Güç iletim / dağıtım sistemleri neden DC değil AC?

Elektrik iletim sistemimizi tamamen DC'ye dönüştürme sürecinde olmamamız için iyi bir neden var mı? Şebeke üzerinde AC kullanmanın ana nedeni (suç yok Tesla, seni seviyorum adam) hat kayıplarını düşürmek için daha yüksek voltajlara dönüşüm sağlamak ( ) ve iletken boyutu aynı kalırsa, zaman denklemi artar sonra zorunlu karesi kayıpların azaltılması da azaltmak gerekirE E = I R I $P=IE=I^2R$$E$$E=IR$$I$$I$). Ancak şimdi AC'yi (tüm termal, hidro ve rüzgar jeneratörlerinde) ve DC'yi (güneş jeneratörlerinde) arzu ettiğimiz ve ilettiğimiz herhangi bir DC seviyesine, genellikle DC'yi zaten kullanma eğiliminde olan konut veya ticari yüklere dönüştürme yeteneğine sahibiz. Gerekirse endüstriyel yüklerde (genellikle motorlar) AC'ye geri dönüştürülebilir.

Bu şekilde, birçok transformatör, kapasitör, aralık sorunu, vb. Elektrik şebekesinden elimine edilebilir, bu da verimliliği önemli ölçüde arttırır ve dolayısıyla emisyonları ve maliyetleri azaltır.

Burada bir şey mi eksik?

Birkaç sebep var. Bir: bir kablodaki güç kaybı I ^ 2 * R'dir. Bu nedenle gücü çok yüksek voltaj ve düşük akımda iletmek daha iyidir. AC çok daha kolay yüksek gerilime yükseltilir (elektronik cihaz gerekmez). Silikon elektronik kullanarak endüstriyel yükleri artırmak pratik değildir.

Bir diğeri yük altında geçiş kolaylığıdır. DC'ye bağlı bir yükü kapatırsanız, tel endüktansı ve yük endüktansı nedeniyle anahtardaki ark sorunu sorunlu hale gelir. Bu, DC anahtarlarının daha sağlam olmasını sağlar.

Transformatörler tarafından oluşturulan 60 Hz gürültü, DC'yi kovalamak ve artırmak ve daha sonra önerdiğiniz gibi yük noktasında AC'ye dönüştürmek için gereken tüm elektronik cihazlar tarafından yaratılacak anahtarlama gürültüsünden çok daha azdır.

HVDC kullanılır: HVDC projesinin listesi . HVDC için kullanılan iki baskın teknoloji (tristörler ve IGBT'ler) sırasıyla 1950 ve 1968'e kadar icat edilmemiştir. Bu arada ülkeler AC iletim ekipmanı inşa ediyorlardı. Bir ızgara oluşturmak için zaten çok para harcadığınızda işe yarayan bir şeyi neden değiştiresiniz? Mevcut sistem artık çalışamayana kadar bekleyin ve ardından yükseltin.

Veriler bunu haklı çıkarıyor gibi görünüyor: Çin, paraları olduğu ve etkileşime girecek / rekabet edecek gerçek bir ağa sahip olmadığı için çok sayıda HVDC iletim hattı inşa ediyor. Benzer şekilde, Avrupa ve Amerika'da projeler var, ancak bunlar HVDC'nin gerçekten parladığı alanlarla (su altı sistemleri) daha sınırlı görünüyor, çünkü mevcut ağlar var, bu nedenle yükseltme maliyeti henüz haklı değil.

Ayrıca, HVDC, özellikle çok noktalı iletime ihtiyacınız olduğunda / istediğinizde her zaman anlamlı değildir. Bu, HVDC sisteminin yönlendirilmesini AC sisteminden daha zor hale getirir.

Mkeith soruyu sorulduğu gibi yanıtladı, yani HVDC dağılımının ana dezavantajları nelerdir . Helloworld922 (şu anda burada en çok oylanan cevap) tarafından verilen bir "karşı cevap", HVDC'nin kullanıldığı / kullanıldığı bir grup davaya işaret ediyor. Tüm bu mühendisler deli olamazdı, bu yüzden HVDC mantıklı olduğunda burada açıklamak önemlidir. (Bu arada OP'nin sorduğundan daha iyi bir soru olurdu.)

Başlamak için, AC'nin neredeyse mümkün olmadığı bazı durumlar vardır. Bu, 50 ve 60 Hz sistemlerini bağlamak gibi birbirine göre asenkron olarak çalışan güç AC şebekelerini bağlamak; örneğin Japonya'da olur: Doğu Japonya 50Hz kullanır ve Batı Japonya 60Hz kullanır. Aslında HVDC'nin tek makul seçenek olduğu birkaç niş uygulama var, ancak neofitlere birkaç kelimeyle açıklanması kolay değil. Daha ayrıntılı bir liste istiyorsanız (gerçek dünya örnekleriyle), Delea ve Casazza'nın Elektrik Güç Sistemini Anlamak daha uzun bir listeye sahiptir.

