Stromnetze: AC vs. DC

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 den folgenden Aufzählungspunkten:

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

Er fügte in den Kommentaren hinzu:

Wir haben uns ganz bewusst für 380 VDC entschieden, weil Sie eine so hohe Spannung erreichen möchten, wie Sie sich für die Effizienz leisten können. Gleichzeitig zielt dieser Standard nur auf Niederspannungsanwendungen (<600 V). Wir wären noch höher gegangen, aber es gibt strukturelle Kostenbarrieren bei 400 VDC und 420 VDC. Bei 380 VDC bleiben wir bei den gleichen Stückzahlwerten wie bei AC und erhalten die Volumenkostenvorteile des Huckepacks auf den Großteil der aktuellen Stückzahlen der AC-Netzteilkomponenten. Ich bin sicher, dass Sie auch die erheblichen Kostenzuschläge zu schätzen wissen, die +/-340 VDC für die persönliche Sicherheitsausrüstung haben, weshalb der Standard eine kostengünstige +/-190 VDC-Verteilung ermöglicht. Damit haben wir den höchsteffizienten und dennoch kostengünstigen Standard. Und mit der Affinität zu anderen Branchen, PV, Wind, Elektrofahrzeuge und Beleuchtung, scheint die Volumenökonomie überzeugend.

Er erwähnt auch die Idee einer gemischten Verteilung von AC und DC 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 führen ist nicht schlau. Wenn Sie ein Hochstromgerät ausstecken, ohne es vorher auszuschalten, wird ein großer Lichtbogen gezogen

Kurze Antwort:

Nein.

Lange Antwort:

Der Vorteil von Wechselstrom für die Verteilung von Energie über eine Entfernung liegt in der Leichtigkeit, die Spannungen mit einem Transformator zu ändern. Die Umwandlung von Gleichstrom von einer Spannung in eine andere erfordert einen großen rotierenden Umrichter oder einen Motor-Generator-Satz, der schwierig, teuer, ineffizient und wartungsbedürftig ist, während bei Wechselstrom die Spannung mit einfachen und effizienten Transformatoren geändert werden kann, die keine beweglichen Teile haben und benötigen nur sehr wenig Wartung.

Vorgeschlagene Literatur:

Krieg der Strömungen

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

Für gleichwertige Leistungs- und Strompegel und Zuverlässigkeit erfordert DC etwas stärkere Teile für Leistungsschalter und Sicherungen und Überspannungsableiter; AC erfordert jedoch etwas teurere Übertragungsleitungen und eine bessere Koordination der Stromgeneratoren, um Kaskadenausfälle zu vermeiden.

Obwohl (aus historischen Gründen) AC-Geräte in der Massenproduktion Vorteile gegenüber DC-Geräten haben, haben die Designer vieler neuerer Langstrecken- Energieübertragungssysteme offenbar entschieden, dass die Verwendung von Hochspannungs-DC (typischerweise 200.000 VDC) niedriger ist Nettosystemkosten als bei AC.

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

Leute bei Google ( a , b ) haben den Herstellern von Desktops und Servern vorgeschlagen, dass die Nettokosten sinken könnten, wenn wir auf „nur 12-V-Versorgungen“ umsteigen, die den Wechselstrom in 12 VDC umwandeln, und dann benötigt das Computer-Motherboard nur 12 VDC , die es auf die von ihm benötigte Spannungssammlung herunterregelt (wie die meisten Laptops), und nicht auf die aktuelle ATX-Netzteilkonfiguration, die ein dickes Bündel von Drähten mit einer bunten Auswahl an Spannungen hat.

Lee Felsenstein und Douglas Adams sind noch weiter gegangen und haben darum gebeten, dass jemand ein standardmäßiges 12-VDC-Verteilungssystem entwickelt. ( c , d )

Es gibt noch einen weiteren Punkt, den ich gerne hinzufügen möchte, warum wir AC meiner Meinung nach nicht überspringen können. Lange Strecken, insbesondere Kabel, werden besser in Gleichstrom ausgeführt (wegen der Induktivität/Kapazität, die bei größeren Entfernungen teuer zu handhaben sind).

Die große Sache ist, dass HGÜ-Leitungen Punkt zu Punkt sind. Ein Meshed-DC-Netz ist eine ganz andere Geschichte. Wenn an irgendeiner Stelle des Netzes ein Fehler auftritt, zB ein Baum auf die Leitung fällt, fällt das gesamte vermaschte Netz aus (die Spannung fällt auf nahe Null und die Umrichter 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 dem kleinen Widerstand entspricht. Wenn ein Baum in eine Wechselstromleitung fällt, ist die Spannung an diesem Punkt Null. Aber der hohe Fehlerstrom und die hohe Impedanz erzeugen eine große Spannung. Also nur diese Leitung ist raus, die anderen (wenn auch nicht ganz in der Nähe) haben (fast) ihre normale Spannung. Bei Gleichstrom ist die Impedanz sehr klein, sodass die Spannung im gesamten vermaschten Netz auf nahezu Null abfällt und nicht nur eine Leitung, sondern das gesamte Netz ausgefallen ist. Außerdem sollten Sie wissen, dass der Ausgleich von Stromerzeugung und -verbrauch bei Wechselstrom über die Frequenz erfolgt. Bei 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 nennenswerte Leistung über dieses Netz übertragen oder die Spannung erhöhen will, sind sehr sehr große Ströme erforderlich, so groß, dass die Leitungen einfach schmelzen würden. Deshalb schalten die Umrichter ab (Blackout) und warten, bis die Leitung repariert und bereit ist.

Kurze Antwort: Nicht so schnell Länger: Solid-State-Wandler sind ziemlich gut. Langstreckenübertragung hat viele Vorteile. Die Kurzstrecke profitiert wahrscheinlich immer noch von Transformatoren.

Zusatzinfo: Es gibt einige Gleichstromleitungen auf der Welt. Nehmen Sie zum Beispiel die HGÜ-Leitung in Itaipu , sie gehört nach wie vor zu den wichtigsten HGÜ-Installationen der Welt. Es ist eine 6300-MW-Leitung mit 780 km Länge.