Perché i sistemi di trasmissione / distribuzione dell'alimentazione sono CA e non CC?

C'è una buona ragione per cui non siamo in procinto di convertire completamente il nostro sistema di trasmissione elettrica in CC? Il motivo principale per l'utilizzo di AC sulla rete (senza offesa Tesla, ti amo amico) era di consentire la trasformazione a tensioni più elevate per far cadere le perdite di linea ( ) e se la dimensione del conduttore rimane la stessa , quando E viene aumentato nell'equazione E = I R, allora devo necessariamente diminuire, a sua volta diminuendo le perdite come il quadrato di $P=IE=I^2R$$E$$E=IR$$I$$I$). Ma ora abbiamo la capacità di trasformare CA (a tutti i generatori di energia termica, idroelettrica e eolica) e CC (a generatori solari) a qualsiasi livello di CC che desideriamo e trasmettiamo, di solito a carichi residenziali o commerciali che tendono comunque a utilizzare CC. Se necessario, può essere riconvertito in corrente alternata a carichi industriali (motori di solito).

In questo modo molti trasformatori, condensatori, problemi di spaziatura, ecc. Possono essere eliminati dalla rete elettrica, aumentando notevolmente l'efficienza e, a sua volta, diminuendo emissioni e costi.

Mi sto perdendo qualcosa qui?

Ci sono diverse ragioni. Uno: la perdita di potenza in un filo è I ^ 2 * R. Pertanto è meglio trasmettere energia a voltaggio molto alto e corrente bassa. L'AC è molto più facilmente potenziata ad alta tensione (non è necessaria l'elettronica). Aumentare i carichi industriali utilizzando l'elettronica al silicio non è pratico.

Un altro è la facilità di commutazione sotto carico. Se si spegne un carico collegato a CC, l'arco sull'interruttore a causa dell'induttanza del filo e dell'induttanza del carico diventa problematico. Ciò impone che gli interruttori CC siano più robusti.

Il rumore a 60 Hz creato dai trasformatori è molto inferiore al rumore di commutazione che verrebbe creato da tutta l'elettronica richiesta per invertire e potenziare la corrente continua e quindi convertirla in corrente alternata nel punto di carico come proposto.

HVDC viene utilizzato: elenco di progetti HVDC . Le due tecnologie dominanti utilizzate per HVDC (tiristori e IGBT) non furono inventate rispettivamente fino al 1950 e al 1968. Nel frattempo, i paesi stavano costruendo apparecchiature di trasmissione CA. Perché sostituire qualcosa che funziona quando hai già speso molti soldi per costruire una griglia? Attendi fino a quando il sistema esistente non sarà più utilizzabile, quindi esegui l'aggiornamento.

I dati sembrano giustificare questo: la Cina sta costruendo un gran numero di linee di trasmissione HVDC perché hanno soldi e non hanno reti esistenti per interagire / competere. Allo stesso modo, ci sono progetti in Europa e nelle Americhe, ma questi sembrano essere più limitati alle aree in cui l'HVDC brilla davvero (sistemi sottomarini) perché ci sono reti esistenti, quindi il costo dell'aggiornamento non è ancora giustificato.

Inoltre, HVDC non ha sempre senso, in particolare quando è necessario / si desidera la trasmissione multipunto. Ciò rende più difficile il routing di un sistema HVDC rispetto a un sistema CA.

Mkeith ha risposto alla domanda come chiesto, ovvero quali sono i principali svantaggi della distribuzione HVDC. Una "risposta contraria" a quella di helloworld922 (la prossima risposta più votata qui al momento) punta nella direzione di un gruppo di casi in cui viene / è stato utilizzato l'HVDC. Tutti questi ingegneri non avrebbero potuto essere pazzi, quindi penso che sia importante spiegare qui quando l'HVDC ha un senso. (A proposito, sarebbe stata una domanda migliore di ciò che l'OP ha chiesto.)

Per iniziare, ci sono alcuni casi in cui la CA sarebbe quasi impossibile. Ciò include il collegamento di reti CA di alimentazione che funzionano in modo asincrono l'una rispetto all'altra, come il collegamento di sistemi a 50 e 60 Hz; succede ad esempio in Giappone: il Giappone orientale usa 50Hz e il Giappone occidentale usa 60Hz. In realtà ci sono alcune applicazioni di nicchia in cui l'HVDC è l'unica scelta ragionevole, ma non sono facili da spiegare ai neofiti in poche parole. Se si desidera un elenco più dettagliato (con esempi reali), il sistema di comprensione dell'energia elettrica di Delea e Casazza ha un elenco più lungo.

