Gründe für die Verwendung von Wechselstrom bei der langstreckigen Energieübertragung

Historische Entwicklungsaspekte

Frühe Stromsysteme wurden von Wechselstrom dominiert: In den Anfängen der Entwicklung von Stromsystemen war die Technologie von Synchronmaschinen und Transformatoren relativ reif und leicht herzustellen. 

Durch Transformatoren kann das Spannungsniveau bei AC-Systemen leicht verändert werden, um Hochspannungsübertragung zu ermöglichen und Leitungsspannungsverluste zu reduzieren. Daher wurde AC-Übertragung in frühen Tagen weit verbreitet und bildete ein riesiges Stromnetzsystem.

Technische Überlegungen

Vorteile von Transformatoren in AC-Systemen

Die AC-Übertragung kann mithilfe von Transformatoren leicht erhöht oder verringert werden. Am Erzeugungsende wird die Ausgangsspannung des Generators erhöht, um den Strom zu reduzieren und die Leistungsspannungsverluste auf der Leitung zu minimieren. Am Verbrauchsende wird die Spannung durch einen Transformer auf ein für den Nutzer geeignetes Niveau reduziert. Die aktuelle DC-Transformer-Technologie ist im Vergleich dazu komplexer und teurer, und es fällt schwer, die Spannung so flexibel wie bei AC-Transformatoren in der Fernübertragung anzupassen.

Blindleistungskompensation

In AC-Systemen kann Blindleistungskompensation bequem durchgeführt werden. Blindleistung ist die Energie, die notwendig ist, um elektrische und magnetische Felder in einem Stromsystem aufrechtzuerhalten, führt aber keine externe Arbeit aus. Bei der Fernübertragung entsteht eine große Menge an Blindleistung aufgrund der Induktivitäts- und Kapazitätseffekte der Leitung. 

Durch die Installation von Blindleistungskompensationsgeräten in Umspannwerken kann der Leistungsfaktor des Systems verbessert und die Leitungsspannungsverluste und Spannungsschwankungen reduziert werden. Im Gegensatz dazu ist die Blindleistungsregelung in HVDC-Systemen vergleichsweise komplex und erfordert spezielle Geräte zur Kompensation.

Netzwerkverbindung

Die meisten bestehenden Stromsysteme sind AC-Stromnetze, und die Verbindung zwischen AC-Systemen ist vergleichsweise einfach. Durch Transformatoren und Schaltanlagen kann die Verbindung und Leistungsaustausch von AC-Stromnetzen in verschiedenen Regionen und mit verschiedenen Spannungsniveaus realisiert werden, was die Zuverlässigkeit und Stabilität der Stromnetze verbessert.

Die Verbindung zwischen dem DC-Übertragungssystem und dem AC-System muss über Umrichterstationen konvertiert werden, was schwierig und kostspielig ist. In großen Stromnetzen macht die Verbindung von AC-Systemen die Leistungszuweisung und Ressourcenfreigabe flexibler.

Wirtschaftliche Kostenaspekte

Gerätekosten

Derzeit sind AC-Übertragungsgeräte wie Transformatoren, Schalter, Schütze und andere Technologien reif, und die Produktionskosten sind relativ gering. Die Ausrüstung von Umrichterstationen in DC-Übertragungssystemen ist komplex, einschließlich Umrichterventilen, DC-Filtern, Gleichrichtungsreaktoren usw., und die Kosten sind hoch.

Zum Beispiel können die Kosten für den Bau einer HVDC-Umrichterstation mehrere Male höher sein als die eines gleichwertigen AC-Umspannwerks.

Wartungskosten

Nach langjähriger Entwicklung und Anwendung von AC-Übertragungsgeräten ist die Wartungstechnik relativ reif und die Wartungskosten gering. Die Wartungsanforderungen an DC-Übertragungssysteme sind hoch, erfordern fachkundige Techniker und spezielle Prüfgeräte, und die Wartungskosten sind hoch.

Anwendung

• Langstrecken-Hochleistungstransmission: Für Langstrecken (mehrere hundert Kilometer) und Hochleistungstransmission haben HVDC-Übertragungsleitungen relativ geringe Verluste. Da DC-Übertragung keine Induktivitäts- und Kapazitätseffekte wie AC-Übertragung hat, gibt es kein Problem mit Blindleistung.

• Unterwasser-Kabelübertragung: Bei Unterwasser-Kabelübertragung verursacht der kapazitive Strom von AC-Kabeln viele Verluste und Spannungsanstiege, während DC-Kabel dieses Problem nicht haben. Daher bietet die Hochspannungs-DC-Unterwasser-Kabelübertragung einen großen Vorteil.