ถ้าเราสามารถเริ่มต้นระบบไฟฟ้าของเราจากศูนย์ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันซึ่งจะเป็นตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด? AC หรือ DC

เมื่อเร็ว ๆ นี้ฉันได้อ่านเกี่ยวกับข้อดีหลายประการของระบบส่งกำลัง HVDC สำหรับการส่งสัญญาณทางไกลลิงค์ใต้ทะเลและอื่น ๆ เหตุผลทางประวัติศาสตร์ของสาเหตุที่ AC ถูกเลือกเหนือ DC นั้นส่วนใหญ่เกิดจากการคิดค้นของหม้อแปลงไฟฟ้าซึ่งอนุญาตให้ปรับแต่งแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับได้ง่ายทำให้การส่งแรงดันไฟฟ้าสูงในระยะทางไกลทำได้ง่าย

อย่างไรก็ตามหลังจากการประดิษฐ์วาล์วปรอทไทริสเตอร์ IGBTs และส่วนประกอบเหล่านี้ทั้งหมดที่ทำให้การส่งสัญญาณกระแสตรงเป็นไปได้ฉันคิดว่าถ้าเรามีเครือข่าย DC ล้วนๆเราสามารถกำจัดวงจรเรียงกระแส AC / DC ทั้งหมดที่เราพบ เครื่องใช้ไฟฟ้าของเรา สิ่งนี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้อย่างมากและประหยัดเงินเป็นจำนวนมากในทรัพยากร

ถ้าเรามีโอกาสที่จะเริ่มต้นใหม่เป็นระบบการส่ง DC-based อาจจะดีขึ้น¹ทางเลือกหรือ AC ยังคงมาอยู่ด้านบน?

^{1: มีดีกว่าที่ผมหมายถึงพลังงานที่มีประสิทธิภาพ}

ประวัติความเป็นมา

คำแนะนำที่อยู่เบื้องหลังหัวข้อนี้ไม่สอดคล้องกับสิ่งที่วิศวกรไฟฟ้าจำนวนมากได้รับการสอนมาตั้งแต่หลักสูตรแรกของพวกเขา - AC นั้นดีกว่าสำหรับการส่งพลังงาน ท้ายที่สุดแล้วใน "สงครามแห่งกระแส" ในช่วงปลายยุค 1800 มันคือเทสลาที่ช่วยให้เวสติ้งเฮาส์ต่อสู้เพื่อ AC ในที่สุดก็เอาชนะความฝันของเอดิสันในอาณาจักรดีซีได้

ข้อได้เปรียบหลักของการใช้ AC กับ DC ในเวลานี้คือประสิทธิภาพ มันกลายเป็นเรื่องง่ายมากขึ้นที่จะแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับหนึ่งไปเป็นอีกแรงดันไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบกับราคาความยากลำบากและความไร้ประสิทธิภาพของการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงหนึ่งไปเป็นอีกค่าหนึ่งในเวลานั้น ตามกฎข้อแรกของจูลปริมาณของพลังงานที่สูญเสียไปเมื่อความร้อนในสายส่งเป็นสัดส่วนกับกำลังสองปัจจุบัน เมื่อพิจารณาว่าสายส่งนั้นมีความต้านทานคงที่ที่ทราบกันดี (โดยทั่วไป) จากนั้นสำหรับการส่งกำลังที่เท่ากันจำนวนมากจะสูญเสียไปในการส่งผ่านแรงดันต่ำและกระแสสูงมากกว่าการส่งแรงดันสูงและกระแสต่ำ ตามที่ระบุไว้มันเป็นไปไม่ได้เลยที่จะแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้อยู่ในระดับสูงพอที่จะสูญเสียสายเมื่อเทียบกับความง่ายในการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ

ในฐานะที่เป็นบันทึกด้านข้างหลายแห่งไม่เคยเปลี่ยนจากระบบส่งกำลังแบบ DC ไปเป็นแบบ AC จนกระทั่งถึงกลางศตวรรษที่ 20

