¿Por qué los sistemas de transmisión / distribución de energía son AC y no DC?

Hay varias razones. Uno: la pérdida de potencia en un cable es I ^ 2 * R. Por lo tanto, es mejor transmitir potencia a muy alto voltaje y baja corriente. La CA es mucho más fácil de aumentar a alto voltaje (no se necesitan componentes electrónicos). No es práctico aumentar las cargas industriales utilizando electrónica de silicio.

Otra es la facilidad de conmutación bajo carga. Si apaga una carga conectada a CC, el arco en el interruptor debido a la inductancia del cable y la inductancia de la carga se vuelve problemático. Esto hace que los interruptores de CC sean más robustos.

El ruido de 60 Hz creado por los transformadores es mucho menor que el ruido de conmutación que crearían todos los componentes electrónicos necesarios para compensar y aumentar la CC y luego convertirlo a CA en el punto de carga que usted proponga.

se utiliza HVDC: Lista de proyectos HVDC . Las dos tecnologías dominantes utilizadas para HVDC (tiristores e IGBT) no se inventaron hasta 1950 y 1968 respectivamente. Mientras tanto, los países estaban construyendo equipos de transmisión de CA. ¿Por qué reemplazar algo que funciona cuando ya has gastado mucho dinero en la construcción de una cuadrícula? Solo espere hasta que el sistema existente ya no sea viable, y actualice.

Los datos parecen justificar esto: China está construyendo una gran cantidad de líneas de transmisión HVDC porque tienen dinero y realmente no tienen ninguna red existente para interactuar / competir. De manera similar, hay proyectos en Europa y América, pero estos parecen estar más limitados a las áreas donde HVDC realmente brilla (sistemas subacuáticos) porque existen redes existentes, por lo que el costo de la actualización aún no está justificado.

Además, HVDC no siempre tiene sentido, especialmente cuando se necesita / quiere una transmisión multipunto. Esto hace que enrutar un sistema HVDC sea más difícil que un sistema de CA.

Mkeith ha respondido la pregunta según lo que se ha preguntado, es decir, cuáles son las principales desventajas de la distribución de HVDC. Una "contra-respuesta" a la pregunta de helloworld922 (la siguiente respuesta más votada aquí actualmente) apunta en la dirección de un grupo de casos en los que se usa / utiliza HVDC. Todos estos ingenieros no podrían haber estado locos, así que creo que es importante explicar aquí cuando HVDC tiene sentido. (Por cierto, esa habría sido una pregunta mejor que la que el OP hizo).

Para empezar, hay algunos casos en los que la CA sería casi inviable. Esto incluye la conexión de redes de alimentación de CA que funcionan de forma asíncrona entre sí, como la conexión de sistemas de 50 y 60 Hz; sucede en Japón, por ejemplo: Japón oriental usa 50Hz y Japón occidental usa 60Hz. En realidad, hay algunas aplicaciones de nicho más donde HVDC es la única opción razonable, pero no son fáciles de explicar a los neófitos en pocas palabras. Si desea una lista más detallada (con ejemplos del mundo real), Entendiendo el sistema de energía eléctrica de Delea y Casazza tiene una lista más larga.

Dejando de lado estos casos de nicho, creo que es importante enfatizar que hay una optimización de costo total que puede (y de hecho debería) realizarse cuando se decide si AC o DC deben ser el método de transmisión. para una línea eléctrica. Los dos factores principales son el costo de la línea en sí (cables, torres si corresponde, por ejemplo, no submarinos) y el costo de los terminales. En general, los cables de transmisión de CC cuestan menos que los de potencia equivalente para la CA trifásica. Esto sucede por una razón que es fácil de explicar: necesita menos cables para CC que CA trifásico, pero el aislamiento para los cables de CA (y esto puede ser solo el espacio de aire, pero eso se traduce en costos de la torre) debe soportar el valor de CA máximo, mientras que solo se beneficia de la transmisión de "potencia RMS" (más correctamente, la potencia promedio correspondiente a la tensión RMS) a CA. Por otro lado, la electrónica de potencia de terminación cuesta más para HVDC que los transformadores de CA, pero no es fácil de resumir por qué sucede esto, ya que las dos tecnologías de terminación son diferentes.

