ส่งพลังงานในระยะทางไกล AC หรือ DC ที่ดีกว่าคืออะไร?

ฉันพบคำตอบสำหรับคำถามที่เกี่ยวข้องนี้ ส่วนของคำตอบที่ทำให้ฉันสับสนคือ:

การส่งกำลังไฟ DC ในระยะไกลไม่มีประสิทธิภาพ ดังนั้นการจ่ายไฟ AC จึงมีประสิทธิภาพมากกว่าในการส่งพลังงาน

ตามที่ซีเมนส์มันค่อนข้างตรงข้าม :

เมื่อใดก็ตามที่ต้องส่งกำลังไฟฟ้าในระยะทางไกลการส่งสัญญาณกระแสตรงเป็นทางเลือกที่ประหยัดที่สุดเมื่อเทียบกับ AC แรงดันสูง

นอกจากนี้จากWikipedia

การสูญเสียการส่งกำลังของ HVDC นั้นน้อยกว่า 3% ต่อ 1,000 กม. ซึ่งน้อยกว่า 30% ถึง 40% กับสาย AC ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน

คำตอบที่โพสต์นั้นถูกต้องหรือไม่

- - แก้ไข - -

Chris Hได้ทำการสังเกตที่สำคัญมาก (ดูความคิดเห็นของเขาด้านล่าง): บริบทของโพสต์ที่ฉันพูดถึงคือแรงดันไฟฟ้าต่ำในขณะที่ฉันกำลังมองหาไฟฟ้าแรงสูง แน่นอนฉันเรียนรู้มากมายจากคำตอบและความคิดเห็น ขอบคุณ

การส่ง DC โดยใช้โครงสร้างพื้นฐานเดียวกันนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่า นี่เป็นเพราะผลกระทบหลายประการ:

1. ผลกระทบทางผิวหนังมีประสบการณ์กับ AC ไม่มีผลกระทบกับ DC

2. แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นอนุญาตให้ใช้กับ DC สำหรับสายส่งเดียวกัน เส้นจะต้องทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงสุด สำหรับ AC นั้นสูงกว่า RMS ถึง 1.4 เท่า ด้วย DC, RMS และแรงดันไฟฟ้าสูงสุดเหมือนกัน อย่างไรก็ตามการส่งพลังงานเป็นปัจจุบันคูณ RMS ไม่ใช่แรงดันไฟฟ้าสูงสุด

3. ไม่มีการสูญเสียรังสีด้วย DC สายส่งยาวทำหน้าที่เป็นเสาอากาศและแผ่พลังงานบางส่วน ที่สามารถเกิดขึ้นได้กับ AC เท่านั้น

4. ไม่มีการสูญเสียการเหนี่ยวนำ การเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็กรอบเส้นลวดที่มีกระแส AC ทำให้เกิดแรงดันและกระแสในตัวนำใกล้เคียง ผลก็คือสายส่งไฟฟ้าเป็นหม้อแปลงหลักและตัวนำที่อยู่ใกล้ ๆ จะเป็นอุปกรณ์รอง ด้วยกระแส DC สนามแม่เหล็กจะไม่เปลี่ยนแปลงดังนั้นจึงไม่ถ่ายโอนพลังงาน

ข้อดีอีกอย่างของ DC คือมันไม่จำเป็นต้องซิงโครไนซ์ระหว่างกริด กริด AC สองรายการจำเป็นต้องเชื่อมต่อเฟสเพื่อเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน สิ่งนี้จะยุ่งยากเมื่อระยะทางมีขนาดใหญ่พอที่จะเป็นเศษส่วนที่สำคัญของวงจร

ด้านพลิกคือ AC ง่ายต่อการแปลงระหว่างแรงดันไฟฟ้า การแปลง DC กลับไปที่ AC เพื่อทิ้งลงในกริดท้องถิ่นที่จุดสิ้นสุดการรับไม่ใช่กระบวนการที่ไม่สำคัญ โรงงานขนาดใหญ่ต้องใช้สิ่งนี้ซึ่งหมายถึงค่าใช้จ่ายที่สำคัญ ค่าใช้จ่ายนั้นคุ้มค่าหากระยะทางในการส่งข้อมูลยาวเพียงพอเพื่อให้การประหยัดประสิทธิภาพมีประสิทธิภาพมากกว่าค่าใช้จ่ายของโรงงานแปรรูป DC-AC ตลอดอายุการใช้งาน

