Mengapa sistem transmisi / distribusi daya AC dan bukan DC?

Apakah ada alasan bagus mengapa kita tidak dalam proses mengubah sistem transmisi listrik kita menjadi DC? Alasan utama untuk menggunakan AC pada grid (jangan tersinggung Tesla, aku cinta kamu laki-laki) adalah untuk memungkinkan transformasi ke tegangan yang lebih tinggi untuk menjatuhkan kerugian saluran ( ) dan jika ukuran konduktor tetap sama, ketika meningkat dalam persamaan maka harus selalu menurun, pada gilirannya mengurangi kerugian sebagai kuadrat$P=IE=I^2R$$E$$E=IR$$I$$I$). Tetapi sekarang kita memiliki kemampuan untuk mengubah AC (pada semua generator termal, hidro dan angin) dan DC (pada generator surya) ke setiap tingkat DC yang kita inginkan dan kirimkan, biasanya ke beban perumahan atau komersial yang cenderung menggunakan DC pula. Jika perlu, dapat dikonversi kembali ke AC pada beban industri (biasanya motor).

Dengan cara ini banyak transformer, kapasitor, masalah jarak, dll. Dapat dihilangkan dari jaringan listrik, meningkatkan efisiensi secara dramatis, dan pada gilirannya mengurangi emisi dan biaya.

Apakah saya melewatkan sesuatu di sini?

Ada beberapa alasan. Satu: kehilangan daya dalam kawat adalah I ^ 2 * R. Oleh karena itu lebih baik untuk mengirimkan daya pada tegangan sangat tinggi dan arus rendah. AC jauh lebih mudah dinaikkan ke tegangan tinggi (tidak diperlukan elektronik). Untuk meningkatkan beban industri menggunakan elektronik silikon tidak praktis.

Lain adalah kemudahan beralih di bawah beban. Jika Anda mematikan beban yang terhubung ke DC, busur pada sakelar karena induktansi kawat dan induktansi beban menjadi bermasalah. Ini memaksa DC untuk lebih kuat.

60 Hz noise yang dibuat oleh transformer jauh lebih sedikit daripada noise switching yang akan dibuat oleh semua elektronik yang diperlukan untuk melawan dan meningkatkan DC dan kemudian mengubahnya menjadi AC pada titik beban saat Anda usulkan.

HVDC digunakan: Daftar proyek HVDC . Dua teknologi dominan yang digunakan untuk HVDC (thyristor dan IGBT) tidak ditemukan sampai tahun 1950 dan 1968. Sementara itu, negara membangun peralatan transmisi AC. Mengapa mengganti sesuatu yang berfungsi ketika Anda sudah menghabiskan banyak uang untuk membangun grid? Tunggu saja sampai sistem yang ada tidak bisa lagi berfungsi, dan tingkatkan kemudian.

Data tampaknya membenarkan ini: Cina sedang membangun sejumlah besar saluran transmisi HVDC karena mereka punya uang, dan tidak benar-benar memiliki jaringan yang ada untuk berinteraksi / bersaing. Demikian pula, ada proyek di Eropa dan Amerika, tetapi ini tampaknya lebih terbatas pada daerah-daerah di mana HVDC benar-benar bersinar (sistem bawah air) karena ada jaringan yang ada sehingga biaya peningkatan belum dibenarkan.

Juga, HVDC tidak selalu masuk akal, terutama ketika Anda membutuhkan / menginginkan transmisi multi-point. Ini membuat rute sistem HVDC lebih sulit daripada sistem AC.

Mkeith telah menjawab pertanyaan yang diajukan, yaitu apa kerugian utama dari distribusi HVDC. "Jawaban balik" untuk itu oleh helloworld922 (jawaban paling banyak dipilih berikutnya di sini saat ini) menunjuk ke arah sekelompok kasus di mana HVDC digunakan / digunakan. Semua insinyur ini tidak mungkin gila, jadi saya pikir penting untuk benar-benar menjelaskan di sini ketika HVDC masuk akal. (Omong-omong, itu akan menjadi pertanyaan yang lebih baik daripada yang ditanyakan OP.)

Untuk memulai, ada beberapa kasus di mana AC akan hampir tidak mungkin. Ini termasuk menghubungkan kisi-kisi daya AC yang beroperasi secara tidak sinkron dengan satu sama lain, seperti menghubungkan sistem 50 dan 60 Hz; itu terjadi di Jepang misalnya: Jepang Timur menggunakan 50Hz dan Jepang Barat menggunakan 60Hz. Sebenarnya ada beberapa aplikasi niche di mana HVDC adalah satu-satunya pilihan yang masuk akal, tetapi mereka tidak mudah untuk dijelaskan kepada orang baru dalam beberapa kata. Jika Anda ingin daftar yang lebih rinci (dengan contoh dunia nyata), Sistem Daya Listrik Memahami Delea dan Casazza memiliki daftar yang lebih panjang.

