Tại sao các hệ thống truyền tải / phân phối điện AC mà không phải DC?

Có một lý do chính đáng tại sao chúng ta không trong quá trình chuyển đổi hoàn toàn hệ thống truyền tải điện của mình sang DC? Lý do chính cho việc sử dụng AC trên lưới điện (không vi phạm Tesla, tôi yêu bạn) là để cho phép biến đổi thành điện áp cao hơn để giảm tổn thất đường dây ( ) và nếu kích thước dây dẫn vẫn giữ nguyên , khi E tăng theo phương trình E = I R thì tôi nhất thiết phải giảm, lần lượt giảm tổn thất theo bình phương của $P=IE=I^2R$$E$$E=IR$$I$$I$). Nhưng bây giờ chúng ta có khả năng biến đổi AC (ở tất cả các máy phát nhiệt, thủy điện và gió) và DC (tại máy phát điện mặt trời) thành bất kỳ mức DC nào chúng ta mong muốn và truyền tải, thường là tải dân dụng hoặc thương mại có xu hướng sử dụng DC. Nếu cần, nó có thể được chuyển đổi trở lại AC ở tải công nghiệp (động cơ thường).

Bằng cách này, nhiều máy biến áp, tụ điện, các vấn đề về khoảng cách, vv có thể được loại bỏ khỏi lưới điện, tăng hiệu quả đáng kể, và lần lượt giảm phát thải và chi phí.

Am i thiếu cái gì ở đây?

Có một số lý do. Một: tổn thất điện năng trong dây là I ^ 2 * R. Do đó, tốt hơn là truyền tải điện ở điện áp rất cao và dòng điện thấp. AC dễ dàng hơn nhiều để tăng điện áp cao (không cần thiết bị điện tử). Để tăng tải công nghiệp sử dụng thiết bị điện tử silicon là không thực tế.

Một cách khác là dễ dàng chuyển đổi dưới tải. Nếu bạn tắt một tải kết nối với DC, thì việc kích hoạt tại công tắc do độ tự cảm của dây và độ tự cảm của tải sẽ trở thành vấn đề. Điều này buộc DC chuyển sang mạnh mẽ hơn.

Tiếng ồn 60 Hz do máy biến áp tạo ra ít hơn nhiều so với tiếng ồn chuyển đổi sẽ được tạo ra bởi tất cả các thiết bị điện tử cần thiết để tăng cường và tăng cường DC và sau đó chuyển đổi nó thành AC tại điểm tải như bạn đề xuất.

HVDC được sử dụng: Danh sách dự án HVDC . Hai công nghệ vượt trội được sử dụng cho HVDC (thyristors và IGBT) không được phát minh cho đến năm 1950 và 1968. Trong thời gian đó, các quốc gia đang chế tạo thiết bị truyền tải điện xoay chiều. Tại sao phải thay thế một cái gì đó hoạt động khi bạn đã dành rất nhiều tiền để xây dựng một lưới? Chỉ cần đợi cho đến khi hệ thống hiện tại không còn hoạt động được nữa, và sau đó nâng cấp.

Dữ liệu dường như chứng minh điều này: Trung Quốc đang xây dựng một số lượng lớn đường truyền HVDC vì họ có tiền và thực sự không có mạng nào hiện có để tương tác / cạnh tranh. Tương tự, có các dự án ở châu Âu và châu Mỹ, nhưng các dự án này dường như bị giới hạn hơn ở các khu vực nơi HVDC thực sự tỏa sáng (hệ thống dưới nước) vì có các mạng hiện có nên chi phí nâng cấp chưa được chứng minh.

Ngoài ra, HVDC không phải lúc nào cũng có ý nghĩa, đáng chú ý là khi bạn cần / muốn truyền đa điểm. Điều này làm cho việc định tuyến hệ thống HVDC khó khăn hơn hệ thống AC.

Mkeith đã trả lời câu hỏi khi được hỏi, tức là những nhược điểm chính của phân phối HVDC là gì . Một "câu trả lời ngược" cho điều đó bởi helloworld922 (câu trả lời được bình chọn nhiều nhất tiếp theo ở đây hiện tại) chỉ ra một loạt các trường hợp sử dụng HVDC. Tất cả những kỹ sư này không thể bị điên, vì vậy tôi nghĩ điều quan trọng là phải giải thích ở đây khi HVDC có ý nghĩa. (Nhân tiện, đó sẽ là một câu hỏi hay hơn những gì OP đã hỏi.)

