Изменения в генерации и использовании электроэнергии Усилить дело для распределения электроэнергии по постоянному току
Растущее обязательство максимально эффективно использовать энергию в сочетании с необходимостью создания электричества из более широкого спектра источников энергии, включая возобновляемые источники энергии, вызывает растущий интерес к распределению мощности постоянного тока на большие расстояния и внутри зданий.
Распределение AC против DC: конфликт и сосуществование
Победа Никола Теслы над Томасом Эдисоном в аргументах, которые привели к тому, что мировые энергосистемы приняли высоковольтное распределение переменного тока, может быть недолговечной: примерно через 130 лет технологический маятник может откидываться назад в пользу высоковольтного постоянного тока (HVDC).
Как обстояло дело в конце 1880-х годов, распределение мощности переменного тока считалось лучшим экономическим и практическим предложением, несмотря на некоторые недостатки. Передача электроэнергии на большие расстояния происходит при высоких напряжениях, чтобы минимизировать потери I2R, и в то время, когда требуемый шаг был легче достигнут с использованием трансформаторов с переменным током, чем с вращающимися машинами, необходимыми для генерации высоких напряжений постоянного тока. Даже в то время подходящие трансформаторы были также меньше, дешевле и надежнее.
Приход выпрямителей на основе ртути в начале 20-го века, а затем высоковольтные, сильноточные твердотельные тиристоры и последние модули IGBT (рис. 1), генерация больших напряжений постоянного тока стала проще, благодаря чему были достигнуты преимущества HVDC распространение более доступно и привлекательно.
Рисунок 1: Современные силовые полупроводники, такие как высоковольтные модули с высоким током IGBT, повышают экономичность и надежность передачи HVDC. Изображение предоставлено Infineon
HVDC может преодолеть некоторые из недостатков, возникающих при распределении мощности при высоких напряжениях переменного тока. Расстояние и мощность передачи HVDC не ограничены индуктивными и емкостными эффектами, такими как зарядные токи. Кроме того, все поперечное сечение кабеля может использоваться для поддержки тока, так как нет скин-эффекта. Кроме того, мощность переменного тока не позволяет передавать мощность между сетями, работающими на разных частотах, или когда сети не могут быть синхронизированы. Кроме того, опасения по поводу нестабильности или неподходящих потоков мощности могут препятствовать созданию новых соединений.
Сегодня HVDC жив и здоров во многих дистрибуционных проектах по всему миру, таких как междугородные связи, такие как «Каприви Линк» в Намибии и связь «Три ущелья-Гуандун» в Китае, каждая из которых превышает 900 километров, а также различные трансграничные и крестообразные -Ссылки по всей Европе, Новой Зеландии, островам Японии и в других местах. Соединения HVDC с обратной связью также широко устанавливаются как стабильное и удобное средство совместного использования мощности между сетями переменного тока.
HVDC в сетях завтрашнего дня
Распределение HVDC может стать еще более распространенным, поскольку изменения в политике энергоменеджмента, связанные с окружающей средой, приводят к прогрессу в распределенной энергетике, обеспечивающей гибридную инфраструктуру, которая включает в себя разнообразные типы сеток, известные в совокупности как Smart Grid.
Выработка электроэнергии движется от централизованной модели, основанной на небольшом количестве крупных электростанций на ископаемом топливе, чтобы включать в себя множество источников, таких как энергия, создаваемая ветром или солнечными фермами. Необработанный выход из ветряной турбины имеет неустойчивое напряжение и частоту и поэтому обычно преобразуется в постоянный ток, чтобы облегчить стабилизацию, прежде чем переконвертироваться к требуемой частоте и напряжению переменного тока для подачи в сетку. Аналогично, выход постоянного тока PV-массива должен быть преобразован в переменный ток с правильным напряжением и частотой, прежде чем он может быть помещен в сетку.
С увеличением зависимости от источников энергии, не содержащих ископаемых видов топлива, производство становится все более распространенным, поскольку солнечные и ветровые фермы устанавливаются в естественно выгодных местах, а небольшие местные ветровые или солнечные генераторы - микрогенераторы - разрешены в коммерческих или жилых помещениях. Они не обязательно должны быть подключены к сетке, хотя иногда предлагаются щедрые тарифы на питание, чтобы побудить владельцев продавать неиспользованные мощности своей коммунальной компании.
