100多年前,特斯拉的交流电击败了爱迪生的直流电,使得交流电走进了千家万户。如今要是再比一次,交流电对上直流电还有没有优势?
首先,我们说导致直流电被淘汰的最主要原因就是线路上的电能损耗过大,利用110V这种低压输电,想要长距离输送电能是需要付出很多代价的。
比如,随着输送距离的增加,那么线路的等效电阻R就随之增大,线路损耗也就增大,有时候线损甚至能达到50%以上,也就是说,如果发电厂发出1000W的电,那么用户可能就只能得到500W的电,另外500W全部损耗在了输电线路上。这样的损耗,是任何一家发电厂都不能接受的。
在19世纪,直流输电电压根本就不能很高,而交流输电却能上到很高的电压,在较高的电压情况下,高压交流输电相对低压直流输电线损肯定是更小的。从这一点上来说,当时交流电的商业价值远超直流电。
而如果使用直流电,靠近发电厂的用户能保证自己获得110V的电压,而远离发电厂的用户可能只有80V了,这将严重影响电器的使用效果和寿命。
那能不能把电压提高一点呢?比如提高到140V,显然也不行。把电压提到140V后,在发电厂末端的用户将可能获得了110V的电压,而靠近发电厂的用户就要承担140V的电压,这个电压超出了电器的额定电压,同样会损坏电器、降低其使用寿命。关键是直流电还用不了变压器,它是交流电的产物。
最后,高压输电在故障时快速切断故障电流,会产生一个很大的电弧,如果不及时把这个电弧切断会严重破坏电力系统。交流电过了零点,电弧就会短暂熄灭,而直流电的断路器却做不到。
这些缺点导致直流电在100多年前几乎毫无悬念地输给了交流电,哪怕爱迪生试图用电死大象和制作电椅的方法来恐吓世人,也依然没有挽回失败的命运,反而让自己染上了一生的污点。
那么,今天直流电对上交流电的胜算会不会大一点了呢?说实话依然很难赢,首先火力发电站和水力发电厂作为目前主要的发电技术,它们发出来的都是交流电,甚至连风电和核电也是交流电,现在也没发现有直流电的报道。
直流发电风机的占比基本上可以忽略,主要因为接入电网必须是交流电,而直流发电风机就需要进行直流和交流的变换。光电目前发出来的电只有直流电,但是为了接入电网,它必须进行直流和交流的转换,借用电力电子装置和储能装置来进行,所以效率一直不高。
经过这么多年的发展,现在的交流发电机的容量已经很大了,火电的120MW超超临界机组技术已经很成熟。而且火电和水电不仅担负着发电的功能,还要为电网调峰调频做出贡献,而交流发电机可以控制发电的出力和功率等问题,比较好解决。
从发电全局来看,交流电的优势和多年来逐渐成熟的技术是直流电无法超越的。
而在断路器方面,虽然已经更新换代了很多次,技术可谓相当成熟了,但高压直流断路器依然是一个较难实现的东西。
说了这么多直流电的缺点,其实它也是有优点的,比如输送相同功率时,直流电只需要2根导线,而交流电需要3根,这意味着直流高压输电的线路造价更低。
还有直流线路没有感抗和容抗,也就没有无功损耗,其电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路要小。其他优势如能限制系统的短路电流,调节速度快,运行可靠等等。
那么为什么100多年前没有发现这些优势呢?这是因为当时的电子电路技术还不发达,根本克服不了直流电的关键问题,也发挥不了它的优势。
但是上世纪50年代,整流器、逆变器的相继问世,让直流电重新回到了大众的视野,各国开始尝试利用新技术去克服直流电线损高的问题,取得了一定的成效。
当然这些进步只是让直流电在一小部分领域内得到了应用,还不足以撼动交流电的地位。目前直流电的主要应用范围还是远距离高压传输,我国特高压技术出现以后,全国直流线路就增设了20条左右。
就现在的电力系统而言,高压输电是交直并存、相辅相成的状况,而用电还是以交流电为主,未来的发展趋势也很可能就是这样了。