Esta optimización de costo total en realidad le brinda la aplicación principal de HVDC en la actualidad: transmitir grandes cantidades de energía a largas distancias (y por ese significado sin interceptar / interrumpir). Los valores típicos en los que HVDC es más económico que la CA están transmitiendo más de 500MW a lo largo de más de 500km (según Delea y Casazza). Muchos (si no la mayoría) de los ejemplos de la lista de Wikipedia (vinculados en la respuesta de helloworld922) son de este tipo. No debería ser una sorpresa que estos ejemplos sean de China, Canadá o Australia. En Europa, la mayoría de las líneas de transmisión HVDC medianas / grandes son cables submarinos.

A continuación se muestra cómo se ve un ejemplo de optimización sintético (es decir, a nivel de libro de texto en lugar de real) para un nivel de potencia predeterminado, por lo que solo se traza el costo frente a la distancia de transmisión; se ha extraído de Kim et al. Transmisión HVDC , el primer capítulo del cual está disponible gratuitamente .

Paraunaperspectivadecostosconcreta,aquíhayalgunosvalores(deacuerdocon Larruskain et al. .) para lo que está cerca de la potencia más baja para la cual están hechos los componentes del terminal HVDC:

• Convertidor de tiristor, 50 MW, 100kV. El valor aproximado por unidad es de: 500 EUR / kW
• Par de convertidores IGBT, 50 MW, +/- 84kV. El valor aproximado por unidad es de: 150 EUR / kW
• Transformador, 50 MVA, 69kV / 138kV. El valor aproximado por unidad es de: 7.5 EUR / kVA

Dada la relación de precio 20x-60x entre un rectificador y un transformador a 50 MW, es obvio por qué HVDC no se reduce a potencias más bajas.

Al usar transformadores de CA (de esta forma), los inversores, rectificadores, transformadores rotativos, etc. pueden eliminarse de la red eléctrica, lo que aumenta la eficiencia de manera espectacular y, a su vez, reduce las emisiones y los costos.

En Chicago y Nueva York, la red eléctrica de CC se apagó en la década de 1990. En Melbourne, Australia, la red eléctrica de CC se apagó alrededor de 2005. Al final, lo principal o lo único que aún estaba conectado a la red de CC era el de los ascensores muy antiguos en edificios antiguos. En Melbourne, después de una falla en la línea de transmisión, era más barato dar un rectificador a cada cliente de CC restante y conectar el equipo antiguo a la red de CA, en lugar de reparar y reemplazar la red de transmisión de CC.

Aunque la transmisión de energía de CA tiene muchas ventajas, la transmisión de energía de CC se sigue utilizando para interconectar redes de alta tensión: para mantener la estabilidad de la red en conexiones largas y, particularmente en cables subterráneos / submarinos, para reducir la pérdida dieléctrica y el efecto de la piel.

Sí, te estás perdiendo algo. Con los transistores modernos y otros componentes electrónicos, podemos aumentar la CC a un punto, pero no fácilmente, económicamente o con una eficiencia razonable en los niveles de potencia de MW a los voltajes requeridos en las principales líneas de transmisión.

Los transformadores son la única forma práctica de obtener cientos de kV a niveles de potencia de MW, y los transformadores requieren CA.

Simplemente porque Tesla contra Edison 1880. Como resultado, el 99.9% de nuestra infraestructura de generación y transmisión es AC. Cambiar a DC no es algo que se pueda hacer durante el fin de semana. ¿Qué pasa con los aparatos y fábricas de todas las personas con motores de inducción? DC no funcionará allí. Necesitarán algún tipo de alternativa desarrollada. Las subestaciones deberán ser completamente rehechas. La electrónica de potencia HVDC para manejar todo esto deberá ser probada y certificada. Y quizás lo más importante, todo esto cuesta dinero. Montones y montones de dinero. No busque que el cambio de CA a CC suceda pronto o rápidamente, si es que lo hace.