Bu tür niş vakaları bir kenara bırakırsak, toplam maliyet optimizasyonu olduğunu vurgulamanın önemli olduğunu düşünüyorum.AC veya DC'nin bir güç hattı için iletim yöntemi olup olmadığına karar verirken gerçekleştirilebilecek (ve aslında yapılması gereken). İki ana faktör, hattın kendisinin maliyeti (varsa kablolar, kuleler, örneğin denizaltı değil) ve terminallerin maliyeti. Genel olarak, DC iletim kabloları üç fazlı AC için eşdeğer güçten daha düşük maliyetlidir. Bu, açıklanması kolay bir nedenden kaynaklanır: DC için üç fazlı AC'den daha az kabloya ihtiyacınız vardır, ancak AC kablolarının yalıtımı (ve bu sadece hava boşluğu olabilir, ancak kule maliyetlerine dönüşür) dayanmalıdır. AC'de en yüksek AC değerini verirken, yalnızca AC'de "RMS gücü" (daha doğru, RMS voltajına karşılık gelen ortalama güç) iletmekten yararlanırsınız. Öte yandan, sonlandırma gücü elektroniği HVDC için AC transformatörlerden daha pahalı,

Bu toplam maliyet optimizasyonu aslında bugün size HVDC'nin ana uygulamasını vermektedir: uzun mesafelerde büyük miktarlarda güç iletme (ve bu anlamda dokunma / kesinti olmadan). HVDC'nin AC'den daha ekonomik olduğu tipik değerler 500 km'den fazla 500MW'den fazla iletim yapmaktadır (Delea ve Casazza'ya göre). Wikipedia listesindeki örneklerin çoğu (çoğu değilse) (helloworld922'nin cevabına bağlı) bu türdendir. Bu tür örneklerin Çin, Kanada veya Avustralya'dan daha şaşırtıcı olmaması gerekir. Avrupa'da, orta / büyük HVDC iletim hatlarının çoğu denizaltı kablolarıdır.

Aşağıda, sentetik (gerçek dünyadan ziyade ders kitabı düzeyi) bir optimizasyon örneğinin önceden belirlenmiş bir güç seviyesi için nasıl göründüğü, böylece yalnızca maliyet ve iletim mesafesinin çizildiği; Kim ve ark. HVDC İletim , ilk bölümde serbestçe kullanılabilir .

Somut bir maliyet perspektifi için, HVDC terminal bileşenlerinin yapıldığı en düşük güce yakın olan şey için bazı değerler ( Larruskain ve arkadaşlarına göre ) :

• Tristör dönüştürücü, 50 MW, 100kV. Birim değer başına yaklaşık değer: 500 EUR / kW
• IGBT dönüştürücü çifti, 50 MW, +/- 84kV. Birim değer başına yaklaşık: 150 EUR / kW
• Transformatör, 50 MVA, 69kV / 138kV. Birim değer başına yaklaşık değer: 7,5 EUR / kVA

Doğrultucu ile transformatör arasındaki 50 MW'taki 20x-60x fiyat oranı göz önüne alındığında, HVDC'nin neden daha düşük güçlere ölçeklenmediği açıktır.

AC transformatörleri (bu şekilde) kullanarak, invertörler, redresörler, döner transformatörler vb. Elektrik şebekesinden elimine edilebilir, verimlilikleri dramatik bir şekilde arttırır ve dolayısıyla emisyonları ve maliyetleri azaltır.

Chicago ve New York'ta DC güç şebekesi 1990'larda kapatıldı. Avustralya, Melbourne'de DC güç şebekesi 2005 civarında kapatıldı. Sonunda, DC şebekesine hala bağlı olan ana ya da tek şey eski binalarda çok eski Asansörlerdi. Melbourne'de, bir iletim hattı arızasından sonra, kalan her DC müşterisine bir redresör vermek ve DC iletim şebekesini onarmak ve değiştirmek yerine eski ekipmanı AC şebekesine bağlamak daha ucuzdu.

AC güç iletiminin birçok avantajı olmasına rağmen, DC güç iletimi HV şebekelerini birbirine bağlamak için kullanılmaya devam eder: uzun bağlantılar üzerinde ve özellikle yeraltı / deniz altı kablolarında şebeke stabilitesini korumak için dielektrik kaybını ve cilt etkisini azaltmak için.

Evet, bir şey eksik. Modern transistörler ve diğer elektronik bileşenlerle, DC'yi bir noktaya yükseltebiliriz, ancak MW güç seviyelerinde önemli iletim hatlarında gerekli voltajlara kadar kolay, ekonomik veya makul verim ile değil.