Mengesampingkan kasus-kasus khusus seperti itu, saya pikir penting untuk menekankan bahwa ada optimasi biaya totalyang dapat (dan sebenarnya harus) dilakukan ketika memutuskan apakah AC atau DC harus menjadi metode transmisi untuk saluran listrik. Dua faktor utama adalah biaya saluran itu sendiri (kabel, menara jika berlaku, misalnya bukan di bawah laut) dan biaya terminal. Secara umum, kabel transmisi DC harganya lebih murah dibandingkan dengan daya yang setara untuk AC tiga fase. Ini terjadi karena alasan yang mudah untuk dijelaskan: Anda membutuhkan lebih sedikit kabel untuk DC daripada AC tiga fase, tetapi isolasi untuk kabel AC (dan ini mungkin hanya celah udara, tetapi yang diterjemahkan ke dalam biaya menara) perlu bertahan nilai puncak AC, sementara Anda hanya mendapat manfaat dari transmisi "daya RMS" (lebih tepatnya, daya rata-rata yang sesuai dengan tegangan RMS) di AC. Di sisi lain, terminasi daya elektronik lebih mahal untuk HVDC daripada transformator AC,

Optimalisasi total biaya ini sebenarnya memberi Anda aplikasi utama HVDC hari ini: mentransmisikan daya dalam jumlah besar dalam jarak jauh (dan artinya tanpa menyadap / mengganggu). Nilai-nilai khas di mana HVDC lebih ekonomis daripada AC mentransmisikan lebih dari 500MW lebih dari 500 km (menurut Delea dan Casazza). Banyak (jika tidak sebagian besar) contoh dari daftar Wikipedia (ditautkan dalam jawaban helloworld922) dari jenis ini. Seharusnya tidak mengejutkan daripada contoh-contoh tersebut dari Cina, Kanada atau Australia. Di Eropa, sebagian besar saluran transmisi HVDC menengah / besar adalah kabel bawah laut.

Di bawah ini adalah contoh optimisasi sintetik (yang berarti tingkat buku daripada dunia nyata) seperti tingkat daya yang ditentukan sebelumnya, sehingga hanya jarak biaya vs transmisi yang diplot; ini dikutip dari Kim et al. Transmisi HVDC , bab pertama yang tersedia secara bebas .

Untuk perspektif biaya konkret, berikut adalah beberapa nilai (menurut Larruskain et al .) Untuk apa yang dekat dengan daya terendah untuk komponen terminal HVDC yang dibuat:

• Konverter thyristor, 50 MW, 100kV. Perkiraan nilai per unit adalah: 500 EUR / kW
• Pasangan konverter IGBT, 50 MW, +/- 84kV. Perkiraan nilai per unit adalah: 150 EUR / kW
• Transformer, 50 MVA, 69kV / 138kV. Perkiraan nilai per unit adalah: 7,5 EUR / kVA

Mengingat rasio harga 20x-60x antara penyearah dan transformator pada 50 MW, jelas mengapa HVDC tidak menurunkan ke kekuatan yang lebih rendah.

Dengan menggunakan transformator AC (dengan cara ini), inverter, rectifier, rotary transformer dll. Dapat dihilangkan dari jaringan listrik, meningkatkan efisiensi secara dramatis, dan pada gilirannya mengurangi emisi dan biaya.

Di Chicago dan New York, jaringan listrik DC dimatikan pada 1990-an. Di Melbourne, Australia, jaringan listrik DC dimatikan sekitar tahun 2005. Pada akhirnya, hal utama atau satu-satunya yang masih terhubung ke jaringan DC adalah elevator yang sangat tua di gedung-gedung tua. Di Melbourne, setelah kegagalan saluran transmisi, lebih murah untuk memberikan masing-masing pelanggan DC penyearah, dan menghubungkan peralatan lama ke jaringan AC, daripada memperbaiki dan mengganti jaringan transmisi DC.

Meskipun transmisi daya AC memiliki banyak keuntungan, transmisi daya DC terus digunakan untuk menghubungkan jaringan HV: untuk menjaga stabilitas jaringan pada koneksi yang panjang, dan, khususnya pada kabel bawah tanah / bawah laut, untuk mengurangi kehilangan dielektrik dan efek kulit.

Ya, Anda melewatkan sesuatu. Dengan transistor modern dan komponen elektronik lainnya, kita dapat mendorong DC ke suatu titik, tetapi tidak mudah, ekonomis, atau dengan efisiensi yang dapat diraih pada tingkat daya MW dengan voltase yang diperlukan pada saluran transmisi utama.