Để bắt đầu, có một số trường hợp AC sẽ gần như không khả thi. Điều này bao gồm các lưới điện AC kết nối hoạt động không đồng bộ với nhau, chẳng hạn như kết nối các hệ thống 50 và 60 Hz; nó xảy ra ở Nhật Bản chẳng hạn: Đông Nhật Bản sử dụng 50Hz và Tây Nhật Bản sử dụng 60Hz. Thực tế, có một vài ứng dụng thích hợp hơn trong đó HVDC là lựa chọn hợp lý duy nhất, nhưng chúng không dễ để giải thích cho người mới trong một vài từ. Nếu bạn muốn có một danh sách chi tiết hơn (với các ví dụ thực tế), Hệ thống năng lượng điện của Delea và Casazza có một danh sách dài hơn.

Bỏ qua những trường hợp thích hợp như vậy, tôi nghĩ điều quan trọng là phải nhấn mạnh rằng có một tổng tối ưu hóa chi phíđiều đó có thể (và trên thực tế nên) được thực hiện khi quyết định liệu AC hay DC nên là phương thức truyền cho đường dây điện. Hai yếu tố chính là chi phí của chính đường dây (cáp, tháp nếu có, ví dụ như không dưới đáy biển) và chi phí của các thiết bị đầu cuối. Nói chung, cáp truyền tải DC có giá thấp hơn so với cáp có công suất tương đương cho AC ba pha. Điều này xảy ra vì một lý do dễ giải thích: bạn cần ít dây hơn cho DC so với AC ba pha, nhưng cách điện cho dây AC (và đây có thể chỉ là khe hở không khí, nhưng điều đó chuyển thành chi phí tháp) cần phải chịu được giá trị AC cao nhất, trong khi bạn chỉ được hưởng lợi từ việc truyền "công suất RMS" (chính xác hơn là công suất trung bình tương ứng với điện áp RMS) tại AC. Mặt khác, các thiết bị điện tử công suất kết thúc có giá cao hơn cho HVDC so với các máy biến áp AC,

Tối ưu hóa tổng chi phí này thực sự mang đến cho bạn ứng dụng chính của HVDC hiện nay: truyền một lượng lớn năng lượng qua khoảng cách xa (và theo nghĩa đó không có tiếng gõ / gián đoạn). Các giá trị tiêu biểu trong đó HVDC tiết kiệm hơn AC đang truyền hơn 500MW trên hơn 500km (theo Delea và Casazza). Nhiều (nếu không phải hầu hết) các ví dụ từ danh sách Wikipedia (được liên kết trong câu trả lời của helloworld922) thuộc loại này. Nó không phải là một bất ngờ hơn so với các ví dụ như vậy là từ Trung Quốc, Canada hoặc Úc. Ở châu Âu, hầu hết các đường truyền HVDC trung bình / lớn là cáp dưới biển.

Dưới đây là những gì một ví dụ tối ưu hóa tổng hợp (có nghĩa là ở cấp độ sách giáo khoa chứ không phải trong thế giới thực) trông giống như một mức năng lượng được xác định trước, do đó chỉ có chi phí so với khoảng cách truyền; nó được trích từ Kim et al. HVDC Transmission , chương đầu tiên được cung cấp miễn phí .

Đối với viễn cảnh chi phí cụ thể, đây là một số giá trị (theo Larruskain và cộng sự ) cho những gì gần với công suất thấp nhất mà các thành phần đầu cuối HVDC được tạo ra:

• Bộ chuyển đổi thyristor, 50 MW, 100kV. Xấp xỉ trên mỗi đơn vị giá trị là: 500 EUR / kW
• Cặp chuyển đổi IGBT, 50 MW, +/- 84kV. Xấp xỉ trên mỗi đơn vị giá trị là: 150 EUR / kW
• Máy biến áp, 50 MVA, 69kV / 138kV. Xấp xỉ trên mỗi đơn vị giá trị là: 7,5 EUR / kVA

Với tỷ lệ giá 20x-60x giữa bộ chỉnh lưu và máy biến áp ở mức 50 MW, rõ ràng lý do tại sao HVDC không giảm quy mô xuống các công suất thấp hơn.