Transformatörler, MW güç seviyelerinde 100 kV elde etmenin tek pratik yoludur ve transformatörler AC gerektirir.

Tesla'ya karşı Edison 1880'ler. Sonuç olarak, üretim ve iletim altyapımızın% 99,9'u AC'dir. DC'ye geçmek hafta sonu yapılabilecek bir şey değildir. Tüm insanların asenkron motorlu cihazları ve fabrikaları ne olacak? DC orada çalışmaz. Geliştirilecek bir çeşit alternatife ihtiyaçları olacak. Trafo merkezleri tamamen yeniden yapılmalıdır. Tüm bunların üstesinden gelmek için HVDC güç elektroniği test edilmeli ve onaylanmalıdır. Ve belki de en önemlisi, bunların hepsi maliyetlidir. Çok ve çok para. AC'den DC'ye geçişin yakında veya hızlı bir şekilde gerçekleşmesini beklemeyin.

Burada çizelgenizde, madde 6: "Çoklu terminal / kılavuz çekme: Zor".

HVDC zaman zaman noktadan noktaya bağlantılar için zaten kullanılmaktadır, ancak elektrik dağıtım sistemi ne kadar çok ızgara benzeri ve çok yollu ise, o kadar uygun değildir. Kompakt Avrupa ülkelerinde, bir şebeke segmentinin ortalama bozulmamış uzunluğu kısa, ~ 100km'lik ekonomik başabaş noktasının altında.

Kişisel olarak, AC şebekesinin DC'ye toptan dönüşümünü görmeden önce yenilenebilir enerji kaynakları ve akü bankaları tarafından beslenen düşük voltajlı DC mikro şebekelerin dağıtımını görme ihtimalimizin daha yüksek olduğunu düşünüyorum.

Eksik olan şey: İş adamı değil, mühendis gibi düşünüyorsun. Parayı takip et. Mevcut altyapıyı değiştirmenin tüm maliyetleri dahil olmak üzere DC'ye dönüştürmenin ekonomik anlamı olduğunda, bu gerçekleşir. DC'nin mantıklı olduğu durumlarda, gerçekleşti ve gerçekleşiyor.

DC ağlarına karşı size iyi bir neden daha veriyorum:

• hataya yatkın ve pahalı yarı iletkenler ve kapasitörler
• tüm bu kıyıcı ve PFC devrelerinde ezici EMC güçlüğü
• sızıntı olduğunda artan korozyon

Emniyet. Yüksek gerilim / yüksek akım DC şebekesi için devre kesiciler inşa etmek çok zordur. Arkın güvenli bir şekilde söndürülmesi için sigortaların beş kat daha büyük olması gerekir. Şalterler, ızgaranın kapasitansı ve tamamen farklı ark davranışı nedeniyle çok daha büyük ve ayrıntılı patlama odalarına ihtiyaç duyar.

AC dağıtım sisteminde, tüm alternatörler sadece frekansla değil, aynı zamanda açı ile de senkronize edilmelidir. Bir yük arttığında, alternatörleri yavaşlatmaya çalışır. Buna izin verilmiyor ve gücün artması gerekiyor. Bir yük çok yüksekse, bağlantısının kesilmesi gerekir ve bu, diğer alternatörlere fazladan yük bindirir. Teorik olarak, HVDC daha kararlı ve daha bağışlayıcıdır. Ac kullanmamızın nedeni, yakın zamana kadar daha iyi bir yöntem olmasıydı. Başkaları tarafından belirtildiği gibi, HVDC'ye geçmek maliyetlidir.

Önceki tüm cevaplar OP'nin sorularını kapsıyor, ancak daha önce yerelleştirilmiş, kısa süreli DC ağları ile ilgili daha önce söylenen bir şeyi ekleyeceğimi düşündüm. Güç dağıtımında bir sonraki 'devrim', batarya, güneş enerjisi ve diğer yenilenebilir enerji kaynaklarıyla beslenen topluluk şebekeleri aracılığıyla yerelleştirilmiş güç sağlayan Talep Yanıtı ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ) sistemler olacaktır .

Tesla (şirket değil adam) bize bunun yerli batarya paketiyle nereye gittiğini gösteriyor - pik enerji maliyet zamanlarında bataryaya geçebilme ve yoğun olmayan zamanlarda bataryaları PV et al aracılığıyla şarj etme içsel fatura tasarruflarını hayal edin .

Bu kapasiteyi bir toplulukta paylaşmak için birkaç ev bir araya getirin ve daha sonra fazlalığınızı diğer üyelere / topluluklara satmak için yeterli kaynağa sahip olabilirsiniz (zaten İngiltere'deki ızgaraya geri satabilirsiniz). Belki de topluluktaki herkes bir katılımcıysa bu tür bir alt şebeke HVDC olabilir.