Transformer adalah satu-satunya cara praktis untuk mendapatkan 100 kV pada level daya MW, dan transformer memerlukan AC.

Hanya karena Tesla vs. Edison 1880-an. Akibatnya, 99,9% dari pembangkit dan infrastruktur transmisi kami adalah AC. Mengubah ke DC bukanlah sesuatu yang bisa dilakukan selama akhir pekan. Bagaimana dengan peralatan dan pabrik semua orang dengan motor induksi? DC tidak akan bekerja di sana. Mereka akan membutuhkan semacam alternatif yang dikembangkan. Gardu harus sepenuhnya dibangun kembali. Elektronik daya HVDC untuk menangani semua ini perlu diuji dan disertifikasi. Dan mungkin yang paling penting, ini semua membutuhkan uang. Banyak dan banyak uang. Jangan mencari pergantian dari AC ke DC untuk terjadi segera atau cepat, jika pernah.

Itu ada di sana di bagan Anda, item 6: "Beberapa terminal / ketukan: Sulit".

HVDC kadang-kadang digunakan untuk sambungan point-to-point, tetapi semakin banyak grid-like dan multipath sistem distribusi listrik, semakin tidak nyaman. Di negara-negara Eropa yang kompak, panjang rata-rata yang tidak terganggu dari segmen grid pendek, di bawah titik impas ekonomi ~ 100km.

Secara pribadi saya pikir kita lebih cenderung melihat penyebaran microgrid DC tegangan rendah yang diumpankan oleh energi terbarukan dan bank baterai sebelum kita melihat konversi grosir jaringan AC ke DC.

Inilah yang Anda lewatkan: Anda berpikir seperti seorang insinyur, bukan orang bisnis. Ikuti uangnya. Ketika masuk akal secara ekonomi untuk beralih ke DC, termasuk semua biaya penggantian infrastruktur yang ada, dll., Itu akan terjadi. Dalam kasus di mana DC masuk akal, itu telah terjadi dan sedang terjadi.

Saya memberi Anda alasan bagus lain terhadap jaringan DC selain:

• semikonduktor dan kapasitor yang mudah rusak dan mahal
• kerumitan EMC luar biasa di semua helikopter dan sirkuit PFC
• korosi meningkat ketika kebocoran terjadi

Keamanan. Sangat sulit untuk membangun pemutus sirkuit untuk jaringan DC tegangan tinggi / arus tinggi. Sekering harus lima kali lebih besar untuk pendinginan busur yang aman. Switch membutuhkan ruang ledakan yang jauh lebih besar dan rumit karena kapasitansi kisi-kisi dan perilaku lengkung yang sama sekali berbeda.

Dalam sistem distribusi ac, semua alternator harus disinkronkan tidak hanya oleh frekuensi, tetapi juga oleh sudut. Setiap kali beban bertambah, ia mencoba memperlambat alternator. Itu tidak diizinkan, dan kekuasaan harus meningkat. Jika beban terlalu tinggi, itu harus diputuskan, dan ini menambah ketegangan pada alternator lainnya. Secara teori, HVDC lebih stabil dan lebih pemaaf. Alasan kami menggunakan ac adalah karena itu adalah metode yang lebih baik hingga saat ini. Seperti yang disebutkan oleh orang lain, beralih ke HVDC mahal.

Semua jawaban sebelumnya mencakup pertanyaan OP tetapi saya pikir saya hanya akan menambahkan sesuatu yang dikatakan sebelumnya mengenai jaringan DC jangka pendek yang terlokalisasi. 'Revolusi' berikutnya dalam distribusi daya adalah Demand Response ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ) sistem yang menyediakan daya lokal melalui jaringan komunitas yang dipicu oleh baterai, matahari, dan energi terbarukan lainnya.

Tesla (perusahaan bukan laki-laki) menunjukkan kepada kita ke mana ini akan pergi dengan paket baterai domestik mereka - bayangkan penghematan tagihan domestik yang melekat dalam kemampuan untuk beralih ke baterai selama masa biaya energi puncak dan pengisian baterai melalui PV dkk selama off-peak .

Dapatkan beberapa rumah bersama untuk membagikan kapasitas itu dalam suatu komunitas dan kemudian Anda juga mungkin memiliki sumber daya yang cukup untuk menjual kelebihan Anda kepada anggota / komunitas lain (Anda sudah dapat menjualnya kembali ke jaringan di Inggris). Mungkin tipe sub-grid ini bisa berupa HVDC jika semua orang di komunitas adalah peserta.

Ada beberapa alasan mengapa DC tegangan tinggi belum praktis, namun perlahan merangkak kembali di beberapa aplikasi niche.

