Stromnetze: Wechselstrom gegen Gleichstrom

Wir wissen, dass wir jetzt hauptsächlich aus historischen Gründen 50/60 Hz in unseren Wänden haben - vor 100 Jahren gab es keine Möglichkeit, die Gleichspannung zu erhöhen / zu verringern.

Heutzutage haben wir nur aufgrund dessen Probleme - jedes verkaufte Gerät muss eine Obergrenze von ~ 1 uF pro 1 W Leistung haben, bevor das Netzteil genug Strom hat, wenn wir 0 durchlaufen. (Dieses Problem besteht bei dreiphasiger Stromversorgung nicht, aber Es ist hauptsächlich für industrielle Anwendungen erhältlich. Nur AFAIK) + Kappen müssen eine höhere Nennspannung haben, um Sinusspitzen + all dieses PFC-Durcheinander zu überstehen.

Ist das richtig zu sagen, dass wir, wenn wir ein modernes Stromnetz entwerfen würden, Wechselstrom überspringen und überall Gleichstrom haben würden? Meines Erachtens würde dies die Zuverlässigkeit erheblich erhöhen und die Kosten vieler Geräte senken.

Guy Allee von Intel Research hat letztes Jahr über dieses Thema geschrieben - DC - Eine Idee, deren Zeit gekommen und gegangen ist? - zur Unterstützung eines 380-VDC-Netzes mit folgenden Aufzählungspunkten:

• 7% Energieeinsparung gegenüber hocheffizientem 415 VAC; 28% gegenüber dem aktuellen typischen 208VAC
• 15% weniger Kapitalkosten
• 15% weniger Netzteilkomponenten
• 33% Platzersparnis im Rechenzentrum
• 200% Zuverlässigkeitsverbesserung, die auf 1000% steigt, wenn Sie den Batteriebus direkt anschließen
• Beseitigung von Oberschwingungen und von Natur aus immun gegen andere Probleme mit der Netzqualität
• Natürliche Affinität zur alternativen Energieerzeugung (Photovoltaik und Wind betragen intern ~ 400 VDC, und Sie verlieren tatsächlich Energie und Effizienz, wenn Sie gezwungen sind, auf Wechselstrom umzusteigen).

Er fügte in den Kommentaren hinzu:

Wir haben ganz bewusst 380 VDC gewählt, weil Sie eine so hohe Spannung erreichen möchten, wie Sie es sich aus Effizienzgründen leisten können. Gleichzeitig zielt dieser Standard nur auf Niederspannungsanwendungen (<600 V) ab. Wir wären höher gegangen, aber es gibt strukturelle Kostenbarrieren bei 400 VDC und 420 VDC. Bei 380 VDC bleiben wir bei den gleichen Nennwerten der von AC verwendeten Volumenteile und erhalten die Volumenkostenvorteile des Huckepack-Vorgangs für den Großteil der aktuellen Volumina der AC-Stromversorgungskomponenten. Ich bin sicher, Sie können auch die erheblichen Kostenaddierer schätzen, die +/- 340 VDC für die persönliche Sicherheitsausrüstung haben, weshalb der Standard eine kostengünstige +/- 190 VDC-Verteilung ermöglicht. Somit haben wir den höchsten Effizienz- und dennoch kostengünstigen Standard. Und mit der Affinität zwischen anderen Branchen, PV, Wind, Elektrofahrzeugen und Beleuchtung,

Er erwähnt auch die Idee einer gemischten Verteilung von Wechselstrom und Gleichstrom innerhalb eines Gebäudes (z. B. Rechenzentren). Weitere Informationen zu dieser Initiative finden Sie auf der Website der EMerge Alliance: http://www.emergealliance.org .

Sicherheit. HGÜ durch die Steckdose zu haben, ist nicht klug. Wenn Sie ein Hochstromgerät vom Stromnetz trennen, ohne es vorher auszuschalten, wird ein großer Lichtbogen erzeugt

Kurze Antwort:

Nein.

Lange Antwort:

Der Vorteil von Wechselstrom zur Verteilung der Leistung über eine Entfernung liegt in der einfachen Änderung der Spannungen mithilfe eines Transformators. Die Umwandlung von Gleichstrom von einer Spannung in eine andere erfordert einen großen rotierenden Wandler oder Motor-Generator-Satz, der schwierig, teuer, ineffizient und wartungsbedürftig ist, während bei Wechselstrom die Spannung mit einfachen und effizienten Transformatoren ohne bewegliche Teile geändert werden kann und erfordern sehr wenig Wartung.

Vorgeschlagene Literatur:

Krieg der Strömungen

Du könntest Recht haben. AC hatte in der Vergangenheit einmal einen großen Vorteil gegenüber DC. Da jedoch die Kosten für DC-DC-Wandler gesunken sind, ist der relative Vorteil von Wechselstrom gesunken und in einigen Fällen überschritten. Wenn wir heute ein neues Stromübertragungssystem entwerfen würden, könnte Gleichstrom überall die Gesamtsystemkosten senken.