Está justo ahí en tu cuadro, elemento 6: "Varios terminales / pulsación: difícil".

HVDC ya se usa ocasionalmente para los enlaces punto a punto, pero cuanto más similar a una red y el sistema de distribución eléctrica es el sistema de distribución eléctrica, menos conveniente es. En los países europeos compactos, la longitud media sin interrupciones de un segmento de la red es corta, por debajo del punto de equilibrio económico de ~ 100 km.

Personalmente, creo que es más probable que veamos el despliegue de microgrids de CC de bajo voltaje alimentados por fuentes renovables y bancos de baterías antes de ver una conversión mayorista de la red de CA a CC.     

Esto es lo que te falta: piensas como un ingeniero, no como una persona de negocios. Sigue el dinero. Cuando tenga sentido desde el punto de vista económico convertirse a DC, incluidos todos los costos de reemplazar la infraestructura existente, etc., sucederá. En los casos en que DC tiene sentido, ha ocurrido y está sucediendo.

También te doy otra buena razón contra las redes de DC:

• Semiconductores y condensadores propensos a fallas y costosos
• problemas abrumadores de EMC en todos esos circuitos de interruptores y PFC
• mayor corrosión cuando se produce una fuga

Seguridad. Es muy difícil construir interruptores de circuito para redes de CC de alto voltaje / alta corriente. Los fusibles tienen que ser cinco veces más grandes para apagar de forma segura el arco. Los interruptores necesitan cámaras de explosión mucho más grandes y elaboradas debido a la capacitancia de la red y al comportamiento de arco totalmente diferente.

En el sistema de distribución de CA, todos los alternadores deben sincronizarse no solo por la frecuencia, sino también por el ángulo. Cada vez que aumenta una carga, intenta ralentizar los alternadores. Eso no está permitido, y el poder tiene que aumentar. Si la carga es demasiado alta, debe desconectarse y esto supone una presión adicional para otros alternadores. En teoría, HVDC es más estable y más tolerante. La razón por la que usamos CA es porque fue el mejor método hasta hace poco. Como lo mencionaron otros, cambiar a HVDC es costoso.

Todas las respuestas anteriores cubren las preguntas del OP, pero pensé que simplemente agregaría algo a lo dicho anteriormente con respecto a las redes DC localizadas y de corto plazo. La próxima 'revolución' en la distribución de energía será la demanda de sistemas ( enlace ) que proporcionan energía localizada a través de redes comunitarias alimentadas por batería. , renovables solares y otras.

Tesla (la compañía, no el hombre) nos muestra a dónde va con su paquete de baterías domésticas: imagine los ahorros en las facturas domésticas inherentes a la posibilidad de cambiar a la batería durante los tiempos pico de energía y de cargar las baterías a través de PV et al fuera de las horas pico.

Reúna algunas casas para compartir esa capacidad en una comunidad y entonces también podría tener recursos suficientes para vender su exceso a otros miembros / comunidades (ya puede volver a venderlo a la red en el Reino Unido). Tal vez este tipo de sub-red podría ser HVDC si todos los miembros de la comunidad son participantes.

Hay varias razones por las que la CC de alto voltaje no es práctica todavía, sin embargo, está volviendo lentamente en algunas aplicaciones de nicho.