Lasciando da parte questi casi di nicchia, penso che sia importante sottolineare che esiste un'ottimizzazione dei costi totaliche può (e in effetti dovrebbe) essere eseguito quando si decide se CA o CC debbano essere il metodo di trasmissione per una linea elettrica. I due fattori principali sono il costo della linea stessa (cavi, torri se applicabile, ad es. Non sottomarino) e il costo dei terminali. In generale, i cavi di trasmissione CC costano meno di quelli di potenza equivalente per CA trifase. Questo accade per un motivo che è facile da spiegare: sono necessari meno cavi per CC rispetto alla CA trifase, ma l'isolamento per i cavi CA (e questo potrebbe essere solo il traferro, ma che si traduce in costi della torre) deve resistere il valore di picco in CA, mentre stai solo beneficiando della trasmissione di "potenza RMS" (più correttamente, potenza media corrispondente alla tensione RMS) in CA. D'altra parte, l'elettronica di potenza di terminazione costa di più per HVDC rispetto ai trasformatori CA,

Questa ottimizzazione dei costi totali in realtà ti offre l'applicazione principale di HVDC oggi: trasmissione di grandi quantità di energia su lunghe distanze (e in tal senso senza intercettazioni / interruzioni). I valori tipici in cui HVDC è più economico di AC sta trasmettendo più di 500 MW su oltre 500 km (secondo Delea e Casazza). Molti (se non la maggior parte) degli esempi dell'elenco di Wikipedia (collegati nella risposta di helloworld922) sono di questo tipo. Non dovrebbe sorprendere che esempi simili provengano dalla Cina, dal Canada o dall'Australia. In Europa, la maggior parte delle linee di trasmissione HVDC di medie / grandi dimensioni sono cavi sottomarini.

Di seguito è riportato un esempio di ottimizzazione sintetica (che significa a livello di libro di testo piuttosto che reale) per un livello di potenza predeterminato, in cui viene tracciata solo la distanza costo-trasmissione; è tratto da Kim et al. Trasmissione HVDC , il cui primo capitolo è disponibile gratuitamente .

Per una prospettiva di costo concreta, ecco alcuni valori (secondo Larruskain et al .) Per ciò che è vicino alla potenza più bassa per la quale sono realizzati i componenti del terminale HVDC:

• Convertitore a tiristori, 50 MW, 100kV. Il valore approssimativo per unità è: 500 EUR / kW
• Coppia di convertitori IGBT, 50 MW, +/- 84kV. Il valore approssimativo per unità è: 150 EUR / kW
• Trasformatore, 50 MVA, 69kV / 138kV. Il valore approssimativo per unità è: 7,5 EUR / kVA

Dato il rapporto di prezzo 20x-60x tra un raddrizzatore e un trasformatore a 50 MW, è ovvio il motivo per cui HVDC non si riduce a potenze inferiori.

Utilizzando trasformatori CA (in questo modo), inverter, raddrizzatori, trasformatori rotanti ecc. Possono essere eliminati dalla rete elettrica, aumentando notevolmente l'efficienza e, a sua volta, diminuendo emissioni e costi.

A Chicago e New York, la rete elettrica DC è stata disattivata negli anni '90. A Melbourne, in Australia, la rete elettrica DC è stata disattivata intorno al 2005. Alla fine, la cosa principale o l'unica ancora collegata alla rete DC erano ascensori molto vecchi in vecchi edifici. A Melbourne, dopo un guasto alla linea di trasmissione, è stato più economico fornire un raddrizzatore a ciascun cliente CC rimanente e collegare le vecchie apparecchiature alla rete CA, anziché riparare e sostituire la rete di trasmissione CC.

Sebbene la trasmissione di corrente alternata abbia molti vantaggi, la trasmissione di corrente continua continua ad essere utilizzata per le reti HV interconnesse: per mantenere la stabilità della rete su connessioni lunghe e, in particolare nei cavi sotterranei / sottomarini, per ridurre la perdita dielettrica e l'effetto pelle.

Sì, ti stai perdendo qualcosa. Con i transistor moderni e altri componenti elettronici, possiamo aumentare la corrente continua fino a un certo punto, ma non facilmente, economicamente o con una ragionevole efficienza a livelli di potenza MW alle tensioni richieste sulle principali linee di trasmissione.

