Pourquoi les systèmes de transmission / distribution d'énergie sont-ils CA et non CC?

Y a-t-il une bonne raison pour laquelle nous ne sommes pas en train de convertir complètement notre système de transmission électrique en courant continu? La principale raison de l'utilisation de l'AC sur le réseau (Tesla, je t'aime pas, homme offensé) était de permettre la transformation vers des tensions plus élevées afin de réduire les pertes de ligne ( ) et si la taille du conducteur reste la même, lorsque est augmenté dans l'équation alors dois nécessairement diminuer, à son tour en diminuant les pertes comme le carré deE E = I R I $P=IE=I^2R$$E$$E=IR$$I$$I$). Mais maintenant, nous avons la capacité de transformer le courant alternatif (sur tous les générateurs thermiques, hydrauliques et éoliens) et le courant continu (sur les générateurs solaires) à n'importe quel niveau de courant continu que nous désirons et transmettons, généralement à des charges résidentielles ou commerciales qui ont tendance à utiliser le courant continu de toute façon. Au besoin, il peut être reconverti en courant alternatif à des charges industrielles (moteurs généralement).

De cette façon, de nombreux transformateurs, condensateurs, problèmes d'espacement, etc. peuvent être éliminés du réseau électrique, ce qui augmente considérablement l'efficacité et, à son tour, réduit les émissions et les coûts.

Est-ce que j'ai râté quelque chose?

Il y a plusieurs raisons. Un: la perte de puissance dans un fil est I ^ 2 * R. Par conséquent, il est préférable de transmettre la puissance à très haute tension et à faible courant. Le courant alternatif est beaucoup plus facilement augmenté à haute tension (aucune électronique n'est nécessaire). Il n'est pas pratique d'augmenter les charges industrielles à l'aide de l'électronique au silicium.

Un autre est la facilité de commutation sous charge. Si vous désactivez une charge connectée au courant continu, l'arc au niveau du commutateur en raison de l'inductance du fil et de l'inductance de charge devient problématique. Cela oblige les commutateurs CC à être plus robustes.

Le bruit de 60 Hz créé par les transformateurs est bien inférieur au bruit de commutation qui serait créé par toute l'électronique nécessaire pour abaisser et augmenter le courant continu, puis le convertir en courant alternatif au point de charge comme vous le proposez.

HVDC est utilisé: Liste des projets HVDC . Les deux technologies dominantes utilisées pour le HVDC (thyristors et IGBT) n'ont été inventées qu'en 1950 et 1968 respectivement. Entre-temps, les pays construisaient des équipements de transmission AC. Pourquoi remplacer quelque chose qui fonctionne quand vous avez déjà dépensé beaucoup d'argent pour construire un réseau? Attendez simplement que le système existant ne soit plus fonctionnel, puis mettez à niveau.

Les données semblent le justifier: la Chine construit un grand nombre de lignes de transmission HVDC parce qu'elles ont de l'argent et n'ont pas vraiment de réseau existant pour interagir / concurrencer. De même, il existe des projets en Europe et dans les Amériques, mais ceux-ci semblent être plus limités aux zones où HVDC brille vraiment (systèmes sous-marins) car il existe des réseaux existants, de sorte que le coût de la mise à niveau n'est pas encore justifié.

De plus, le HVDC n'a pas toujours de sens, notamment lorsque vous avez besoin / souhaitez une transmission multipoint. Cela rend le routage d'un système HVDC plus difficile qu'un système AC.

Mkeith a répondu à la question posée, c'est-à-dire quels sont les principaux inconvénients de la distribution HVDC. Une "contre-réponse" à celle de helloworld922 (la prochaine réponse la plus votée ici actuellement) pointe en direction d'un tas de cas où le HVDC est / a été utilisé. Tous ces ingénieurs ne pouvaient pas être fous, donc je pense qu'il est important d'expliquer ici quand le HVDC a du sens. (Cela aurait été une meilleure question que ce que le PO a demandé, soit dit en passant.)

Pour commencer, il y a des cas où la climatisation serait presque impossible. Cela comprend la connexion de réseaux CA d'alimentation qui fonctionnent de manière asynchrone les uns par rapport aux autres, comme la connexion de systèmes à 50 et 60 Hz; cela se produit au Japon par exemple: le Japon oriental utilise 50Hz et le Japon occidental utilise 60Hz. Il existe en fait quelques autres applications de niche où HVDC est le seul choix raisonnable, mais elles ne sont pas faciles à expliquer aux néophytes en quelques mots. Si vous voulez une liste plus détaillée (avec des exemples réels), Delea et Casazza's Understanding Electrical Power System ont une liste plus longue.