Поскольку производство электроэнергии движется к более распределенной модели с частными микрогенераторами, независимо от того, подключена ли она к основной сетке или иным образом, появляется концепция микроградуса (рисунок 2). Микросхема объединяет локализованные группы источников энергии и нагрузки, которые можно контролировать и управлять либо как острова, либо когда они синхронизированы и связаны с основной энергетической инфраструктурой или макрогридом. Микрогриды потенциально могут обеспечить ряд преимуществ, в том числе сокращение выбросов парниковых газов, сокращение расходов на коммунальные услуги для конечных пользователей и средства совместного использования затрат на модернизацию или модернизацию местных энергетических инфраструктур. Микрогриды существуют в рамках концепции Smart Grid и могут помочь реализовать свои ключевые задачи, такие как стабильность, надежность и безопасность электроснабжения, поскольку источники энергии становятся более распределенными и менее предсказуемыми.
Рисунок 2: Микросхема может питаться от различных источников и подключаться к основной сетке или изолироваться. Изображение предоставлено Berkeley Lab,
Изменение требований к потреблению для микрочипов постоянного тока
Наряду с изменениями, происходящими в распределительной инфраструктуре, энергетические потребности пользователей электроэнергии также значительно изменились с тех пор, как были приняты первые решения в отношении распределения электроэнергии. Также не только повысился общий спрос на электроэнергию, но также изменился характер оборудования, используемого в типичных домах и предприятиях.
На протяжении большей части второй половины 20-го века электричество даже в самых современных домах потреблялось преимущественно лампами накаливания с помощью переменного тока и небольшим количеством приборов, таких как стиральные машины, холодильники и посудомоечные машины, содержащие большие AC асинхронные двигатели. Напротив, в сегодняшних домах происходит переход к светодиодному освещению, которое по своей сути является технологией с питанием от постоянного тока, а также новыми и более энергоэффективными приборами, которые оснащены приводами с переменной скоростью, отличающимися меньшими, а иногда и чистыми или бесщеточными двигателями постоянного тока. В настоящее время существует большое количество электронных устройств, таких как ПК, маршрутизаторы, игровые консоли и приставки, которые работают от внутреннего или внешнего источника питания переменного / постоянного тока. Многие другие устройства, такие как планшеты, смартфоны или беспроводные электроинструменты, хотя и с батарейным питанием, перезаряжаются при низком напряжении постоянного тока. Сегодняшние дома содержат больше электрических и электронных устройств, чем когда-либо прежде, каждый из которых имеет свою собственную схему для преобразования стандартного высоковольтного питания переменного тока в подходящее низкое постоянное напряжение в точке использования.
Жилые дома - это не единственные помещения, в которых потребление электроэнергии преобладает по существу низковольтным оборудованием с питанием от постоянного тока. Коммутаторы и центры обработки данных в центре современной цифровой экономики входят в число крупнейших потребителей электроэнергии в современном мире. Один центр обработки данных может потреблять столько энергии, сколько тысяч домов, хотя цель состоит в том, чтобы обеспечить питание серверов, которые требуют рельсов постоянного тока при напряжениях до 1 В или менее.
В бесконечном поиске, чтобы максимизировать эффективность и устранить, насколько это возможно, потери энергии, потери, возникающие при преобразовании мощности, между переменным током и постоянным током, а также между разными напряжениями постоянного тока, находятся под пристальным вниманием. Некоторые в отрасли центров обработки данных выступают за распространение HVDC как наиболее эффективный подход к распределению электроэнергии внутри помещений.