I trasformatori sono l'unico modo pratico per ottenere 100s di kV a livelli di potenza MW e i trasformatori richiedono CA.

Semplicemente perché Tesla contro Edison del 1880. Di conseguenza, il 99,9% della nostra infrastruttura di generazione e trasmissione è in corrente alternata. Il passaggio a DC non è qualcosa che può essere fatto durante il fine settimana. Che dire degli elettrodomestici e delle fabbriche di tutte le persone con motori a induzione? DC non funzionerà lì. Avranno bisogno di una sorta di alternativa sviluppata. Le sottostazioni dovranno essere completamente rifatte. L'elettronica di potenza HVDC per gestire tutto ciò dovrà essere testata e certificata. E forse soprattutto, tutto ciò costa denaro. Un sacco di soldi. Non cercare il passaggio da CA a CC per avvenire presto o rapidamente, se mai.

È proprio lì nella tua carta, elemento 6: "Terminale multiplo / intercettazioni: difficile".

L'HVDC viene già occasionalmente utilizzato per collegamenti punto-punto, ma più il sistema di distribuzione elettrica è simile a una griglia e multipath, meno conveniente è. Nei paesi europei compatti la lunghezza media indisturbata di un segmento di rete è breve, al di sotto del punto di pareggio economico di ~ 100 km.

Personalmente penso che avremo maggiori probabilità di assistere allo spiegamento di microgrid CC a bassa tensione alimentate da fonti rinnovabili e batterie prima di assistere a una conversione all'ingrosso della rete CA in CC.

Ecco cosa ti manca: stai pensando come un ingegnere, non un uomo d'affari. Segui i soldi. Quando ha senso convertirsi in DC, compresi tutti i costi di sostituzione dell'infrastruttura esistente, ecc., Accadrà. Nei casi in cui DC ha senso è successo e sta accadendo.

Ti do un altro buon motivo contro le reti DC oltre a:

• semiconduttori e condensatori soggetti a guasti e costosi
• travolgente seccatura EMC per tutti quei circuiti chopper e PFC
• aumento della corrosione in caso di perdite

Sicurezza. È molto difficile realizzare interruttori automatici per reti CC ad alta tensione / alta corrente. I fusibili devono essere cinque volte più grandi per l'estinzione sicura dell'arco. Gli switch necessitano di camere di scoppio molto più grandi ed elaborate a causa della capacità della griglia e del comportamento di archi totalmente diverso.

Nel sistema di distribuzione CA, tutti gli alternatori devono essere sincronizzati non solo per frequenza, ma anche per angolo. Ogni volta che aumenta un carico, tenta di rallentare gli alternatori. Ciò non è permesso e il potere deve aumentare. Se un carico è troppo elevato, deve essere scollegato e questo mette a dura prova altri alternatori. In teoria, l'HVDC è più stabile e più tollerante. Il motivo per cui usiamo ac è perché è stato il metodo migliore fino a poco tempo fa. Come menzionato da altri, il passaggio a HVDC è costoso.

Tutte le risposte precedenti coprono le domande del PO, ma ho pensato di aggiungere semplicemente qualcosa detto in precedenza per quanto riguarda le reti DC localizzate a breve termine. La prossima "rivoluzione" nella distribuzione di energia sarà la domanda di risposta ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ) sistemi che forniscono energia localizzata attraverso reti comunitarie alimentate da batteria, energia solare e altre fonti rinnovabili.

Tesla (la compagnia non l'uomo) ci sta mostrando dove sta andando con il suo pacco batteria domestico - immagina il risparmio di bolletta domestica inerente alla possibilità di passare alla batteria durante i periodi di picco del costo dell'energia e caricare le batterie attraverso PV e altri durante l'off-peak .

Metti insieme alcune case per condividere quella capacità in una comunità e quindi potresti anche avere abbastanza risorse per vendere il tuo eccesso ad altri membri / comunità (puoi già venderlo alla rete nel Regno Unito). Forse questo tipo di sottorete potrebbe essere HVDC se tutti i membri della comunità sono partecipanti.

Ci sono diversi motivi per cui la corrente continua ad alta tensione non è ancora pratica, tuttavia sta lentamente tornando indietro in alcune applicazioni di nicchia.

