Przesyłanie mocy na duże odległości, co jest lepsze AC lub DC?

Znalazłem tę odpowiedź na powiązane pytanie. Myląca jest część odpowiedzi:

Przesyłanie prądu stałego na dużą odległość jest nieefektywne. Zatem zasilanie prądem przemiennym jest o wiele bardziej wydajne do przesyłania mocy.

Według Siemensa jest wręcz przeciwnie :

Ilekroć energia musi być przesyłana na duże odległości, transmisja prądu stałego jest najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem w porównaniu do prądu przemiennego wysokiego napięcia.

Również z Wikipedii

Straty w przesyle HVDC podano jako mniej niż 3% na 1000 km, czyli o 30 do 40% mniej niż w przypadku linii prądu przemiennego, przy tych samych poziomach napięcia.

Czy wysłana odpowiedź jest poprawna?

- - EDYTOWAĆ - -

Chris H dokonał bardzo ważnej obserwacji (patrz jego komentarz poniżej): Kontekst wspomnianego przeze mnie postu był niski, podczas gdy ja ślepo myślałem o wysokim napięciu. Rzeczywiście nauczyłem się wielu odpowiedzi i komentarzy. Dzięki.

Bardziej wydajne jest przesyłanie prądu stałego przy użyciu tej samej infrastruktury. Wynika to z kilku efektów:

1. Efekt skóry odczuwany przy AC. Z DC nie ma efektu skórnego.

2. Dopuszczalne jest wyższe napięcie z DC dla tych samych linii przesyłowych. Linie muszą wytrzymać napięcie szczytowe. W przypadku prądu przemiennego jest to 1,4 razy więcej niż RMS. W przypadku prądu stałego wartości RMS i napięcia szczytowe są takie same. Jednak przesyłana moc to prąd razy RMS, a nie napięcie szczytowe.

3. Brak strat promieniowania z DC. Długie linie transmisyjne działają jak anteny i emitują pewną moc. To może się zdarzyć tylko z AC.

4. Brak strat indukcyjnych. Zmieniające się pole magnetyczne wokół drutu przewodzącego prąd przemienny powoduje indukowane napięcie i prąd w pobliskich przewodnikach. W efekcie linia przesyłowa jest pierwotna dla transformatora, a znajdujące się w pobliżu przewody są wtórne. W przypadku prądu stałego pole magnetyczne nie zmienia się, a zatem nie przenosi mocy.

Kolejną zaletą DC jest to, że nie wymaga synchronizacji między sieciami. Dwie sieci prądu przemiennego muszą być zsynchronizowane fazowo, aby połączyć je ze sobą. Staje się to trudne, gdy odległości są wystarczająco duże, aby stanowić znaczące ułamki cyklu.

Drugą stroną jest to, że prąd przemienny jest łatwiejszy do konwersji między napięciami. Przekształcenie prądu stałego z powrotem na prąd przemienny w celu zrzucenia go na lokalną sieć po stronie odbiorczej nie jest łatwym procesem. Wykonanie tego wymaga dużej rośliny, co oznacza znaczne koszty. Koszt ten jest wart tylko wtedy, gdy odległość transmisji jest wystarczająco długa, aby oszczędności wydajności przeważały nad kosztami instalacji konwersji prądu stałego na cały okres jej użytkowania.

Oto przykład tego, czego potrzeba, aby przekonwertować prąd stały o wysokim napięciu z powrotem na prąd przemienny:

Prąd stały z dużych tam w Quebecu jest wprowadzany w prawym górnym rogu. Roślina ta konwertuje je do AC i zrzuca na dużą moc regionalnej linii przesyłowej AC w Ayer Massachusetts w 42.5702N 71.5242W .

Koszt budowy i eksploatacji tej elektrowni jest tego warty ze względu na znaczne oszczędności energii wynikające z przesyłania prądu stałego zamiast prądu przemiennego. Synchronizacja była również czynnikiem w korzystaniu z DC.

Właściwie pracowałem nad programami HVDC w połowie lat 90-tych. Odpowiedź Olin Lathrop jest częściowo słuszna, ale niezupełnie. Spróbuję nie powtarzać zbyt wiele jego odpowiedzi, ale wyjaśnię kilka rzeczy.

