Nếu chúng ta có thể bắt đầu lưới điện từ đầu với công nghệ ngày nay, đâu sẽ là lựa chọn hiệu quả nhất? AC hay DC?

Gần đây, tôi đã đọc về nhiều lợi thế của hệ thống truyền dẫn HVDC để truyền đường dài, liên kết dưới biển và các hệ thống khác. Lý do lịch sử tại sao AC được chọn trên DC chủ yếu là do phát minh ra máy biến áp, cho phép dễ dàng thao tác điện áp AC cho phép truyền điện áp cao trên khoảng cách xa.

Tuy nhiên, sau khi phát minh ra van thủy ngân, thyristor, IGBT và tất cả các thành phần này đã khiến việc truyền DC trở nên khả thi, tôi đã nghĩ rằng nếu chúng ta có một mạng DC hoàn toàn, chúng ta có thể loại bỏ tất cả các bộ chỉnh lưu AC / DC mà chúng ta tìm thấy thiết bị điện tử của chúng tôi. Điều này có thể cải thiện hiệu quả năng lượng rất nhiều và tiết kiệm hàng tấn tiền trong tài nguyên.

Nếu chúng ta có cơ hội làm lại từ đầu, liệu hệ thống truyền tải dựa trên DC có thể là lựa chọn tốt hơn ¹ hay AC vẫn sẽ đứng đầu?

^{1: với tốt hơn , tôi có nghĩa là hiệu quả năng lượng hơn .}

Một chút về lịch sử

Các đề xuất đằng sau chủ đề này đi ngược lại với những gì nhiều kỹ sư điện đã được dạy kể từ khóa học mạch đầu tiên của họ - rằng AC tốt hơn cho việc truyền tải điện. Rốt cuộc, trong "cuộc chiến của các dòng chảy" vào cuối những năm 1800, chính Tesla đã giúp Westinghouse chiến đấu cho AC, cuối cùng đánh bại giấc mơ của Edison về một đế chế DC.

Ưu điểm chính của việc sử dụng AC so với DC tại thời điểm này là hiệu quả. Việc chuyển đổi một điện áp xoay chiều này sang điện áp khác trở nên ngày càng dễ dàng, đặc biệt khi so sánh với chi phí, khó khăn và không hiệu quả của việc chuyển đổi một điện áp DC sang điện áp khác tại thời điểm đó. Theo Luật đầu tiên của Joule , lượng điện năng bị lãng phí khi nhiệt trong các đường truyền tỷ lệ thuận với bình phương hiện tại. Xem xét các đường truyền có điện trở cố định (về cơ bản) đã biết, sau đó đối với việc truyền cùng một công suất, sẽ lãng phí nhiều hơn trong truyền tải điện áp thấp, cao áp so với truyền tải điện áp cao, thấp. Như đã nêu, việc chuyển đổi điện áp DC thành mức đủ cao để vượt qua sự mất dòng là rất không thực tế khi so sánh với việc dễ dàng chuyển đổi điện áp xoay chiều.

Một lưu ý phụ, nhiều nơi không bao giờ chuyển đổi hoàn toàn từ hệ thống truyền tải DC ban đầu sang AC cho đến giữa thế kỷ 20.

Bạn có thể đọc tất cả về lịch sử ở đây .

Thiết kế điện hiện đại

Điều này không có nghĩa là AC không có vấn đề riêng. Các hiệu ứng bề mặt là một ví dụ của AC là kém hiệu quả hơn so với DC, nhưng nó vẫn không bù đắp cho những tổn thất dòng nêu trên. Một vấn đề khác là sự phóng điện corona xảy ra ở mức điện áp cao. Trong khoảng cách xa, nguồn điện xoay chiều cũng có vấn đề ổn định. Đây IEEE bài viết trang web một vài khoảng cách khác nhau, lưu ý rằng các điện kháng dòng có thể được bồi thường ở khoảng cách lên đến 600 - 700 dặm.

Với việc triển khai hiện đại các van hồ quang thủy ngân, thyristor và IGBT và phương tiện chuyển đổi điện áp DC hiệu quả, việc truyền tải HVDC không chỉ khả thi mà còn khắc phục được nhiều vấn đề gặp phải khi truyền HVAC. Khoảng cách truyền tổng thể lớn hơn nhiều và các hiệu ứng AC được đề cập được khắc phục. Ngoài ra, chi phí liên quan đến HVDC thấp hơn HVAC, một khi ngưỡng khoảng cách đã được vượt qua. Sự khác biệt về chi phí này sẽ được thảo luận chi tiết trong bài báo này bao gồm cả việc chia nhỏ chi phí trạm biến áp. Chi phí cũng được thảo luận trong liên kết được cung cấp bởi Jake trong câu trả lời của mình .

Thực tế là cơ sở hạ tầng điện hiện tại dựa trên truyền tải điện xoay chiều. Phần lớn công nghệ hiện đại đòi hỏi loại năng lượng này để vận hành đúng cách và chưa bao giờ sử dụng AC, tôi nghi ngờ chúng ta sẽ có nhiều "tiến bộ" về công nghệ mà chúng ta biết và yêu thích. Về mặt lý thuyết, chỉ sử dụng HVDC có thể tỏ ra hiệu quả hơn, nhưng để bù đắp cho sự khác biệt về chi phí, một hệ thống HVAC / HVDC lai là giải pháp tốt nhất, ít nhất là trong thời điểm này trong sự phát triển của con người.

Với chi phí của đồng và các kim loại hữu ích khác tăng lên, và các vấn đề môi trường với dầu cách điện được sử dụng trong chúng, máy biến áp AC công suất cao đang trở nên rất đắt, so với tương đương trạng thái rắn của chúng. Đó không chỉ là chi phí của cuộn dây, mà là vỏ kim loại lớn, chi phí vận chuyển và lắp đặt liên quan đến máy biến áp lớn như vậy.

Việc chuyển đổi sang truyền tải điện áp cao có lẽ sẽ là một sự thay đổi về hiệu quả, tuy nhiên nó có thể có chi phí thấp hơn nếu chúng ta chưa có cơ sở hạ tầng hiện tại. Máy biến áp vẫn sẽ cần thiết, nhưng thay vì máy biến áp điện tần số thấp, chúng tôi sẽ kết hợp các bộ biến đổi DC-DC bán dẫn với máy biến áp công suất tần số cao có thể nhỏ hơn nhiều (do đó rẻ hơn) cho cùng một công suất chuyển đổi năng lượng.