Почему системы передачи/распределения электроэнергии работают на переменном, а не на постоянном токе?

Есть несколько причин. Первый: потери мощности в проводе I^2 * R. Поэтому лучше передавать мощность при очень высоком напряжении и малом токе. Переменный ток гораздо легче повысить до высокого напряжения (электроника не требуется). Повышение промышленных нагрузок с помощью кремниевой электроники нецелесообразно.

Другое дело — легкость переключения под нагрузкой. При отключении нагрузки, подключенной к постоянному току, возникновение дуги на выключателе из-за индуктивности проводов 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 снижения и повышения постоянного тока, а затем преобразования его в переменный ток в точке нагрузки, как вы предлагаете.

Используется HVDC: Список проекта HVDC . Две доминирующие технологии, используемые для HVDC (тиристоры и IGBT), не были изобретены до 1950 и 1968 годов соответственно. Тем временем страны строили оборудование для передачи переменного тока. Зачем заменять то, что работает, если вы уже потратили много денег на создание сети? Просто подождите, пока существующая система перестанет работать, и обновите ее.

Данные, кажется, оправдывают это: Китай строит большое количество линий электропередач HVDC, потому что у них есть деньги, и у них нет существующей сети, с которой можно было бы взаимодействовать/конкурировать. Точно так же есть проекты в Европе и Америке, но они, по-видимому, более ограничены областями, где HVDC действительно блестит (подводные системы), поскольку существуют существующие сети, поэтому стоимость модернизации еще не оправдана.

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

Мкейт ответил на заданный вопрос, т.е. каковы основные недостатки распределения HVDC. «Встречный ответ» на это от helloworld922 (следующий ответ с наибольшим количеством голосов здесь в настоящее время) указывает на множество случаев, когда используется / использовался HVDC. 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 тот, который задал ОП.)

Начнем с того, что в некоторых случаях переменный ток практически невозможен. Это включает в себя подключение силовых сетей переменного тока, которые работают асинхронно по отношению друг к другу, например, подключение систем 50 и 60 Гц; это происходит, например, в Японии: восточная Япония использует 50 Гц, а западная Япония использует 60 Гц. На самом деле есть еще несколько нишевых приложений, где HVDC является единственным разумным выбором, но их нелегко объяснить новичкам в нескольких словах. Если вам нужен более подробный список (с примерами из реального мира), в книге Delea and Casazza Understanding Electrical Power System есть более длинный список.

Оставляя в стороне такие нишевые кейсы, считаю важным подчеркнуть, что происходит общая оптимизация затрат .это может (и фактически должно) выполняться при принятии решения о том, должен ли переменный или постоянный ток быть методом передачи для линии электропередач. Двумя основными факторами являются стоимость самой линии (кабели, опоры, если применимо, например, не подводные) и стоимость терминалов. Как правило, кабели передачи постоянного тока стоят меньше, чем кабели эквивалентной мощности для трехфазного переменного тока. Это происходит по легко объяснимой причине: для постоянного тока требуется меньше проводов, чем для трехфазного переменного, но изоляция для проводов переменного тока (и это может быть просто воздушный зазор, но это выливается в затраты на башню) должна выдерживать пиковое значение переменного тока, в то время как вы получаете только выгоду от передачи «среднеквадратичной мощности» (точнее, средней мощности, соответствующей среднеквадратичному напряжению) при переменном токе. С другой стороны, оконечная силовая электроника для HVDC стоит больше, чем трансформаторы переменного тока.

Эта общая оптимизация затрат фактически дает вам основное применение HVDC сегодня: передачу больших объемов энергии на большие расстояния (и, таким образом, без отводов/прерываний). Типичные значения, при которых HVDC более экономичен, чем переменный ток, это передача более 500 МВт на расстояние более 500 км (по данным Делеа и Казацца). Многие (если не большинство) примеров из списка Википедии (связанные с ответом helloworld922) относятся к этому типу. Неудивительно, что такие примеры есть в Китае, Канаде или Австралии. В Европе большинство средних/крупных линий электропередач высокого напряжения постоянного тока представляют собой подводные кабели.

Ниже показано, как выглядит синтетический (имеется в виду уровень учебника, а не реальный мир) пример оптимизации для заранее определенного уровня мощности, поэтому на графике отображается только стоимость в зависимости от расстояния передачи; это выдержка из Kim et al. HVDC Transmission , первая глава которой 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 производятся терминальные компоненты HVDC:

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

Учитывая соотношение цены выпрямителя и трансформатора мощностью 50 МВт в 20-60 раз, становится очевидным, почему HVDC не масштабируется до более низких мощностей.