• I trasformatori CA sono una tecnologia molto robusta e comprovata con molti anni di ricerca, miglioramento e ottimizzazione alle spalle e sono molto più economici del DC / AC - Trasformatore ad alta frequenza - Controparte AC / DC e, naturalmente, sono molto più affidabili
• Gli interruttori automatici che vengono utilizzati per interrompere i circuiti sotto carico o in corto circuito sono un grave problema nei sistemi CC, poiché in un sistema CA le correnti devono intrinsecamente passare zero, è molto più facile interrompere le correnti CA, gli interruttori automatici CA sono molto più avanti del Controparti DC in termini di prezzo, capacità di interruzione della corrente, durata e ...
• anche se arriviamo al punto in cui entrambe le tecnologie sono alla pari tra loro, il che è ancora molti anni a quel punto, devi capire che gli operatori di distribuzione AC sono molto riluttanti e cauti nell'applicare le nuove tecnologie

L'uso fuori rete in casa per l'illuminazione e il calcolo è sicuramente più efficiente con DC. L'illuminazione a LED utilizza una frazione della potenza dell'illuminazione a incandescenza e fluorescente. I LED devono usare DC, e per questo motivo ogni luce LED deve avere un convertitore AC / DC che è inefficiente e soggetto a guasti. In effetti, la maggior parte dei guasti delle luci a LED è dovuta ai circuiti di conversione e molto raramente alla sorgente luminosa a LED stessa.

Tutti i computer e l'elettronica utilizzano DC. Funzionano a batteria, o se collegati alla rete CA devono convertire la rete CA in CC richiesta dall'elettronica attraverso circuiti costituiti da ponti raddrizzatori, trasformatori step-down, condensatori, tiristori, ecc.

I filamenti di riscaldamento per i riscaldatori elettrici non si preoccupano se si utilizzano CC o CA poiché è un carico puramente resistivo. Il fan per i riscaldatori dovrebbe essere fan di CC però.

La CA sarebbe necessaria per tutti gli apparecchi o apparecchiature che utilizzano motori e / o compressori CA, ad esempio frigoriferi, HVAC, ventole, pompe, apparecchi plug-in, ecc. Sebbene sempre più utensili elettrici utilizzino batterie ricaricabili CC anziché plug-in e i caricabatterie sono DC.

Poiché la generazione di energia in loco è CC per l'energia solare e può essere CC per gli alternatori meccanici per l'energia eolica e la biomassa, non è efficiente utilizzare gli inverter per convertire l'energia generata in CA solo per convertirla in CC per gli usi sopra citato.

Questo è il sistema ora, ma man mano che le aziende di servizi pubblici continuano ad aumentare le tariffe e l'infrastruttura di trasmissione diventa più inaffidabile, sempre più famiglie cercheranno di utilizzare energia in cc generata localmente fuori rete. Utilizzeranno ancora l'alimentazione CA di rete o gli inverter dallo stack di batterie domestiche per le apparecchiature e gli apparecchi che devono utilizzare CA.

Sebbene l'AC sia ancora la scelta più economica per la trasmissione di energia per la trasmissione via terra a meno di 500 km, la tendenza è verso la generazione e lo stoccaggio di elettricità in loco locale, indipendentemente dalla rete. Le società di servizi pubblici sono già consapevoli di questa tendenza e collaborano con i comuni e i fornitori in loco per il riacquisto, l'integrazione e altro della rete.

AC beneficia di una massa critica di lunga esperienza, fiducia nel settore, un'ampia varietà di prodotti a prezzi normali e assistenza e supporto prontamente disponibili.

I trasformatori CA sono a prova di proiettile. Diciamo che qualcuno vuole una presa da 50 A / 240 V RV sul lato opposto della nostra proprietà a 2000 piedi di distanza. Sono in grado di utilizzare trasformatori comuni per avviare il nostro servizio a 240 V fino a 2400 V, eseguire una linea polare e un altro trasformatore. Economico, affidabile e pronto all'uso. Non dovrai mai preoccuparti del fallimento del trasformatore. E se avesse bisogno di assistenza, il numero di elettricisti nella mia contea rurale che sapranno cosa stanno guardando e possono supportarlo è sicuramente diverso da zero.

HVDC non può rivendicare nulla di tutto ciò.

C'è un vecchio adagio dal mondo dei mainframe degli anni '60 quando abiti come Burroughs e Sperry stavano cercando di rompere il quasi monopolio di IBM: "Nessuno è mai stato licenziato per aver acquistato IBM".

Quale gestore di strutture sta andando fuori di testa su HVDC? Non io oggi, penso. Forse domani. Nessun boom domani.