Bằng cách sử dụng máy biến áp xoay chiều (theo cách này), bộ biến tần, bộ chỉnh lưu, máy biến áp v.v ... có thể được loại bỏ khỏi lưới điện, tăng hiệu quả đáng kể, và lần lượt giảm phát thải và chi phí.

Ở Chicago và New York, lưới điện DC đã bị tắt vào những năm 1990. Ở Melbourne, Úc, lưới điện DC đã bị tắt vào khoảng năm 2005. Cuối cùng, thứ chính hoặc duy nhất vẫn được kết nối với lưới DC là Thang máy rất cũ trong các tòa nhà cũ. Ở Melbourne, sau sự cố đường truyền, việc cung cấp cho mỗi khách hàng DC còn lại một bộ chỉnh lưu và kết nối thiết bị cũ với lưới AC rẻ hơn, thay vì sửa chữa và thay thế lưới truyền tải DC.

Mặc dù truyền tải điện xoay chiều có nhiều ưu điểm, truyền tải điện DC vẫn tiếp tục được sử dụng cho các lưới HV liên kết nối: để duy trì sự ổn định của lưới điện trên các kết nối dài, và đặc biệt là trong cáp ngầm / dưới biển, để giảm mất điện môi và hiệu ứng da.

Vâng, bạn đang thiếu một cái gì đó. Với các bóng bán dẫn hiện đại và các linh kiện điện tử khác, chúng ta có thể tăng DC lên một điểm, nhưng không dễ dàng, về mặt kinh tế hoặc hiệu quả có thể đạt được ở các mức công suất MW đến điện áp cần thiết trên các đường truyền chính.

Máy biến áp là cách thực tế duy nhất để có được 100 kV ở mức năng lượng MW và máy biến áp cần có AC.

Đơn giản vì Tesla so với Edison 1880s. Kết quả là, 99,9% cơ sở hạ tầng thế hệ và truyền dẫn của chúng tôi là AC. Thay đổi thành DC không phải là điều có thể được thực hiện vào cuối tuần. Tất cả các thiết bị và nhà máy của mọi người với động cơ cảm ứng thì sao? DC sẽ không làm việc ở đó. Họ sẽ cần một số loại thay thế được phát triển. Các trạm con sẽ phải được làm lại hoàn toàn. Điện tử công suất HVDC để xử lý tất cả những điều này sẽ cần phải được kiểm tra và chứng nhận. Và có lẽ quan trọng nhất, tất cả điều này đều tốn tiền. Rất rất nhiều tiền. Đừng tìm kiếm việc chuyển đổi từ AC sang DC sẽ xảy ra sớm hay nhanh, nếu có.

Nó ở ngay trong biểu đồ của bạn, mục 6: "Nhiều thiết bị đầu cuối / khai thác: Khó khăn".

HVDC đôi khi đã được sử dụng cho các liên kết điểm-điểm, nhưng hệ thống phân phối điện càng giống lưới và càng đa dạng thì càng không thuận tiện. Ở các nước châu Âu nhỏ gọn, chiều dài trung bình không bị xáo trộn của một đoạn lưới là ngắn, dưới điểm hòa vốn kinh tế ~ 100km.

Cá nhân tôi nghĩ rằng nhiều khả năng chúng ta sẽ thấy việc triển khai các microgrids DC điện áp thấp được cung cấp bởi các ngân hàng tái tạo và pin trước khi chúng ta thấy một sự chuyển đổi bán buôn của lưới điện AC thành DC.

Đây là những gì bạn đang thiếu: Bạn đang suy nghĩ như một kỹ sư, không phải là một doanh nhân. Theo tiền. Khi nó có ý nghĩa kinh tế để chuyển đổi sang DC, bao gồm tất cả các chi phí thay thế cơ sở hạ tầng hiện có, vv, nó sẽ xảy ra. Trong trường hợp DC không có ý nghĩa thì nó đã xảy ra và đang xảy ra.