Yüksek voltajlı DC'nin henüz pratik olmamasının birkaç nedeni vardır, ancak bazı niş uygulamalarda yavaşça geri sürmektedir.

• AC transformatörler, yılların arkasındaki araştırma, iyileştirme ve optimizasyon ile çok sağlam ve kanıtlanmış bir teknolojidir ve DC / AC - Yüksek frekanslı Tranformer - AC / DC muadilinden çok daha ucuzdur ve elbette çok daha güvenilirdir
• Yük veya kısa devre altındaki devreleri kesmek için kullanılan devre kesiciler DC sistemlerinde ciddi bir sorundur, çünkü bir ac sistem akımları doğal olarak sıfıra geçmek zorundadır, AC akımlarını kesmek çok daha kolaydır, AC devre kesicileri DC muadili fiyat, kırılma akımı, yaşam ve ...
• Her iki teknolojinin de birbiriyle eşit olduğu noktaya gelsek bile, o zamana kadar uzun yıllar var, AC dağıtım operatörlerinin yeni teknolojileri uygulama konusunda çok isteksiz ve dikkatli olduklarını anlamalısınız.

Aydınlatma ve bilgi işlem için evde şebeke dışı kullanımı dc ile kesinlikle daha verimlidir. LED aydınlatma, akkor ve flüoresan aydınlatma gücünün bir kısmını kullanır. LED, DC kullanmalıdır ve bu nedenle her LED ışığının, verimsiz ve arızalı bir AC-DC dönüştürücüsü olmalıdır. Aslında, LED ışıklarının arızalarının çoğu, dönüşüm devresinden ve nadiren LED ışık kaynağının kendisinden kaynaklanmaktadır.

Tüm bilgisayarlar ve elektronik cihazlar DC kullanır. Pille çalışırlarsa veya AC şebekesine bağlıysa, şebeke AC'sini, doğrultucu köprüler, düşürücü transformatörler, kapasitörler, tristörler vb.

Elektrikli ısıtıcılar için ısıtma filamanları, tamamen dirençli bir yük olduğu için DC veya AC kullanmanız umursamaz. Isıtıcılar için fan dc hayranları olsa da olurdu.

AC motorları ve / veya kompresörleri kullanan herhangi bir cihaz veya ekipman için AC gerekli olacaktır, örn. Buzdolapları, HVAC, fanlar, pompalar, takılabilir cihazlar, vb. ve şarj cihazları DC'dir.

Sahadaki elektrik üretimi güneş enerjisi için DC olduğundan ve rüzgar enerjisi ve biyokütle için mekanik alternatörler için DC olabileceğinden, üretilen gücü AC'ye dönüştürmek için invertör kullanmak zorunda değildir. yukarıda anılan.

Bu şimdi sistemdir, ancak kamu hizmeti şirketleri oranları artırmaya devam ettikçe ve iletim altyapısı daha güvenilmez hale geldikçe, gittikçe daha fazla hane yerel olarak şebeke dışında üretilen DC gücünü kullanmaya çalışacaktır. AC kullanması gereken ekipman ve cihazlar için yine de şebeke AC gücü veya ev akü grubundan invertörler kullanacaklardır.

AC, 500 km'den daha az arazi iletiminde güç iletimi için hala daha ekonomik bir seçim olsa da, eğilim şebekeden bağımsız olarak yerel yerinde elektrik üretimi ve depolamaya yöneliktir. Kamu hizmetleri şirketleri bu eğilimin farkındadır ve şebeke geri alımı, entegrasyon ve diğer konularda belediyelerle ve saha sağlayıcılarıyla ortaklık yapmaktadır.

AC, uzun deneyim kritik bir kitlesinden, endüstri güveninden, akılcı fiyatlarla çok çeşitli ürünlerden ve halihazırda mevcut servis ve destekten yararlanır.

AC transformatörleri kurşun geçirmezdir. Diyelim ki birisi tesisimize uzak mesafeden 50 metre / 240 V RV priz istiyor. 240V servisimizi 2400V'a kadar tekmelemek, bir kutup hattı çalıştırmak ve başka bir transformatör için ortak transformatörleri kullanabilirim. Ucuz, güvenilir ve raftan. Transformatörün arızalanması konusunda endişelenmenize gerek kalmayacak. Ve servise ihtiyacı varsa, kırsal bölgemdeki neye baktıklarını bilen ve destekleyebilecek elektrikçi sayısı kesinlikle sıfır değildir.

HVDC bunlardan herhangi birini talep edemez.

Burroughs ve Sperry gibi kıyafetler IBM'in yakın tekelini kırmaya çalışırken 1960'ların ana bilgisayar dünyasından eski bir atasözü var : "Hiç kimse IBM'i satın almak için kovulmadı."

Hangi tesis müdürü boynunu HVDC'ye yapıştıracak? Bugün ben değilim, sanırım. Belki yarın. Yarın patlama yok.