นี่คือตัวอย่างของการแปลง DC แรงดันสูงกลับไปที่ AC:

พลังงาน DC จากเขื่อนขนาดใหญ่ในควิเบกเข้าที่มุมขวาบน โรงงานแห่งนี้แปลงที่ไป AC และทิ้งไฟเข้าสู่สายส่ง AC ขนาดใหญ่ระดับภูมิภาคในเย่อร์แมสซาชูเซตที่42.5702N 71.5242W

ค่าใช้จ่ายในการสร้างและดำเนินงานโรงงานนี้คุ้มค่าเนื่องจากการประหยัดพลังงานอย่างมีนัยสำคัญของการส่ง DC แทน AC การซิงโครไนซ์ยังเป็นปัจจัยในการใช้ DC

ฉันทำงานในรูปแบบ HVDC จริง ๆ แล้วย้อนกลับไปในช่วงกลางถึงปลายยุค 90 คำตอบของ Olin Lathrop นั้นถูกต้องเพียงบางส่วน แต่ก็ไม่มากนัก ฉันจะพยายามไม่ตอบคำตอบของเขามากเกินไป แต่ฉันจะอธิบายบางสิ่ง

การสูญเสียสำหรับ AC ส่วนใหญ่ลงมากับการเหนี่ยวนำของสายเคเบิล สิ่งนี้จะสร้างรีแอกแตนซ์สำหรับการส่งกระแสไฟ AC ความเข้าใจผิดที่พบบ่อย (ซ้ำโดยแลง) คือสิ่งนี้เกิดจากการถ่ายโอนอำนาจไปยังสิ่งต่าง ๆ รอบตัว ไม่ใช่ - ขดลวดที่อยู่กึ่งกลางระหว่างที่นี่กับ Magellanic Cloud จะมีปฏิกิริยาที่เหมือนกันอย่างแม่นยำและทำให้เกิดเอฟเฟกต์ไฟฟ้าเดียวกันบนโต๊ะของคุณ ด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่าการเหนี่ยวนำตนเองและการเหนี่ยวนำด้วยตนเองของสายเคเบิลยาวนั้นสำคัญมาก

สายเคเบิลไม่สูญเสียพลังงานสำคัญใด ๆ จากการมีเพศสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำกับงานโลหะอื่น ๆ - นี่เป็นอีกครึ่งหนึ่งของความเข้าใจผิดทั่วไป ประสิทธิผลของการมีเพศสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำคือฟังก์ชั่นของความถี่ AC และระยะห่างระหว่างสายเคเบิล สำหรับการส่งสัญญาณ AC ที่ 50 / 60Hz ความถี่นั้นต่ำมากที่การมีเพศสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำที่ระยะใด ๆ นั้นไม่ได้ผลอย่างเต็มที่ และถ้าคุณไม่ต้องการรับกระแสไฟฟ้าระยะทางเหล่านั้นจะต้องห่างกันหลายเมตร สิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นในระดับที่วัดได้

(แก้ไขเพื่อเพิ่มสิ่งหนึ่งที่ฉันลืม) สำหรับสายเคเบิลที่ใช้ใต้น้ำยังมีความจุสายเคเบิลที่สูงมากเนื่องจากการก่อสร้างของพวกเขา นี่คือแหล่งที่มาที่แตกต่างกันของการสูญเสียปฏิกิริยา แต่มีความสำคัญในลักษณะเดียวกัน สิ่งเหล่านี้อาจเป็นสาเหตุสำคัญของการสูญหายของสายเคเบิลใต้น้ำ