คุณสามารถอ่านทั้งหมดเกี่ยวกับประวัติความเป็นมาที่นี่

เข้าสู่การออกแบบไฟฟ้าที่ทันสมัย

นี่ไม่ใช่การบอกว่า AC ไม่มีปัญหาของตัวเอง เอฟเฟ็กต์ผิวเป็นตัวอย่างหนึ่งของ AC ที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า DC แต่ก็ยังไม่ชดเชยผลขาดทุนที่กล่าวมาข้างต้น อีกประเด็นหนึ่งคือการปล่อยโคโรนาที่เกิดขึ้นที่ระดับแรงดันไฟฟ้าส่งสูง ในระยะไกลไฟ AC ยังมีปัญหาด้านความมั่นคง นี้บทความ IEEEเว็บไซต์ระยะทางที่แตกต่างกันไม่กี่สังเกตว่าปฏิกิริยาบรรทัดสามารถได้รับการชดเชยในระยะทางได้ถึง 600-700 ไมล์

ด้วยการใช้งานที่ทันสมัยของวาล์วอาร์คปรอท, ไทริสเตอร์และ IGBTs และวิธีการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่มีประสิทธิภาพการส่ง HVDCไม่เพียงเป็นไปได้ แต่ยังเอาชนะปัญหามากมายที่ต้องเผชิญกับการส่งสัญญาณ HVAC ระยะทางในการส่งโดยรวมนั้นยิ่งใหญ่กว่ามาก นอกจากนี้ค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับ HVDC น้อยกว่า HVAC เมื่อข้ามเกณฑ์ระยะทางแล้ว ส่วนต่างของค่าใช้จ่ายนี้จะกล่าวถึงในรายละเอียดในบทความนี้ซึ่งรวมถึงการแยกย่อยของค่าใช้จ่ายของสถานีไฟฟ้าย่อยเช่นกัน ค่าใช้จ่ายนอกจากนี้ยังมีการกล่าวถึงในการเชื่อมโยงการให้บริการโดยเจคในคำตอบของเขา

ความจริงก็คือโครงสร้างพื้นฐานไฟฟ้าปัจจุบันขึ้นอยู่กับการส่งกระแสไฟ AC เทคโนโลยีที่ทันสมัยส่วนใหญ่ต้องการพลังงานประเภทนี้เพื่อการทำงานที่เหมาะสมและไม่เคยใช้ AC ฉันสงสัยว่าเราจะมี "ความก้าวหน้า" ทางเทคนิคมากมายที่เรารู้จักและชื่นชอบ ในทางทฤษฎีการใช้ HVDC เพียงอย่างเดียวสามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่เพื่อชดเชยความแตกต่างของค่าใช้จ่ายระบบไฮบริด HVAC / HVDC เป็นทางออกที่ดีที่สุดอย่างน้อยในช่วงเวลานี้ในการพัฒนามนุษย์

ด้วยค่าใช้จ่ายของทองแดงและโลหะมีประโยชน์อื่น ๆ ที่เพิ่มขึ้นและปัญหาสิ่งแวดล้อมด้วยน้ำมันฉนวนที่ใช้ในพวกเขาหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังสูงกำลังมีราคาแพงมากเมื่อเทียบกับสถานะของแข็ง ไม่เพียง แต่ค่าใช้จ่ายของขดลวดเท่านั้น แต่ยังมีตัวเรือนโลหะขนาดใหญ่และค่าขนส่งและค่าติดตั้งที่เกี่ยวข้องกับหม้อแปลงขนาดใหญ่เช่นนั้น

การเปลี่ยนไปใช้ระบบส่งกำลังกระแสตรงแรงดันสูงอาจจะเป็นการล้างในแง่ของประสิทธิภาพ แต่อาจมีค่าใช้จ่ายที่ต่ำกว่าถ้าเราไม่ได้มีโครงสร้างพื้นฐานปัจจุบันอยู่ หม้อแปลงจะยังคงมีความต้องการ แต่แทนที่จะเป็นหม้อแปลงไฟฟ้ากำลังความถี่ต่ำเราจะทำการเชื่อมต่อตัวแปลง DC-DC เซมิคอนดักเตอร์กับหม้อแปลงไฟฟ้าความถี่สูงซึ่งอาจมีขนาดเล็กกว่ามาก