Für eine gleichwertige Leistung, Stromstärke und Zuverlässigkeit benötigt Gleichstrom etwas stärkere Teile für Leistungsschalter, Sicherungen und Blitzableiter. Wechselstrom erfordert jedoch etwas teurere Übertragungsleitungen und eine bessere Koordination der Stromerzeuger, um einen Kaskadenausfall zu vermeiden.

Obwohl (aus historischen Gründen) Wechselstromgeräte gegenüber Gleichstromgeräten Vorteile in der Massenproduktion haben, haben die Entwickler vieler neuerer Fernstromübertragungssysteme offenbar entschieden, dass die Verwendung von Hochspannungs-Gleichstrom (typischerweise 200.000 VDC) geringer ist Nettosystemkosten als bei Verwendung von Wechselstrom.

Obwohl (aus historischen Gründen) viele Flugzeuge und das Space Shuttle 400 Hz 120 VAC verwenden, sahen frühe Pläne für die internationale Raumstation vor, eine Verteilungsleistung von 20.000 Hz 440 VAC (!) Zu verwenden, bis sich die Programmprioritäten änderten und die Ingenieure wechselten bis 120 VDC. ( Mukund R. Patel, S. 543)

Die Mitarbeiter von Google ( a , b ) haben Desktop- und Serverherstellern vorgeschlagen, dass die Nettokosten sinken könnten, wenn wir auf "Nur-12-V-Netzteile" umstellen, die die Netzstromversorgung auf 12 VDC umwandeln, und das Computer-Motherboard nur 12 VDC benötigt Dies entspricht der von ihm benötigten Spannungssammlung (wie bei den meisten Laptops) und nicht der aktuellen ATX-Stromversorgungskonfiguration mit einem dicken Kabelbündel und einer bunten Auswahl an Spannungen.

Lee Felsenstein und Douglas Adams sind noch weiter gegangen und haben jemanden gebeten, ein Standard-12-VDC-Verteilungssystem zu entwickeln. ( c , d )

Es gibt noch einen weiteren Punkt, den ich hinzufügen möchte, warum wir meiner Meinung nach AC nicht überspringen können. Lange Spuren, insbesondere Kabel, werden in Gleichstrom besser ausgeführt (aufgrund der Induktivität / Kapazität, deren Handhabung auf größeren Entfernungen teuer ist).

Die große Sache ist, dass HGÜ-Leitungen Punkt zu Punkt sind. Ein vermaschtes Gleichstromnetz ist eine ganz andere Geschichte. Wenn an einem Punkt des Gitters ein Fehler auftritt, z. B. wenn ein Baum auf die Linie fällt, ist das gesamte Maschennetz ausgefallen (die Spannung fällt auf nahe Null ab und die Konverter müssen abschalten).
Bei Wechselstrom wird die Impedanz hauptsächlich durch die Induktivität beeinflusst, daher haben wir eine viel größere Impedanz als bei Gleichstrom, wo die Impedanz den kleinen Widerstand aufweist. Wenn ein Baum in eine Wechselstromleitung fällt, ist die Spannung an diesem Punkt Null. Der hohe Fehlerstrom und die hohe Impedanz erzeugen jedoch eine große Spannung. Nur diese Leitung ist ausgefallen, die anderen (wenn auch nicht sehr nahe) haben (fast) ihre normale Spannung. In DC ist die Impedanz sehr klein, so dass die Spannung im gesamten vermaschten Gitter auf nahe Null abfällt und nicht nur eine Leitung, sondern das gesamte Netz ausgefallen ist. Sie sollten auch wissen, dass das Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und -verbrauch in Wechselstrom über die Frequenz erfolgt. In DC erfolgt dies über Spannung. Dies sollte deutlich machen, dass ein so großes Problem mit der Spannung überhaupt nicht gut ist.
Wenn jemand mit geringer Spannung eine signifikante Leistung über dieses Netz transportieren oder die Spannung erhöhen möchte, werden sehr, sehr große Ströme benötigt, die so groß sind, dass die Leitungen einfach schmelzen. Daher schalten sich die Konverter aus (Blackout) und warten, bis die Leitung repariert und bereit ist.

Kurze Antwort: Nicht so schnell Länger: Festkörperkonverter sind ziemlich gut. Langstreckenübertragung hat viele Vorteile. Kurzstrecken profitieren wahrscheinlich immer noch von Transformatoren.

Zusätzliche Informationen: Es gibt einige Gleichstromleitungen auf der Welt. Nehmen wir zum Beispiel die HGÜ-Leitung in Itaipu , die nach wie vor zu den wichtigsten HGÜ-Anlagen der Welt gehört. Es ist eine 6300 MW-Linie mit einer Länge von 780 km.