เอฟเฟ็กต์ผิวทำให้เกิดความต้านทานสูงขึ้นสำหรับการส่งกำลังไฟ AC ตามที่แลงกล่าว แม้ว่าในทางปฏิบัติแล้วความจำเป็นในการใช้สายเคเบิลที่ยืดหยุ่นทำให้สิ่งนี้มีปัญหาน้อยลง สายเคเบิลเส้นเดียวหนาพอที่จะรับส่งพลังงานที่สำคัญนั้นโดยทั่วไปแล้วจะยืดหยุ่นและไม่สะดวกที่จะแขวนจากเสาดังนั้นสายเคเบิลส่งกำลังจะประกอบจากชุดสายไฟที่แยกออกจากกันด้วย spacers เราต้องทำสิ่งนี้ไม่ว่าเราจะใช้ DC หรือ AC ผลลัพธ์ของสิ่งนี้คือการวางสายไฟไว้ในโซนเอฟเฟกต์สกินสำหรับชุดรวม เห็นได้ชัดว่ามีวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับเรื่องนี้และจะยังคงมีการสูญเสียบางอย่าง แต่โดยบังเอิญนี้มีความสุขเราสามารถมั่นใจได้ว่าพวกเขาจะต่ำกว่ามาก

แน่นอนว่าสายเคเบิลที่ถูกฝังและใต้น้ำนั้นเป็นสายเคเบิลที่หนาเพียงเส้นเดียวดังนั้นโดยหลักการแล้วพวกเขายังสามารถรับผลกระทบจากการถูกกัดผิวได้ การสร้างสายเคเบิลสำหรับงานหนักโดยทั่วไปจะใช้แกนกลางที่แข็งแรงซึ่งให้ความสมบูรณ์ของโครงสร้างสำหรับสายเคเบิลโดยมีขั้วต่ออื่น ๆ พันอยู่บนแกนนั้น อีกครั้งเราสามารถใช้สิ่งนั้นเพื่อประโยชน์ของเราในการลดเอฟเฟกต์ผิวใน AC และแม้กระทั่งสายเคเบิล HVDC จะถูกสร้างขึ้นในลักษณะเดียวกัน

ชัยชนะครั้งใหญ่ในระบบส่งกำลังแม้ว่าจะกำจัดการสูญเสียปฏิกิริยา

ดังที่แลงกล่าวว่ายังมีปัญหาในการเข้าร่วมสองกริดพลังงานด้วยกันเพราะพวกเขาจะไม่เหมือนกันทั้งความถี่และเฟส การใช้ตัวกรองอย่างชาญฉลาดในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ช่วยให้สามารถเชื่อมต่อกับโครงข่ายได้ แต่การออกแบบสิ่งเหล่านี้เป็นงานศิลปะที่มีความสำคัญเทียบเท่ากับวิทยาศาสตร์ เมื่อคุณส่งพลังงานของคุณใน DC แล้วคุณสามารถสร้าง AC ใหม่ด้วยความถี่และเฟสเดียวกันกับกริดปลายทางและหลีกเลี่ยงปัญหา

ไม่เพียงแค่นั้น แต่มันมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแปลงจาก AC เป็น DC และกลับไปที่ AC อีกครั้งแทนที่จะพยายามใช้ตัวกรองเพื่อชดเชยเฟสและความถี่ กริดวันนี้จะเข้าร่วมโดยทั่วไปกับแผนการกลับไปกลับ สิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นลิงก์ครึ่งหนึ่งของลิงก์ HVDC ซึ่งอยู่ติดกันโดยมีบัสบาร์ขนาดใหญ่ระหว่างทั้งสองแทนที่จะเป็นสายเคเบิลกิโลเมตร

พวกเขากำลังพูดคุยเกี่ยวกับความซับซ้อนและต้นทุน ( $ $ $ $ $ )

ผู้คนที่พูดว่า "DC มีประสิทธิภาพน้อยลง" กำลังใช้คำว่า "ประสิทธิภาพ" เพื่อพูดคุยเกี่ยวกับปัจจัยการออกแบบเช่นความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์การแปลงและยิ่งค่าใช้จ่ายมากขึ้น

หากเรามีเครื่องซานตาคลอสที่สามารถแปลง DC / DC คอนเวอร์เตอร์เป็นหม้อแปลงที่มีราคาถูกและเชื่อถือได้เหมือนกับหม้อแปลงที่เทียบเคียงกันได้ DC ก็ชนะ (บนผิวหนังโดยเฉพาะ) อย่างไรก็ตามในโลกแห่งการปฏิบัติเมื่อรองเท้าของคุณถูกผูกเชือกและถุงมือของผู้กำกับเส้นก็เปิดอยู่คุณจะพบกับอีกไม่กี่ข้อ