Используя трансформаторы переменного тока (таким образом), инверторы, выпрямители, вращающиеся трансформаторы и т. д. можно исключить из электрической сети, резко повысив эффективность и, в свою очередь, снизив выбросы и затраты.

В Чикаго и Нью-Йорке электросеть постоянного тока была отключена в 1990-х годах. В Мельбурне, Австралия, электросеть постоянного тока была отключена примерно в 2005 году. В конце концов, главным или единственным, что все еще было подключено к сети постоянного тока, были очень старые лифты в старых зданиях. В Мельбурне после отказа линии электропередачи было дешевле дать каждому оставшемуся потребителю постоянного тока выпрямитель и подключить старое оборудование к сети переменного тока, чем 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 упускаете. С современными транзисторами и другими электронными компонентами мы можем повысить постоянный ток до точки, но не легко, экономично или с разумной эффективностью на уровнях мощности МВт до напряжений, требуемых на основных линиях передачи.

Трансформаторы - единственный практичный способ получить 100 кВ на уровне мощности МВт, а для трансформаторов требуется переменный ток.

Просто потому, что Тесла против Эдисона 1880-х гг. В результате 99,9 % нашей инфраструктуры генерации и передачи приходится на переменный ток. Переход на DC — это не то, что можно сделать за выходные. А как же все народные бытовые приборы и фабрики с асинхронными двигателями? ДК там не работает. Им понадобится какая-то альтернатива, разработанная. Подстанции придется полностью переделывать. Силовая электроника HVDC для обработки всего этого должна быть протестирована и сертифицирована. И, пожалуй, самое главное, это все стоит денег. Много-много денег. Не ждите, что переключение с переменного тока на постоянный произойдет в ближайшее время или быстро, если вообще произойдет.

Это прямо на вашей диаграмме, пункт 6: «Несколько терминалов/нажатий: сложно».

HVDC уже иногда используется для двухточечных соединений, но чем больше похожа на сетку и многолучевая система распределения электроэнергии, тем она менее удобна. В компактных европейских странах средняя ненарушенная длина сегмента сети короткая, ниже точки экономической безубыточности ~ 100 км.

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

Вот что вам не хватает: вы думаете как инженер, а не как деловой человек. Следите за деньгами. Когда будет экономически целесообразно переходить на ЦОД, включая все затраты на замену существующей инфраструктуры и т. д., это произойдет. В тех случаях, когда DC действительно имеет смысл, это произошло и происходит.

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

• подверженные неисправностям и дорогие полупроводники и конденсаторы
• огромные проблемы с электромагнитной совместимостью во всех этих схемах прерывателя и PFC
• повышенная коррозия при возникновении утечки

Безопасность. Очень сложно построить автоматические выключатели для сети постоянного тока высокого напряжения / сильного тока. Предохранители должны быть в пять раз больше для надежного гашения дуги. Выключателям требуются гораздо большие и сложные камеры для взрыва 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 работу генераторов. Это недопустимо, и мощность должна увеличиваться. Если нагрузка слишком высока, ее приходится отключать, а это создает дополнительную нагрузку на другие генераторы. Теоретически HVDC более стабилен и более щадящий. Причина, по которой мы используем переменный ток, заключается в том, что до недавнего времени это был лучший метод. Как упоминалось другими, переход на HVDC обходится дорого.

Все предыдущие ответы охватывают вопросы ОП, но я подумал, что просто добавлю к тому, что было сказано ранее о локализованных краткосрочных сетях постоянного тока. Следующей «революцией» в распределении электроэнергии станут системы Demand Response ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ), которые обеспечивают локальную электроэнергию через общественные сети, работающие от батарей, солнечной энергии и других возобновляемых источников энергии.

Тесла (компания, а не человек) показывает нам, что происходит с их внутренним аккумуляторным блоком — представьте себе экономию на внутренних счетах, связанную с возможностью переключаться на аккумулятор в периоды пиковой стоимости энергии и заряжать аккумуляторы с помощью фотоэлектрических модулей и др. в непиковые периоды. .

Соберите несколько домов вместе, чтобы разделить эту мощность в сообществе, и тогда у вас также может быть достаточно ресурсов, чтобы продать излишки другим членам / сообществам (вы уже можете продать их обратно в сеть в Великобритании). Возможно, этот тип подсети мог бы быть HVDC, если бы все в сообществе были участниками.

Есть несколько причин, по которым высоковольтный постоянный ток пока нецелесообразен, однако он постепенно возвращается в некоторые нишевые приложения.