Laissant de côté ces cas de niche, je pense qu'il est important de souligner qu'il y a une optimisation des coûts totauxcela peut (et devrait en fait) être effectué pour décider si AC ou DC devrait être la méthode de transmission pour une ligne électrique. Les deux principaux facteurs sont le coût de la ligne elle-même (câbles, tours le cas échéant, par exemple non sous-marins) et le coût des terminaux. Généralement, les câbles de transmission CC coûtent moins cher que ceux de puissance équivalente pour le CA triphasé. Cela se produit pour une raison facile à expliquer: vous avez besoin de moins de fils pour le courant continu que pour le courant alternatif triphasé, mais l'isolation des fils ca (et cela peut être juste l'entrefer, mais qui se traduit par des coûts de tour) doit résister la valeur de crête AC, alors que vous ne bénéficiez que de la transmission de la "puissance RMS" (plus correctement, la puissance moyenne correspondant à la tension RMS) à AC. D'autre part, l'électronique de puissance de terminaison coûte plus cher pour le HVDC que les transformateurs AC,

Cette optimisation des coûts totaux vous donne en fait la principale application du HVDC aujourd'hui: la transmission de grandes quantités d'énergie sur de longues distances (et par conséquent sans aucun tapotement / interruption). Les valeurs typiques où HVDC est plus économique que AC transmet plus de 500 MW sur plus de 500 km (selon Delea et Casazza). Beaucoup (sinon la plupart) des exemples de la liste Wikipedia (liés dans la réponse de helloworld922) sont de ce type. Cela ne devrait pas être une surprise que de tels exemples proviennent de Chine, du Canada ou d'Australie. En Europe, la plupart des lignes de transmission HVDC moyennes / grandes sont des câbles sous-marins.

Voici à quoi ressemble un exemple d'optimisation synthétique (c'est-à-dire au niveau du manuel plutôt que du monde réel) pour un niveau de puissance prédéterminé, dans lequel seul le coût en fonction de la distance de transmission est tracé; il est extrait de Kim et al. Transmission HVDC , dont le premier chapitre est disponible gratuitement .

Pour une perspective de coût concret, voici quelques valeurs (selon Larruskain et al .) Pour ce qui est proche de la puissance la plus basse pour laquelle les composants des terminaux HVDC sont fabriqués:

• Convertisseur à thyristors, 50 MW, 100kV. La valeur approximative par unité est de: 500 EUR / kW
• Paire de convertisseurs IGBT, 50 MW, +/- 84kV. La valeur approximative par unité est de: 150 EUR / kW
• Transformateur, 50 MVA, 69kV / 138kV. La valeur approximative par unité est de: 7,5 EUR / kVA

Étant donné le rapport de prix 20x-60x entre un redresseur et un transformateur à 50 MW, il est évident que le HVDC ne se réduit pas à des puissances inférieures.

En utilisant des transformateurs à courant alternatif (de cette manière), les onduleurs, les redresseurs, les transformateurs rotatifs, etc. peuvent être éliminés du réseau électrique, ce qui augmente considérablement l'efficacité et, à son tour, réduit les émissions et les coûts.

À Chicago et à New York, le réseau électrique DC a été désactivé dans les années 1990. À Melbourne, en Australie, le réseau électrique CC a été désactivé vers 2005. En fin de compte, la principale ou la seule chose encore connectée au réseau CC était de très anciens ascenseurs dans de vieux bâtiments. À Melbourne, après une défaillance de la ligne de transmission, il était moins coûteux de donner à chaque client DC restant un redresseur et de connecter l'ancien équipement au réseau AC, plutôt que de réparer et de remplacer le réseau de transmission DC.

Bien que la transmission de puissance CA présente de nombreux avantages, la transmission de puissance CC continue d'être utilisée pour l'interconnexion des réseaux HT: pour maintenir la stabilité du réseau sur de longues connexions, et, en particulier dans les câbles souterrains / sous-marins, pour réduire les pertes diélectriques et l'effet de peau.

Oui, vous manquez quelque chose. Avec des transistors modernes et d'autres composants électroniques, nous pouvons augmenter le courant continu jusqu'à un certain point, mais pas facilement, économiquement, ou avec une efficacité raisonnable aux niveaux de puissance MW aux tensions requises sur les principales lignes de transmission.

