Если бы мы могли начать нашу электрическую сеть с нуля с современными технологиями, что было бы наиболее эффективным выбором? AC или DC?

В последнее время я читал о многих преимуществах систем передачи HVDC для передачи на большие расстояния, подводных линий связи и других. Историческая причина, по которой переменный ток выбирался через постоянный ток, была в основном связана с изобретением трансформатора, который позволил легко манипулировать переменным напряжением, обеспечивая передачу высокого напряжения на большие расстояния.

Однако после изобретения ртутных клапанов, тиристоров, IGBT и всех этих компонентов, которые сделали возможным передачу постоянного тока, я подумал, что, если бы у нас была чисто сеть постоянного тока, мы могли бы избавиться от всех выпрямителей переменного / постоянного тока, которые мы находим в наши электронные приборы. Это может значительно повысить энергоэффективность и сэкономить кучу денег в ресурсах.

Если бы у нас была возможность начать все сначала, могла бы система передачи на основе постоянного тока быть лучшим выбором ¹ , или переменный ток все еще был бы лучшим?

^{1: с лучшим , я имею в виду более энергоэффективный .}

Немного истории

Предложения, стоящие за этой темой, идут вразрез с тем, чему научили многих инженеров-электриков со времени их первого курса по электрическим схемам - что переменный ток лучше для передачи энергии. В конце концов, в «войне течений» в конце 1800-х именно Тесла помог «Вестингаузу» бороться за AC, в конце концов победив мечты Эдисона об империи DC.

Основным преимуществом использования переменного тока по постоянному току в это время была эффективность. Преобразование одного напряжения переменного тока в другое становилось все более простым, особенно по сравнению со стоимостью, сложностью и неэффективностью преобразования одного напряжения постоянного тока в другое в то время. Согласно первому закону Джоуля , количество энергии, расходуемой на тепло в линиях электропередачи, пропорционально квадрату тока. Учитывая, что линии передачи имеют известное (в основном) фиксированное сопротивление, то при передаче с таким же количеством энергии затрачивается гораздо больше на низковольтную, сильноточную передачу, чем на высоковольтную, слаботочную передачу. Как уже говорилось, было очень непрактично преобразовывать напряжения постоянного тока в достаточно высокий уровень, чтобы преодолеть потери в линии по сравнению с относительной простотой преобразования напряжений переменного тока.

Как примечание стороны, многие места никогда полностью не переключались с оригинальных систем передачи постоянного тока на переменный ток до середины 20-го века.

Вы можете прочитать все об истории здесь .

Введите современный электрический дизайн

Нельзя сказать, что у AC нет своих проблем. Скин - эффект является одним из примеров переменного тока является менее эффективным , чем DC, но она до сих пор не компенсирует указанные потери выше линии. Другая проблема связана с коронным разрядом, возникающим при высоких уровнях напряжения передачи. На больших расстояниях переменное напряжение также имеет проблемы со стабильностью. Эта статья IEEE описывает несколько различных расстояний, отмечая, что реактивное сопротивление линии можно компенсировать на расстояниях до 600 - 700 миль.

Благодаря современным реализациям ртутных дуговых клапанов, тиристоров и IGBT и эффективным средствам преобразования напряжения постоянного тока передача HVDC не только возможна, но и преодолевает многие проблемы, возникающие при передаче HVAC. Общее расстояние передачи намного больше, и упомянутые эффекты переменного тока преодолены. Кроме того, стоимость, связанная с HVDC, меньше, чем HVAC, после того, как порог расстояния преодолен. Эта разница в стоимости подробно обсуждается в этом документе, который также включает разбивку стоимости подстанции. Стоимость также обсуждается в ссылке, предоставленной Джейком в его ответе .

Дело в том, что современная электрическая инфраструктура основана на передаче электроэнергии переменного тока. Подавляющее большинство современных технологий требует такого типа энергии для правильной работы, и если бы переменный ток никогда не использовался, я сомневаюсь, что у нас будет много технико-технических «достижений», которые мы знаем и любим. Теоретически, использование только HVDC может оказаться более эффективным, но для компенсации разницы в стоимости гибридная система HVAC / HVDC является лучшим решением, по крайней мере, в данный момент в развитии человека.

С ростом стоимости меди и других полезных металлов и экологических проблем, связанных с использованием в них изоляционных масел, трансформаторы переменного тока большой мощности становятся очень дорогими по сравнению с их твердотельными аналогами. Это не только стоимость обмоток, но и больших металлических корпусов, а также расходы на транспортировку и монтаж, связанные с такими большими трансформаторами.

Переход на высоковольтную передачу постоянного тока, вероятно, будет препятствием с точки зрения эффективности, однако это может быть дешевле, если у нас еще не было нашей существующей инфраструктуры. Трансформаторы все еще были бы необходимы, но вместо низкочастотных силовых трансформаторов мы бы соединили полупроводниковые преобразователи постоянного тока в постоянные с высокочастотными силовыми трансформаторами, которые могут быть намного меньше (и, следовательно, дешевле) при той же величине мощности преобразования мощности.