• Трансформаторы переменного тока - это очень надежная и проверенная технология с многолетними исследованиями, улучшениями и оптимизациями за их спиной, и они намного дешевле, чем DC / AC - высокочастотный трансформатор - аналог AC / DC, и, конечно, они намного надежнее.
• Автоматические выключатели, которые используются для отключения цепей под нагрузкой или при коротком замыкании, представляют собой серьезную проблему в системах постоянного тока, поскольку в системе переменного тока токи по своей природе должны проходить через нуль, намного легче отключать переменные токи, автоматические выключатели переменного тока намного опережают Аналоги постоянного тока по цене, разрывному току, сроку службы и...
• даже если мы дойдем до того, что обе технологии находятся на одном уровне друг с другом, а до этого момента еще много-много лет, вы должны понимать, что операторы распределения переменного тока очень неохотно и осторожно применяют новые технологии.

Автономное использование дома для освещения и вычислений, безусловно, более эффективно с постоянным током. Светодиодное освещение использует часть мощности ламп накаливания и люминесцентных ламп. Светодиод должен использовать постоянный ток, и по этой причине каждый светодиодный светильник должен иметь преобразователь переменного тока в постоянный, который неэффективен и подвержен сбоям. Действительно, большинство отказов светодиодных светильников происходит из-за схемы преобразования и очень редко из-за самого светодиодного источника света.

Все компьютеры и электроника используют постоянный ток. Они работают от батареи или, если они подключены к сети переменного тока, должны преобразовывать сетевой переменный ток в постоянный, требуемый электроникой, с помощью схемы, состоящей из выпрямительных мостов, понижающих трансформаторов, конденсаторов, тиристоров и т. д.

Нагревательные нити для электрических нагревателей не имеют значения, используете ли вы постоянный или переменный ток, поскольку это чисто резистивная нагрузка. Однако вентилятор для нагревателей должен быть вентилятором постоянного тока.

Переменный ток будет необходим для любых приборов или оборудования, в которых используются двигатели переменного тока и/или компрессоры, т. е. холодильники, системы отопления, вентиляции и кондиционирования, вентиляторы, насосы, подключаемые устройства и т. д. Хотя все больше и больше электроинструментов используют аккумуляторные блоки постоянного тока, а не подключаемые модули. , а зарядные устройства постоянного тока.

Поскольку выработка электроэнергии на месте представляет собой постоянный ток для солнечной энергии и может быть постоянным для механических генераторов переменного тока для энергии ветра и биомассы, неэффективно использовать инверторы для преобразования генерируемой энергии в переменный ток только для того, чтобы преобразовать ее обратно в постоянный ток для использования. процитировано выше.

Это система сейчас, но по мере того, как коммунальные предприятия продолжают повышать тарифы, а инфраструктура передачи становится все более ненадежной, все больше и больше домохозяйств будут стремиться использовать автономную электроэнергию постоянного тока, генерируемую на месте. Они по-прежнему будут использовать сеть переменного тока или инверторы от домашней аккумуляторной батареи для оборудования и приборов, которые должны использовать переменный ток.

Хотя переменный ток по-прежнему является более экономичным выбором для передачи электроэнергии по суше на расстояние менее 500 км, наблюдается тенденция к локальному производству и хранению электроэнергии на месте, независимо от сети. Коммунальные компании уже знают об этой тенденции и сотрудничают с муниципалитетами и поставщиками на местах для выкупа сети, интеграции и других целей.

AC выигрывает от критической массы многолетнего опыта, уверенности в отрасли, широкого ассортимента продукции по разумным ценам, а также легкодоступного обслуживания и поддержки.

Трансформаторы переменного тока пуленепробиваемы. Допустим, кому-то нужна розетка на 50 А/240 В на дальнем конце нашего участка в 2000 футах от нас. Я могу использовать обычные трансформаторы, чтобы поднять нашу сеть 240 В до 2400 В, запустить опорную линию и еще один трансформатор. Дешево, надежно и в наличии. Никогда не придется беспокоиться о выходе из строя трансформатора. И если он действительно нуждался в обслуживании, количество электриков в моем сельском округе, которые будут знать, на что они смотрят, и могут поддержать это, определенно не равно нулю.

HVDC не может претендовать ни на что из этого.

Есть старая пословица из мира мэйнфреймов 1960-х годов, когда такие компании, как Burroughs и Sperry, пытались разрушить почти монополию IBM: «Никого еще не уволили за покупку IBM».

Какой управляющий предприятием подставит свою шею перед HVDC? Не я сегодня, я думаю. Может быть завтра. Никакого бума завтра.