Straty prądu przemiennego sprowadzają się przede wszystkim do indukcyjności kabla. Stwarza to reaktancję do przesyłania prądu przemiennego. Powszechnym nieporozumieniem (powtarzanym przez Olin) jest to, że wynika to z przeniesienia mocy na rzeczy wokół niego. Tak nie jest - cewka z drutu znajdująca się w połowie drogi między tutaj a Magellanic Cloud będzie miała dokładnie taką samą reaktancję i spowoduje dokładnie takie same efekty elektryczne na twoim biurku. Z tego powodu nazywa się to samoindukcyjnością , a samoindukcyjność długiego kabla transmisyjnego jest naprawdę znacząca.

Kabel nie traci żadnej znaczącej mocy na skutek sprzężenia indukcyjnego z inną metaloplastyką - to druga połowa tego powszechnego błędnego przekonania. Skuteczność sprzężenia indukcyjnego jest funkcją częstotliwości prądu przemiennego i odległości między kablami. W przypadku transmisji prądu przemiennego przy częstotliwości 50/60 Hz częstotliwość jest tak niska, że ​​sprzężenie indukcyjne w dowolnej odległości jest całkowicie nieskuteczne; i jeśli nie chcesz się porazić prądem, odległości te muszą być oddalone o kilka metrów. To się po prostu nie zdarza w wymiernym stopniu.

(Edytowane, aby dodać jedną rzecz, o której zapomniałem) W przypadku kabli prowadzących pod wodą istnieją również bardzo duże pojemności kabli ze względu na ich konstrukcję. Jest to inne źródło strat reaktywnych, ale jest znaczące w ten sam sposób. Mogą to być dominująca przyczyna strat w kablach podwodnych.

Jak mówi Olin, efekt naskórkowy powoduje wyższą rezystancję przenoszenia prądu przemiennego. W praktyce jednak potrzeba elastycznych kabli sprawia, że ​​jest to mniejszy problem. Pojedynczy kabel o grubości wystarczającej do przeniesienia znacznej mocy byłby na ogół zbyt sztywny i nieporęczny do zawieszenia na pylonie, więc kable transmisyjne są składane z wiązki drutów oddzielonych od siebie elementami dystansowymi. I tak musielibyśmy to zrobić, niezależnie od tego, czy używamy prądu stałego, czy prądu przemiennego. Rezultatem tego jest umieszczenie drutów w strefie efektu skórki dla pakietu. Najwyraźniej wiąże się to z inżynierią i nadal będą pewne straty, ale dzięki temu szczęśliwemu zbiegowi okoliczności możemy upewnić się, że są znacznie niższe.

Zakopane i podmorskie kable są oczywiście pojedynczym grubym kablem, więc w zasadzie nadal mogą zostać ugryzione przez efekt skóry. Wytrzymała konstrukcja kabla na ogół wykorzystuje jednak mocny rdzeń centralny, który zapewnia integralność strukturalną kabla, z innymi złączami nawiniętymi na ten rdzeń. Ponownie możemy to wykorzystać na naszą korzyść, aby zredukować efekt naskórkowy w AC, a nawet kable HVDC zostaną zbudowane w ten sam sposób.

Dużą wygraną w przenoszeniu mocy jest jednak eliminacja strat biernych.

Jak mówi Olin, istnieje również problem z połączeniem dwóch sieci energetycznych, ponieważ nigdy nie będą miały dokładnie tej samej częstotliwości i fazy. Sprytne użycie filtrów w połowie XX wieku pozwoliło na połączenie siatek, ale zaprojektowanie ich było tak samo sztuką, jak nauką i były z natury nieefektywne. Jednak po przesłaniu mocy w prąd stały można zrekonstruować prąd przemienny z dokładnie taką samą częstotliwością i fazą, jak sieć docelowa, i uniknąć problemu.

Nie tylko to, ale o wiele bardziej wydajna jest konwersja z prądu przemiennego na stały iz powrotem na prąd przemienny, zamiast próbować używać filtrów w celu kompensacji fazy i częstotliwości. Siatki w dzisiejszych czasach są często łączone ze schematami back-to-back . Są to zasadniczo obie połówki łącza HVDC obok siebie, z ogromną szyną zbiorczą między nimi zamiast kilometrów kabla transmisyjnego.