Tôi cung cấp cho bạn một lý do tốt khác chống lại các mạng DC bên cạnh:

• dễ bị lỗi và các chất bán dẫn và tụ điện đắt tiền
• rắc rối EMC áp đảo ở tất cả các mạch chopper và PFC
• tăng ăn mòn khi rò rỉ xảy ra

Sự an toàn. Rất khó để xây dựng các bộ ngắt mạch cho mạng DC điện áp cao / dòng cao. Cầu chì phải lớn gấp năm lần để dập tắt vòng cung an toàn. Công tắc cần các buồng nổ lớn hơn và công phu hơn do điện dung của lưới điện và hành vi vũ trang hoàn toàn khác nhau.

Trong hệ thống phân phối ac, tất cả các máy phát điện phải được đồng bộ hóa không chỉ theo tần số, mà còn theo góc. Bất cứ khi nào tải tăng lên, nó sẽ cố gắng làm chậm máy phát điện. Điều đó là không được phép, và sức mạnh phải tăng lên. Nếu tải quá cao, nó phải bị ngắt kết nối và điều này gây thêm căng thẳng cho các máy phát điện khác. Về lý thuyết, HVDC ổn định hơn và dễ tha thứ hơn. Lý do chúng tôi sử dụng ac là vì đó là phương pháp tốt hơn cho đến gần đây. Như đã đề cập bởi những người khác, thay đổi thành HVDC là tốn kém.

Tất cả các câu trả lời trước bao gồm các câu hỏi của OP nhưng tôi nghĩ rằng tôi sẽ chỉ thêm vào những điều đã nói trước đó liên quan đến các mạng DC ngắn hạn được bản địa hóa. "Cuộc cách mạng" tiếp theo trong phân phối điện sẽ là các hệ thống Đáp ứng nhu cầu ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ) cung cấp năng lượng cục bộ thông qua lưới điện cộng đồng được cung cấp năng lượng bởi pin, năng lượng mặt trời và các năng lượng tái tạo khác.

Tesla (công ty không phải là người đàn ông) đang chỉ cho chúng tôi biết điều này sẽ xảy ra với gói pin nội địa của họ - hãy tưởng tượng tiết kiệm hóa đơn nội địa vốn có để có thể chuyển sang pin trong thời gian chi phí năng lượng cao nhất và sạc pin qua PV et al trong thời gian thấp điểm .

Kết hợp một vài ngôi nhà để chia sẻ khả năng đó trong một cộng đồng và sau đó bạn cũng có thể có đủ nguồn lực để bán phần dư thừa của mình cho các thành viên / cộng đồng khác (bạn đã có thể bán lại cho lưới điện ở Anh). Có lẽ loại lưới phụ này có thể là HVDC nếu mọi người trong cộng đồng là người tham gia.

Có một số lý do tại sao DC điện áp cao vẫn chưa thực tế, tuy nhiên nó đang dần bò trở lại trong một số ứng dụng thích hợp.

• Máy biến áp xoay chiều là công nghệ rất mạnh mẽ và đã được chứng minh với nhiều năm nghiên cứu, cải tiến và tối ưu hóa sau lưng và rất rẻ hơn so với DC / AC - Tranformer tần số cao - đối tác AC / DC, và tất nhiên chúng đáng tin cậy hơn nhiều
• Bộ ngắt mạch được sử dụng để ngắt mạch khi tải hoặc ngắn mạch là một vấn đề nghiêm trọng trong các hệ thống DC, vì trong dòng điện hệ thống ac vốn phải vượt qua 0, việc ngắt dòng điện AC dễ dàng hơn nhiều, bộ ngắt mạch AC đi trước DC đối tác về giá cả, phá vỡ khả năng hiện tại, cuộc sống và ...
• ngay cả khi chúng ta đạt đến mức cả hai công nghệ ngang bằng nhau, vẫn còn nhiều năm nữa, bạn phải hiểu rằng các nhà khai thác phân phối AC rất miễn cưỡng và thận trọng khi áp dụng các công nghệ mới

Sử dụng điện lưới trong nhà để chiếu sáng và điện toán chắc chắn hiệu quả hơn với dc. Ánh sáng LED sử dụng một phần sức mạnh của ánh sáng sợi đốt và huỳnh quang. LED phải sử dụng DC và vì lý do này, mỗi đèn LED phải có bộ chuyển đổi AC sang DC không hiệu quả và dễ bị hỏng. Thật vậy, hầu hết các lỗi của đèn LED là do mạch chuyển đổi và rất hiếm khi xảy ra với nguồn sáng LED.