• Los transformadores de CA son una tecnología muy robusta y probada con muchos años de investigación, mejora y optimización a sus espaldas y son muy más baratos que los DC / AC - Transformador de alta frecuencia - Contraparte de AC / DC, y por supuesto son mucho más confiables
• Los interruptores automáticos que se utilizan para interrumpir circuitos bajo carga o cortocircuito son un problema serio en los sistemas de CC, ya que en un sistema de corriente alterna las corrientes deben pasar a cero, es mucho más fácil romper las corrientes de CA, los interruptores de circuito de CA son una manera por delante de las contrapartes de DC en precio, rompiendo la capacidad actual, la vida y ...
• aunque lleguemos al punto de que ambas tecnologías están a la par, lo cual es todavía un período de muchos años, hay que entender que los operadores de distribución de CA son muy reacios y cautos en la aplicación de nuevas tecnologías.

El uso fuera de la red en el hogar para iluminación y computación es seguramente más eficiente con dc. La iluminación LED utiliza una fracción de la potencia de la iluminación incandescente y fluorescente. El LED debe usar CC, y por esta razón, cada luz LED debe tener un convertidor de CA a CC que sea ineficiente y propenso a fallar. De hecho, la mayoría de los fallos de las luces LED se deben a los circuitos de conversión y, muy raramente, a la fuente de luz LED en sí.

Todas las computadoras y aparatos electrónicos usan DC. Funcionan con una batería o, si están conectados a la red eléctrica de CA, deben convertir la red de CA a la CC que requieren los componentes electrónicos a través de circuitos que consisten en puentes rectificadores, transformadores reductores, capacitores, tiristores, etc.

A los filamentos de calefacción para calentadores eléctricos no les importa si usa CC o CA, ya que es una carga puramente resistiva. Sin embargo, el ventilador para los calentadores tendría que ser ventiladores de CC.

se necesitaría CA para cualquier aparato o equipo que use motores y / o compresores de CA, es decir, refrigeradores, HVAC, ventiladores, bombas, aparatos enchufables, etc. Aunque cada vez más herramientas eléctricas utilizan baterías de CC recargables en lugar de plug-in, y los cargadores son DC.

Dado que la generación de energía en el sitio es DC para energía solar y DC para alternadores mecánicos para energía eólica y biomasa, no es eficiente tener que usar inversores para convertir la energía generada en AC solo para volver a convertirla a DC para usos citados anteriormente.

Este es el sistema ahora, pero a medida que las empresas de servicios públicos siguen aumentando las tarifas y la infraestructura de transmisión se vuelve más poco confiable, cada vez más hogares intentarán utilizar la energía de CC generada localmente fuera de la red. Seguirán utilizando la energía de CA de la red pública o los inversores de la pila de baterías doméstica para los equipos y dispositivos que deben usar CA.

Aunque AC sigue siendo la opción más económica para la transmisión de energía para la transmisión terrestre a menos de 500 km, la tendencia es hacia la generación y el almacenamiento local de electricidad, independientemente de la red. Las empresas de servicios públicos ya están al tanto de esta tendencia y se asocian con los municipios y los proveedores en el sitio para la recompra de la red, la integración y otros.

AC se beneficia de una masa crítica de larga experiencia, confianza de la industria, una amplia variedad de productos a precios razonables y servicio y soporte disponibles.

Los transformadores de CA son a prueba de balas. Digamos que alguien quiere un receptáculo de 50A / 240V RV en el lado opuesto de nuestra propiedad a 2000 pies de distancia. Puedo usar transformadores comunes para impulsar nuestro servicio de 240 V hasta 2400 V, ejecutar una línea de polos y otro transformador. Barato, confiable y listo para usar. No tendrá que preocuparse por el fallo del transformador, nunca. Y si necesitaba servicio, la cantidad de electricistas en mi condado rural que sabrán lo que están viendo y que pueden admitirlo es definitivamente distinta a cero.

HVDC no puede reclamar nada de eso.

Hay un viejo adagio del mundo del mainframe de la década de 1960 en que equipos como Burroughs y Sperry intentaban romper el casi monopolio de IBM: "Nadie fue despedido por comprar IBM".

¿Qué administrador de la instalación se va a atorar en HVDC? No soy yo hoy, creo. Quizas mañana. No hay boom mañana.