Mówią o złożoności i koszcie ( $ $ $ $ $ )

Ludzie, którzy mówią, że „DC jest mniej wydajny”, używają słowa „wydajność”, aby mówić o czynnikach projektowych, takich jak złożoność sprzętu do konwersji i, co bardziej krytyczne, o jego koszcie .

Jeśli mamy maszynę Świętego Mikołaja, która potrafi wyskakiwać przetworniki DC / DC tak tanie i niezawodne jak porównywalne transformatory, to DC wygrywa. (tylko na efekt skóry). Jednak w praktycznym świecie, kiedy sznurowane buty są założone, a rękawiczki lineman są włączone, natrafisz na kilka innych problemów.

• W przypadku prądu przemiennego prędkość światła powoduje problemy z fazowaniem podczas przemieszczania się ładunków - szczególnie problem na kolejach elektrycznych, dlatego lubią ultra niskie częstotliwości, takie jak 25 Hz lub 16-2 / 3 Hz. Ten problem ustępuje wraz z DC .
• Nie możesz zwiększyć prądu. Prąd jest ograniczony przez podgrzewanie drutu, a ogrzewanie drutu jest już oparte na wartości skutecznej prądu przemiennego.
• Większość zainstalowanej podstawy wież transmisyjnych i dystrybucyjnych jest wykonana dla 3-fazowej „delty”, więc mają 3 przewody. Trudno jest efektywnie używać wszystkich 3 drutów w DC, więc DC znacznie obniży efektywną pojemność tych linii przez marnowanie drutu. Ile? DC przenosi to samo co jednofazowy prąd przemienny, a 3-przewodowy 3-fazowy przenosi sqrt (3) (1,732) razy tyle. Ojej
• Możesz równie dobrze zwiększyć napięcie. Linie prądu przemiennego są izolowane na napięcie szczytowe [szczyt = RMS * sqrt (2)], więc można hipotetycznie podnieść napięcie prądu stałego do tego. Jednak...
• Gdy prąd stały uderzy w łuk, bardzo trudno jest go ugasić, ponieważ nigdy się nie zatrzymuje (w przeciwieństwie do prądu przemiennego, gdzie każde przejście przez zero daje łukowi możliwość gaszenia). Można to rozwiązać za pomocą detekcji zwarcia łukowego. Linie prądu przemiennego mają już samozamykacze, które automatycznie połączą się ponownie po podróży; samozamykacz DC może ponowić próbę już po kilku milisekundach, odtwarzając efekt przejścia przez zero prądu przemiennego.

Wszystkie pozostałe są równe przesyłanie prądu stałego jest bardziej wydajne niż przesyłanie prądu przemiennego przy tym samym napięciu nominalnym ze względu na wyeliminowanie strat biernych.

Jednak wszystko inne jest rzadko równe.

1. Przy danym napięciu prąd stały jest znacznie bardziej podatny na utrzymywanie łuków niż prąd przemienny.
2. Dopiero stosunkowo niedawno rozwinęliśmy zdolność do konwersji napięć stałych przy rozsądnych kosztach i wydajności. Przy wysokich poziomach mocy jest nadal droższy i mniej wydajny niż transformatory.

Powoduje to, że systemy prądu stałego mają tendencję do działania przy niższych napięciach niż systemy prądu przemiennego, a to właśnie powoduje, że prąd stały ma reputację nieefektywnej.

Napięcie ma ogromny wpływ na koszt i / lub wydajność transmisji. Jeśli zmniejszysz napięcie o połowę, aby utrzymać ten sam poziom strat rezystancyjnych, musisz czterokrotnie zwiększyć rozmiar przewodów. Alternatywnie masz czterokrotnie większe straty dla tych samych rozmiarów przewodów.

Wyjątkiem jest bardzo wysoka transmisja mocy punkt-punkt na duże odległości, podmorskie kable lub między niezsynchronizowanymi sieciami. W takich przypadkach koszty i zagrożenia związane z konwersją prądu przemiennego wykorzystywanego w sieci na prąd stały wysokiego napięcia stają się bardziej uzasadnione.