Tất cả máy tính và thiết bị điện tử đều sử dụng DC. Chúng hoạt động hết pin, hoặc nếu được kết nối với nguồn điện xoay chiều phải chuyển đổi nguồn điện AC thành DC theo yêu cầu của thiết bị điện tử thông qua mạch điện bao gồm cầu chỉnh lưu, máy biến áp bước xuống, tụ điện, thyristor, v.v.

Các sợi đốt nóng cho lò sưởi điện không quan tâm nếu bạn sử dụng DC hoặc AC vì đây là tải hoàn toàn có điện trở. Quạt cho máy sưởi sẽ phải là quạt dc.

AC sẽ cần thiết cho mọi thiết bị hoặc thiết bị sử dụng động cơ và / hoặc máy nén AC, ví dụ như tủ lạnh, HVAC, quạt, máy bơm, thiết bị cắm, v.v. Mặc dù ngày càng nhiều công cụ điện đang sử dụng bộ pin DC có thể sạc lại thay vì cắm và các bộ sạc là DC.

Vì nguồn phát điện tại chỗ là DC cho năng lượng mặt trời và có thể là DC cho máy phát điện cơ học cho năng lượng gió và sinh khối, nên không hiệu quả khi phải sử dụng bộ biến tần để chuyển đổi năng lượng được tạo thành AC chỉ để chuyển đổi trở lại thành DC để sử dụng Trích dẫn ở trên.

Đây là hệ thống bây giờ, nhưng khi các công ty tiện ích tiếp tục tăng giá và cơ sở hạ tầng truyền tải trở nên không đáng tin cậy, ngày càng nhiều hộ gia đình sẽ tìm cách sử dụng nguồn điện dc tạo ra ngoài mạng lưới. Họ vẫn sẽ sử dụng nguồn điện xoay chiều hoặc bộ biến tần từ ngăn xếp pin gia đình cho các thiết bị và thiết bị phải sử dụng AC.

Mặc dù AC vẫn là lựa chọn kinh tế hơn cho truyền tải điện cho truyền tải trên đất liền dưới 500 km, nhưng xu hướng này là hướng tới việc sản xuất và lưu trữ điện tại chỗ, không phụ thuộc vào lưới điện. Các công ty tiện ích đã nhận thức được xu hướng này và hợp tác với các thành phố và các nhà cung cấp trang web để mua lại, tích hợp và khác.

AC được hưởng lợi từ một khối lượng lớn kinh nghiệm lâu năm, niềm tin trong ngành, nhiều loại sản phẩm với giá cả lành mạnh, và dịch vụ và hỗ trợ có sẵn.

Máy biến áp xoay chiều có khả năng chống đạn. Giả sử ai đó muốn một ổ cắm RV 50A / 240V ở phía xa tài sản của chúng tôi cách đó 2000 feet. Tôi có thể sử dụng các máy biến áp thông thường để khởi động dịch vụ 240V của chúng tôi lên đến 2400V, chạy một đường cực và một máy biến áp khác. Giá rẻ, đáng tin cậy và ra khỏi kệ. Sẽ không phải lo lắng về việc máy biến áp bị hỏng. Và nếu nó cần dịch vụ, số thợ điện ở quận nông thôn của tôi, những người sẽ biết họ đang nhìn gì và có thể hỗ trợ thì chắc chắn là con số không.

HVDC không thể yêu cầu bất kỳ điều đó.

Có một câu ngạn ngữ cũ từ thế giới máy tính lớn của thập niên 1960 khi các trang phục như Burroughs và Sperry đang cố gắng phá vỡ sự độc quyền gần của IBM: "Không ai từng bị sa thải vì mua IBM."

Người quản lý cơ sở nào sẽ bám cổ họ trên HVDC? Không phải tôi hôm nay, tôi nghĩ. Có lẽ ngày mai. Không bùng nổ vào ngày mai.