Рисунок 3: Обычное распределение переменного тока в центрах обработки данных включает в себя несколько шагов преобразования. Изображение предоставлено Vicor
Обычная стратегия распределения мощности центра обработки данных (рис. 3) первоначально сводит на нет и исправляет подачу входящей сети переменного тока для обеспечения взаимосвязи с резервной системой батареи. Выход этой сети, который часто составляет 48 В постоянного тока, затем преобразуется в переменное напряжение около 200 В для распределения внутри здания. На уровне шкафа это высоковольтное питание переменного тока выпрямляется и преобразуется вниз в промежуточное постоянное напряжение и в конечном итоге преобразуется в точке нагрузки, чтобы обеспечить требуемые рельсы питания для процессоров и других ИС на серверных плате. В качестве альтернативы, выход из высоковольтного источника питания AC / DC и резервной сети для батарей, обычно при 48 В постоянного тока, распределяется по всему центру обработки данных, а затем преобразуется комбинацией промежуточных и точечных преобразователей на серверные платы.
Поскольку требования к мощности центров обработки данных продолжают расти, беспокойство растет по поводу потери энергии на нескольких этапах преобразования энергии. В системах постоянного тока 48 В потери I2R значительны при поставке новейших серверов, которые могут потреблять более 1 кВт при максимальной мощности. В то время как дискуссия продолжается о том, как повысить эффективность систем распределения переменного тока, распределение HVDC при напряжении 380-400 В обещает способ уменьшить потери I2R, а также исключить инвертор постоянного тока и его связанные потери. Входное питание переменного тока при напряжении сети выпрямляется и преобразуется в высокое постоянное напряжение 380-400 В. Большое количество энергии может быть распределено при этом высоком напряжении при очень низком токе, что приводит к минимальным потерям энергии. Высокое напряжение затем убирается с помощью простого преобразования постоянного тока в постоянный ток в шкафах. Были предложены архитектуры HVDC, которые могут приниматься постепенно в центрах обработки данных, которые в настоящее время либо используют высоковольтное AC, либо низковольтное распределение постоянного тока.
Эта тенденция в отрасли центров обработки данных усиливает дело в пользу распределения мощности постоянного тока внутри зданий. EMerge Alliance отстаивает причины распространения DC в коммерческих зданиях и разрабатывает стандарты, направленные на создание гибридных инфраструктур AC и DC для обеспечения максимальной гибкости, а также эффективного использования энергии и пространства. Альянс опубликовал стандарты распределения 24 В постоянного тока в пределах занятых пространств, а также для гибридного распределения переменного тока и 380 В постоянного тока в центрах обработки данных (рис. 4) и телекоммуникационных офисах.
Рисунок 4: Альянс Emerge разработал стандарты для высоковольтного распределения постоянного тока в центрах обработки данных. Изображение предоставлено EMerge Alliance
В стандарте DC 24V предлагается встроенная микросхема для питания таких нагрузок, как освещение, ПК, проекторы или телевизоры. До сих пор было зарегистрировано более 60 продуктов известных производителей, включая светодиодные лампы, флуоресцентные балласты, воздушные вентиляторы, преобразователи, блоки управления и электромонтажные изделия. Альянс также разрабатывает стандарт для микрогридов постоянного тока для подачи грузов в наружных помещениях, таких как наружное освещение и зарядные устройства для электрических транспортных средств. Кроме того, может быть предложено 380 В постоянного тока для питания больших строительных нагрузок, таких как системы ОВК, промышленное оборудование и освещение с высоким освещением, а также бытовые приборы, такие как печи и стиральные или сушильные машины с приводами с переменной скоростью.
Вывод
Конкурс между методами распространения AC и DC, часто представляемый как битва, выигранная AC в начале электрического возраста, фактически превратился в мирное сосуществование, поскольку инженеры разработали технологии, чтобы использовать преимущества любого из этих подходов в зависимости от потребностей любого конкретного приложения.
Распределение постоянного тока при очень высоких напряжениях на больших расстояниях или в локализованных зонах или во всех зданиях при напряжениях, таких как 380 В или 24 В, скорее всего, станет более распространенным, поскольку политика генерирования электроэнергии будет направлена на интеграцию более возобновляемых источников энергии и микрогенерации, -USer продолжает переходить к низковольтному электронному оборудованию. Это может способствовать широкому внедрению микрогридов постоянного тока, что, в свою очередь, может привести к существенной реорганизации всех видов оборудования от бытовой электроники и ПК, к зарядным устройствам и силовым адаптерам, а также к розеткам и выключателям света.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.