• ใน AC ความเร็วของแสงสร้างปัญหาการวางขั้นตอนเมื่อโหลดไปมาโดยเฉพาะปัญหารถไฟไฟฟ้าซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมพวกเขาถึงชอบความถี่ต่ำพิเศษเช่น 25 Hz หรือ 16-2 / 3 Hz ปัญหานี้จะหายไปด้วยดีซี
• คุณไม่สามารถเพิ่มกระแส กระแสไฟฟ้าถูก จำกัด ด้วยการให้ความร้อนด้วยลวดและการทำความร้อนด้วยลวดจะขึ้นอยู่กับ RMS ของ AC
• ฐานติดตั้งส่วนใหญ่ของเสาส่งสัญญาณและการกระจายนั้นสร้างขึ้นสำหรับ 3 เฟส "เดลต้า" ดังนั้นจึงมี 3 ตัวนำ เป็นการยากที่จะใช้ทั้ง 3 สายใน DC อย่างมีประสิทธิภาพดังนั้นDC จะลดความสามารถที่มีประสิทธิภาพของสายเหล่านี้อย่างมีนัยสำคัญโดยการสูญเสียสายไฟ เท่าไหร่ DC ทำหน้าที่เหมือนกับ AC เฟสเดียวและ 3 สาย 3 เฟสถือ sqrt (3) (1.732) เท่า อุ๊ยตาย
• คุณสามารถเพิ่มแรงดันได้ดี สาย AC มีฉนวนสำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด [peak = RMS * sqrt (2)] ดังนั้นคุณสามารถตั้งค่าแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้สูงขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม ...
• เมื่อไฟฟ้ากระแสตรงชนอาร์คมันเป็นเรื่องยากมากที่จะดับไฟได้เพราะมันไม่เคยหยุดนิ่ง (ต่างจาก AC ที่ซึ่งการข้ามศูนย์ทุกครั้งทำให้อาร์คมีโอกาสดับ) นี่อาจเป็นแอดเดรสที่มีการตรวจจับความผิดอาร์ค สาย AC มีตัวรับสัญญาณที่จะเชื่อมต่อใหม่อัตโนมัติหลังจากการเดินทาง DC recloser สามารถลองใหม่อีกครั้งในเวลาไม่กี่มิลลิวินาทีโดยทำซ้ำผลของการข้ามศูนย์ AC

สิ่งอื่นที่มีความเท่าเทียมกันในการส่งสัญญาณกระแสตรงนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าการส่งผ่านกระแสสลับที่แรงดันเล็กน้อยเดียวกันเนื่องจากการกำจัดการสูญเสียปฏิกิริยา

อย่างไรก็ตามสิ่งอื่นนั้นไม่เท่ากัน

1. ที่แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่กำหนดนั้นมีแนวโน้มที่จะโค้งรับได้มากกว่า AC
2. เมื่อไม่นานมานี้เราได้พัฒนาความสามารถในการแปลงระหว่างแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงด้วยต้นทุนและประสิทธิภาพที่เหมาะสม ที่ระดับพลังงานสูงนั้นยังคงมีราคาแพงและมีประสิทธิภาพน้อยกว่าหม้อแปลง

ผลลัพธ์ก็คือระบบ DC มักจะทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าระบบ AC และนี่คือสิ่งที่ทำให้ DC มีชื่อเสียงในด้านประสิทธิภาพ

แรงดันไฟฟ้ามีผลอย่างมากต่อต้นทุนและ / หรือประสิทธิภาพในการส่ง หากคุณลดแรงดันลงครึ่งหนึ่งเพื่อรักษาระดับการสูญเสียความต้านทานในระดับเดิมคุณจะต้องเพิ่มขนาดตัวนำเป็นสี่เท่า อีกทางเลือกหนึ่งคือคุณมีการสูญเสียสี่ครั้งสำหรับตัวนำขนาดเดียวกัน

ข้อยกเว้นสำหรับเรื่องนี้คือพลังงานที่สูงมากสำหรับการส่งกำลังชี้ในระยะทางไกล, สายเคเบิลใต้ทะเลหรือระหว่างกริดที่ไม่ซิงโครไนซ์ ในกรณีเหล่านี้ค่าใช้จ่ายและอันตรายที่เกี่ยวข้องกับการแปลง AC ที่ใช้ในกริดเป็นไฟฟ้ากระแสสลับแรงดันสูงกลายเป็นธรรมมากขึ้น