Les transformateurs sont le seul moyen pratique d'obtenir des centaines de kV à des niveaux de puissance MW, et les transformateurs nécessitent un courant alternatif.

Tout simplement parce que Tesla vs Edison 1880. Par conséquent, 99,9% de notre infrastructure de production et de transport est CA. Passer à DC n'est pas quelque chose qui peut être fait pendant le week-end. Qu'en est-il des appareils électroménagers et des usines équipés de moteurs à induction? DC ne fonctionnera pas là-bas. Ils auront besoin d'une sorte d'alternative développée. Les sous-stations devront être entièrement refaites. L'électronique de puissance HVDC pour gérer tout cela devra être testée et certifiée. Et peut-être plus important encore, tout cela coûte de l'argent. Beaucoup, beaucoup d'argent. Ne cherchez pas à ce que le passage de AC à DC se produise rapidement ou rapidement, si jamais.

C'est juste là dans votre graphique, le point 6: "Terminal multiple / tapotement: difficile".

Le HVDC est déjà parfois utilisé pour les liaisons point à point, mais plus le réseau de distribution électrique est semblable à un réseau et à chemins multiples, moins il est pratique. Dans les pays européens compacts, la longueur moyenne non perturbée d'un segment de réseau est courte, en dessous du seuil de rentabilité économique de ~ 100 km.

Personnellement, je pense que nous sommes plus susceptibles de voir le déploiement de micro-réseaux CC basse tension alimentés par des énergies renouvelables et des bancs de batteries avant de voir une conversion en gros du réseau CA en CC.

Voici ce qui vous manque: vous pensez comme un ingénieur, pas comme un homme d'affaires. Suivez l'argent. Lorsqu'il sera économiquement judicieux de se convertir au DC, y compris tous les coûts de remplacement des infrastructures existantes, etc., cela se produira. Dans les cas où DC a un sens, cela s'est produit et se produit.

Je vous donne une autre bonne raison contre les réseaux DC en plus:

• semi-conducteurs et condensateurs sujets aux pannes et coûteux
• écrasante EMC tracas à tous ces circuits de découpage et PFC
• corrosion accrue en cas de fuite

Sécurité. Il est très difficile de construire des disjoncteurs pour un réseau CC haute tension / courant élevé. Les fusibles doivent être cinq fois plus gros pour éteindre l'arc en toute sécurité. Les commutateurs nécessitent des chambres de soufflage beaucoup plus grandes et élaborées en raison de la capacité de la grille et du comportement d'arc totalement différent.

Dans le système de distribution à courant alternatif, tous les alternateurs doivent être synchronisés non seulement par fréquence, mais également par angle. Chaque fois qu'une charge augmente, elle essaie de ralentir les alternateurs. Ce n'est pas permis et le pouvoir doit augmenter. Si une charge est trop élevée, elle doit être déconnectée, ce qui exerce une pression supplémentaire sur les autres alternateurs. En théorie, le HVDC est plus stable et plus indulgent. La raison pour laquelle nous utilisons ac est parce que c'était la meilleure méthode jusqu'à récemment. Comme mentionné par d'autres, le passage au HVDC est coûteux.

Toutes les réponses précédentes couvrent les questions de l'OP, mais j'ai pensé que je voudrais juste ajouter quelque chose à ce qui a été dit plus tôt concernant les réseaux DC localisés à court terme. La prochaine `` révolution '' dans la distribution d'énergie sera les systèmes de réponse à la demande ( https://en.wikipedia.org/wiki/Demand_response ) qui fournissent une énergie localisée via des réseaux communautaires alimentés par batterie, solaire et autres énergies renouvelables.

Tesla (l'entreprise n'est pas l'homme) nous montre où cela va avec leur batterie domestique - imaginez les économies de facture intérieure inhérentes à la possibilité de passer à la batterie pendant les périodes de coût énergétique de pointe et de charger les batteries via PV et al pendant les heures creuses .

Rassemblez quelques maisons pour partager cette capacité dans une communauté et vous pourriez également avoir suffisamment de ressources pour vendre votre excédent à d'autres membres / communautés (vous pouvez déjà le revendre au réseau au Royaume-Uni). Peut-être que ce type de sous-réseau pourrait être HVDC si tout le monde dans la communauté est un participant.

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles la haute tension CC n'est pas encore pratique, mais elle revient lentement dans certaines applications de niche.

