为什么输配电系统是交流而不是直流?

电器工程 力量 交流 直流 电力工程
2022-02-01 12:50:57

我们没有将电力传输系统完全转换为直流的过程中是否有充分的理由?在电网上使用交流电(无意冒犯特斯拉,我爱你,伙计)的主要原因是为了降低线路损耗(\$P=IE=I^2R\$)以及如果导体尺寸能够转换到更高的电压保持不变,当方程 \$E=IR\$ 中的 \$E\$ 增加时,\$I\$ 必然会减少,反过来损失会减少为 \$I\$ 的平方)。但现在我们有能力将交流电(在所有热力、水力和风力发电机上)和直流电(在太阳能发电机上)转换为我们想要和传输的任何水平的直流电,通常是向无论如何倾向于使用直流电的住宅或商业负载。如果需要,它可以在工业负载(通常是电机)下转换回交流电。

通过这种方式,可以从电网中消除许多变压器、电容器、间距问题等,从而显着提高效率,进而降低排放和成本。

我在这里错过了什么吗?

4个回答

有几个原因。一:电线中的功率损耗为I^2 * R。因此最好在非常高的电压和低电流下传输功率。交流电更容易升压到高压(不需要电子设备)。使用硅电子来提升工业负载是不切实际的。

另一个是在负载下易于切换。如果关闭连接到 DC 的负载,则由于线电感和负载电感在开关处产生的电弧会成为问题。这迫使直流开关更加稳健。

变压器产生的 60 Hz 噪声远小于所有电子设备产生的开关噪声,这些电子设备需要降压和升压 DC,然后按照您的建议在负载点将其转换为 AC。

使用 HVDC:HVDC 项目列表用于 HVDC 的两种主要技术(晶闸管和 IGBT)分别是在 1950 年和 1968 年才发明的。与此同时,各国都在建造交流输电设备。当您已经花费大量资金构建网格时,为什么要更换有效的东西?等到现有系统不再可用,然后再升级。

数据似乎证明了这一点:中国正在建设大量的高压直流输电线路,因为他们有钱,而且没有任何现有的网络可以互动/竞争。同样,欧洲和美洲也有项目,但这些项目似乎更局限于 HVDC 真正大放异彩的地区(水下系统),因为已有网络,因此升级成本尚不合理。

此外,HVDC 并不总是有意义,尤其是当您需要/想要多点传输时。这使得 HVDC 系统的布线比 AC 系统更困难。

Mkeith 已经回答了这个问题,即高压直流配电的主要缺点是什么。helloworld922 对此的“反回答”(目前投票最多的答案)指向使用/使用 HVDC 的一堆案例的方向。所有这些工程师不可能疯了,所以我认为在 HVDC 有意义的时候在这里实际解释一下很重要。(顺便说一句,这将是一个比 OP 提出的更好的问题。)

首先,在某些情况下 AC 几乎是不可行的。这包括连接彼此异步运行的交流电网,例如连接 50 和 60 Hz 系统;例如,它发生在日本:东日本使用 50Hz,西日本使用 60Hz。实际上,还有一些小众应用,其中 HVDC 是唯一合理的选择,但对于新手来说,几句话并不容易解释。如果您想要更详细的列表(带有真实示例),Delea 和 Casazza 的理解电力系统有更长的列表。

撇开这些小众案例不谈,我认为重要的是要强调总成本优化在决定交流或直流应该是电力线的传输方法时,可以(实际上应该)执行。两个主要因素是线路本身的成本(电缆、塔,如果适用,例如不是海底)和终端的成本。通常,直流传输电缆的成本低于三相交流等效功率的电缆。发生这种情况的原因很容易解释:与三相交流相比,直流所需的电线更少,但交流电线的绝缘(这可能只是气隙,但这会转化为塔架成本)需要承受峰值 AC 值,而您只能从 AC 传输“RMS 功率”(更准确地说,对应于 RMS 电压的平均功率)中受益。另一方面,HVDC 的终端电力电子设备成本高于交流变压器,

这种总成本优化实际上为您提供了当今 HVDC 的主要应用:长距离传输大量电力(也就是说,没有分接/中断)。HVDC 比 AC 更经济的典型值是在 500 多公里内传输超过 500MW(根据 Delea 和 Casazza)。维基百科列表中的许多(如果不是大多数)示例(链接在 helloworld922 的答案中)就是这种类型。这样的例子来自中国、加拿大或澳大利亚,这不足为奇。在欧洲,大部分中/大型高压直流输电线路都是海底电缆。

下面是一个合成(意味着教科书级别而不是现实世界)优化示例对于预定功率级别的样子,因此其中仅绘制了成本与传输距离的关系;它摘自 Kim 等人。高压直流输电第一章免费提供在此处输入图像描述

从具体的成本角度来看,这里有一些值(根据Larruskain 等人的说法),用于接近制造 HVDC 终端组件的最低功率:

  • 晶闸管变流器,50 MW,100kV。每单位价值约为:500 欧元/千瓦
  • IGBT 转换器对,50 MW,+/-84kV。大约每单位价值是:150 欧元/千瓦
  • 变压器,50 MVA,69kV/138kV。每单位价值约为:7.5 EUR/kVA

鉴于 50 MW 的整流器和变压器之间的价格比为 20 倍至 60 倍,很明显为什么 HVDC 不会缩减到更低功率。

通过使用交流变压器(以这种方式),可以从电网中消除逆变器、整流器、旋转变压器等,从而显着提高效率,进而降低排放和成本。

在芝加哥和纽约,直流电网在 1990 年代被关闭。在澳大利亚墨尔本,直流电网在 2005 年左右被关闭。最后,仍然连接到直流电网的主要或唯一的东西是旧建筑物中的非常旧的电梯。在墨尔本,输电线路发生故障后,给每个剩余的直流客户一个整流器,并将旧设备连接到交流电网,而不是维修和更换直流输电网,成本更低。

尽管交流电传输具有许多优点,但直流电传输继续用于互连高压电网:在长连接中保持电网稳定性,特别是在地下/海底电缆中,减少介电损耗和集肤效应。