• AC transformer adalah teknologi yang sangat kuat dan terbukti dengan penelitian bertahun-tahun, perbaikan dan optimalisasi di belakang mereka dan sangat lebih murah daripada DC / AC - Tranformer frekuensi tinggi - AC / DC, dan tentu saja mereka jauh lebih andal
• Pemutus sirkuit yang digunakan untuk memutuskan sirkuit di bawah beban atau korsleting adalah masalah serius dalam sistem DC, karena dalam sistem arus ac secara inheren harus melewati nol, jauh lebih mudah untuk memutus arus AC, pemutus sirkuit AC jauh di depan Rekan DC dalam harga, melanggar kemampuan saat ini, kehidupan dan ...
• bahkan jika kita sampai pada titik bahwa kedua teknologi setara satu sama lain yang masih bertahun-tahun sampai saat itu, Anda harus mengerti bahwa operator distribusi AC sangat enggan dan berhati-hati dalam menerapkan teknologi baru

Penggunaan di luar jaringan di rumah untuk penerangan dan komputasi tentunya lebih efisien dengan dc. Pencahayaan LED menggunakan sebagian kecil dari kekuatan pencahayaan pijar dan neon. LED harus menggunakan DC, dan untuk alasan ini setiap lampu LED harus memiliki konverter AC ke DC yang tidak efisien dan rentan terhadap kegagalan. Memang sebagian besar kegagalan lampu LED adalah karena sirkuit konversi dan sangat jarang ke sumber cahaya LED itu sendiri.

Semua komputer dan elektronik menggunakan DC. Mereka bekerja dengan baterai, atau jika terhubung ke listrik AC harus mengubah listrik AC ke DC yang dibutuhkan oleh elektronik melalui sirkuit yang terdiri dari jembatan penyearah, transformator step-down, kapasitor, thyristor, dll.

Filamen pemanas untuk pemanas listrik tidak peduli jika Anda menggunakan DC atau AC karena ini adalah beban resistif murni. Kipas untuk pemanas harus penggemar dc.

AC akan diperlukan untuk setiap peralatan atau peralatan yang menggunakan motor AC dan / atau kompresor yaitu lemari es, HVAC, kipas, pompa, peralatan plug-in, dll. Meskipun semakin banyak alat-alat listrik menggunakan paket baterai DC yang dapat diisi ulang daripada plug-in , dan pengisi daya adalah DC.

Karena pembangkit listrik di lokasi adalah DC untuk tenaga surya dan dapat menjadi DC untuk alternator mekanik untuk energi angin dan biomassa, tidaklah efisien harus menggunakan inverter untuk mengubah daya yang dihasilkan menjadi AC hanya untuk mengubahnya kembali ke DC untuk penggunaan. dikutip di atas.

Ini adalah sistem sekarang, tetapi karena perusahaan utilitas terus meningkatkan tarif dan infrastruktur transmisi menjadi lebih tidak dapat diandalkan, semakin banyak rumah tangga akan berusaha untuk menggunakan daya dc off-grid yang dihasilkan secara lokal. Mereka masih akan menggunakan daya AC utilitas atau inverter dari tumpukan baterai rumah untuk peralatan dan peralatan yang harus menggunakan AC.

Sementara AC masih menjadi pilihan yang lebih ekonomis untuk transmisi daya untuk transmisi darat lebih dari 500 km, trennya mengarah pada pembangkitan dan penyimpanan listrik lokal di lokasi, terlepas dari jaringan listrik. Perusahaan utilitas sudah mengetahui tren ini dan bermitra dengan kota dan penyedia situs untuk pembelian kembali jaringan, integrasi, dan lainnya.

AC mendapat manfaat dari masa kritis yang panjang, kepercayaan industri, beragam produk dengan harga yang wajar, dan layanan serta dukungan yang tersedia.

AC transformer anti peluru. Katakanlah seseorang menginginkan wadah RV 50A / 240V di sisi jauh dari properti kami yang berjarak 2000 kaki. Saya dapat menggunakan transformer umum untuk menendang layanan 240V kami hingga 2400V, menjalankan garis tiang, dan transformator lain. Murah, dapat diandalkan, dan siap digunakan. Tidak perlu khawatir tentang kegagalan transformator, selamanya. Dan jika memang membutuhkan servis, jumlah listrik di daerah pedesaan saya yang akan tahu apa yang mereka lihat dan dapat mendukungnya jelas bukan nol.

HVDC tidak dapat mengklaim semua itu.

Ada pepatah lama dari dunia mainframe 1960-an ketika pakaian seperti Burroughs dan Sperry berusaha untuk menghancurkan monopoli dekat IBM: "Tidak ada yang pernah dipecat karena membeli IBM."

Manajer fasilitas apa yang akan mempertahankan HVDC? Bukan saya hari ini, saya pikir. Mungkin besok. Jangan booming besok.