не понадобиться трансформатор на любом конце, если у вас одинаковое напряжение на обоих концах для подачи. Даже если вы этого не сделали,

Итак, когда вам нужно HVDC? Еще большие расстояния. Почти любой подводный/наземный кабель в диапазоне миль/км с двузначным числом. Асинхронные сетки.

Теоретически постоянный ток более эффективен, чем переменный, потому что переменный ток влияет не только на сопротивление постоянного тока провода, но и на реактивное сопротивление переменного тока — влияние емкости между проводами и индуктивности проводов.

Однако очень сложно (а раньше было невозможно) повысить постоянное напряжение до сотен киловольт, что довольно легко сделать с переменным с помощью трансформатора. Для передачи мощности при напряжении 2 кВ постоянного тока потребуется в 100 раз больший ток, чем если бы это было 200 кВ переменного тока для той же мощности. И это главное, потому что потери пропорциональны квадрату тока.

Для данного напряжения постоянный ток более эффективен, но переменный ток можно легко преобразовать в гораздо более высокое напряжение, что является его лучшим преимуществом.

Постоянный ток не имеет скин-эффекта, поэтому потери меньше, но имеет более серьезные эффекты частичного разряда, которые могут привести к сходу лавины. Так почему вы думаете, что они не используют DC для распространения? и только для дальней передачи.

Реактивное сопротивление не имеет потерь, но может быть PITA с повторным включением. Почему?

Что дороже? Когда дешевле?

В статье не должно быть упоминаний о пиковом напряжении переменного тока по сравнению со среднеквадратичным значением, коронном разряде и искрении в линии, а также о более высокой стоимости линий выше одного мегавольта.

Если линия спроектирована так, чтобы выдерживать 1 МВ при 100 А, то в качестве линии постоянного тока она передает 100 МВт. Но для переменного тока пиковое напряжение переменного тока должно оставаться на уровне одного мегавольта (поскольку рабочее напряжение переменного тока 1 МВ (среднеквадратичное значение) будет иметь пиковое значение 1,41 МВ, а линия передачи 1 МВ выйдет из строя или, по крайней мере, будет иметь большие потери на корону.) Итак, наша линия переменного тока может выдерживать только пики 100 МВ, для среднеквадратичного значения 70,7 МВ при 100 ампер, что дает только 70,7 мегаватт по сравнению со 100 МВт постоянного тока.

Я слышал, что из-за увеличения населения и потребности в электроэнергии многие основные магистрали исчерпали свои возможности и теперь должны работать на полную мощность. Если дешевле преобразовать существующую магистраль в сеть постоянного тока, а не строить целые новые ряды опор рядом с существующими, то HVDC будет чрезвычайно популярен среди энергетических компаний.

Так что дело не в эффективности. Это связано с потерями на корону, налагающими ограничение по напряжению на существующих линиях, и тем фактом, что в HVDC отсутствуют все эти пики напряжения 120 Гц, которые превышают ограничения на корону примерно на 40%.

PS

Ключевое слово для повышения и понижения HVDC: клапанный зал . «Клапан», как в британском названии вакуумной трубки. Мне сказали, что в оригинальном DC Intertie использовались ртутные тиратроны длинной в ярды. Сегодня они используют тиристоры в виде хоккейных шайб в кубических массивах, подвешенных к потолку.