• Les transformateurs AC sont une technologie très robuste et éprouvée avec de nombreuses années de recherche, d'amélioration et d'optimisation derrière eux et sont très moins chers que les homologues AC / DC DC / AC - Transformateur haute fréquence - et bien sûr, ils sont beaucoup plus fiables
• Les disjoncteurs qui sont utilisés pour couper des circuits sous charge ou en court-circuit sont un problème sérieux dans les systèmes à courant continu, car dans un système à courant alternatif, les courants doivent intrinsèquement passer à zéro, il est beaucoup plus facile de couper les courants à courant alternatif, les disjoncteurs à courant alternatif sont bien en avance sur les DC homologues en prix, rupture de courant, durée de vie et ...
• même si nous arrivons au point que les deux technologies sont à égalité, ce qui est encore de nombreuses années à ce point, vous devez comprendre que les opérateurs de distribution AC sont très réticents et prudents à appliquer les nouvelles technologies

L'utilisation hors réseau à la maison pour l'éclairage et l'informatique est certainement plus efficace avec le courant continu. L'éclairage LED utilise une fraction de la puissance de l'éclairage incandescent et fluorescent. Les LED doivent utiliser DC, et pour cette raison, chaque lumière LED doit avoir un convertisseur AC / DC qui est inefficace et susceptible de tomber en panne. En effet, la plupart des pannes des lampes LED sont dues aux circuits de conversion et très rarement à la source lumineuse LED elle-même.

Tous les ordinateurs et appareils électroniques utilisent DC. Ils fonctionnent avec une batterie ou, s'ils sont connectés au secteur, doivent convertir le secteur en courant alternatif en courant continu requis par l'électronique via des circuits composés de ponts redresseurs, de transformateurs abaisseurs, de condensateurs, de thyristors, etc.

Les filaments de chauffage pour les radiateurs électriques ne se soucient pas si vous utilisez DC ou AC car il s'agit d'une charge purement résistive. Le ventilateur des radiateurs devrait cependant être un ventilateur à courant continu.

Le courant alternatif serait nécessaire pour tout appareil ou équipement utilisant des moteurs et / ou compresseurs à courant alternatif, tels que réfrigérateurs, CVC, ventilateurs, pompes, appareils enfichables, etc. et les chargeurs sont CC.

Étant donné que la production d'électricité sur site est CC pour l'énergie solaire et peut être CC pour les alternateurs mécaniques pour l'énergie éolienne et la biomasse, il n'est pas efficace d'avoir à utiliser des onduleurs pour convertir la puissance générée en CA uniquement pour la reconvertir en CC pour les utilisations. précité.

C'est le système actuellement, mais à mesure que les sociétés de services publics continuent d'augmenter les tarifs et que l'infrastructure de transmission devient plus peu fiable, de plus en plus de ménages chercheront à utiliser une alimentation continue en courant continu hors réseau. Ils utiliseront toujours le courant alternatif ou les onduleurs de la pile domestique pour l'équipement et les appareils qui doivent utiliser le courant alternatif.

Alors que le courant alternatif reste le choix le plus économique pour le transport d'électricité pour le transport terrestre de moins de 500 km, la tendance est à la production et au stockage d'électricité sur site, indépendamment du réseau. Les entreprises de services publics sont déjà conscientes de cette tendance et travaillent en partenariat avec les municipalités et les fournisseurs sur site pour le rachat de réseau, l'intégration et autres.

AC bénéficie d'une masse critique de longue expérience, de la confiance de l'industrie, d'une grande variété de produits à des prix raisonnables et d'un service et d'un support facilement disponibles.

Les transformateurs CA sont à l'épreuve des balles. Disons que quelqu'un veut une prise de courant alternatif 50A / 240V RV de l'autre côté de notre propriété à 2000 pieds. Je peux utiliser des transformateurs communs pour lancer notre service 240V jusqu'à 2400V, exécuter une ligne polaire et un autre transformateur. Bon marché, fiable et prêt à l'emploi. Vous n'aurez jamais à vous soucier de la défaillance du transformateur. Et si elle a eu besoin de services, le nombre d'électriciens dans mon comté rural qui sauront ce qu'ils regardent et peuvent le soutenir est certainement non nul.

HVDC ne peut prétendre à rien de tout cela.

Il y a un vieil adage du monde du mainframe des années 1960 lorsque des tenues comme Burroughs et Sperry tentaient de briser le quasi-monopole d'IBM: "Personne n'a jamais été licencié pour avoir acheté IBM."

Quel gestionnaire d'installation va se tendre le cou sur HVDC? Pas moi aujourd'hui, je pense. Peut être demain. Pas de boom demain.