第二次电气革命

托马斯·爱迪生一定在笑。长期以来，他一直认为直流电是一种更好、更安全的输电和配电方式。爱迪生在这场辩论中输给了尼古拉·特斯拉、乔治·西屋斯和其他交流(AC)的支持者。但现在，100多年过去了，我们正在重新思考那些长期以来对权力的假设。

从可再生能源的日益广泛使用，到耗电数据中心数量的激增，再到最近对工业控制面板的安全规定，甚至是消费者的审美观念，一系列因素的共同作用，正在促使公用事业和工业重新对使用高低压直流电力系统产生兴趣。

这种兴趣很大程度上来自于减少交流和直流转换之间的能量损失的努力——这可能是10%或更多——特别是当交流配电系统和设备实际使用之间需要多次转换时。虽然没有人希望大规模地转向直流电源，但在一些应用和行业中，直流电具有优势。

可再生能源引领潮流

事实证明，高压直流(HVDC)是一种更有效的长距离输电方式，部分原因是它减少了传输过程中的能量损失。更好的是，高压直流输电系统可以埋在看不见的地方，在地下或水下进行长距离传输。这就解决了人们对交流传输系统的一个主要不满:大型发射塔横跨大地，就像《世界大战》(War of the Worlds)中许多火星着陆器一样。

高压直流输电是理想的可再生能源系统，如风能、太阳能和水，这些能源往往位于远离人口中心的地方。加利福尼亚州是美国第一个利用高压直流传输的可再生能源，以水力发电的形式。太平洋HVDC联锁电力网依赖于汞弧阀、自动化和发电厂商ABB技术突破。在1965年,通用电气,ABB被授予联邦合同,建立两个转换器站1440 MW, 400千伏输电线路从俄勒冈州的哥伦比亚河在洛杉矶盆地北部这起案件。

ABB目前正在对太平洋Intertie进行第四次升级，将塞利洛的高压直流换流站的电压提高到560千伏，容量提高到3800兆瓦。该公司为该项目提供阀门、冷却、变压器、谐波滤波器以及控制和保护系统，该项目将于2016年投产。

新的直流项目

ABB电力系统部门电网系统业务发展副总裁Roger Rosenqvist表示，最近提议的一些高压直流输电项目将服务于人口密集的美国东北部，包括东北能源链，该公司计划沿着现有的95/295/495州际公路走廊，将风力从缅因州北部的班戈转移到马萨诸塞州东部。另一个项目是尚普兰-哈德逊电力快车(Champlain-Hudson Power Express)，这条330英里长的线路将建在水道和现有铁路走廊内，将水电从加拿大输送到纽约市。

Rosenqvist说，为了帮助建设这些新的输电系统，ABB已经在北卡罗来纳州夏洛特附近的一个新工厂投资了1亿多美元。该工厂的35层挤压塔能够为高压直流和交流地下输电线路生产高容量聚合物绝缘电缆。ABB还在传输级和设施级应用的直流变换器和控制系统技术方面进行了大量投资。

除了传输距离之外，将直流系统应用于可再生能源发电的另一个原因是，发电量随天气条件和一天中的时间而变化。公用事业公司必须将能量储存在大型电池中，通常是拖拉机拖车大小的电池，这种电池只能产生直流电。这些储存的电力可以在需要时传输到电网。

直流电也越来越多地用于电力分配。罗森奎斯特说:“现在我们有了直流电力的基础设施，建设新设施的公司可能需要考虑这一点。”“如今，工厂中的许多设备已经包含了将交流电力从配电系统转换为直流电的设备，因此，为整个设施安装一个通用的直流配电系统可能会更加经济。由于直流配电系统中的故障电流可以由变换器控制和限制，因此也有安全方面的好处。”

Rosenqvist指出直流电源可用性的增长，预计持续的技术发展将改善直流系统。“一旦某件事开始了，人们就会在产品和应用方面产生创新，”他说。

任何包含晶体管的东西只能使用直流电源。随着越来越多的人在个人生活和工作中依赖电脑、智能手机、平板电脑和互联网，直流电力系统越来越有意义。对于用于数据通信和电信网络的大型服务器群和其他电子设备来说尤其如此。

数据通信工业设备通常由带有不间断电源(ups)的交流市电供电。电信设施设备由直流电站供电，电池储备电力。随着越来越多的电信运营商使用数据通信设备来提供视频、语音和数据服务，多个电力系统可能会产生问题，包括不同的安装和维护要求、预留时间和接地系统。这会影响网络的可靠性和服务的可用性。

混合动力环境也会使用更多的电池，导致更多的潜在故障点和更多需要维护的部件。直流发电厂更简单，故障点更少。

根据艾默生网络电力公司的一份报告，NTT设施公司最近的一项研究发现，与交流系统相比，日本配备直流电力系统的数据中心的效率提高了20%，冷却成本降低了10%。除了减少转换时的功率损失外，直流系统的瞬态和谐波问题也更少。

推进系统显示了它是如何完成的

工业动力的未来可以在海上找到。航运业的最新发展之一是引入直流推进系统以提高能源效率。这不仅可以让工程师缩小为螺旋桨提供动力的推进机械、设备和电缆的整体尺寸，还可以为货物留下更多空间。

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GE Power Conversion的首席海军工程师Oliver Simmonds表示，DC架构提供了更大的灵活性，允许设计师最大限度地利用高效、变速驱动器的潜力。他说，直流推进不仅减少了燃料的使用，而且直流电力电子设备和架构也使系统传输的电力比等效的交流系统多23%。

电池存储的好处

西蒙兹说，交流发电机仍然被用来发电，因为它们比直流发电机更简单，但电力被转换成直流，以便在船周围有效传输。这种设计还带来了另一个好处:能够在电池中存储直流电源，以备紧急情况下使用。

西蒙兹说:“港口安全规定经常要求船舶在低负荷时运行一台以上的发电机，这是低效的，即使它们只使用了它们产生的电力的一小部分。”“对于直流系统，你可以只使用一个发电机和一个集成电池系统，以防出现故障。这可能会节省大量燃料。”

罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation)负责电源和UPS产品的全球产品经理科曼·杨(Coman Young)表示，大约七年前UL批准的短路电流额定值系统已经导致了控制面板上广泛使用24 VDC电源。

Young说:“当有放电时，例如当大型驱动器和电机将电源从线路上拉下来时，电容器需要充电和放电。”“能源需要去别的地方，而电力通常被推回到设备和控制面板上。”

杨说，现在使用直流电源的趋势开始于欧洲，是为了保护那些必须打开或触摸控制面板的工人。他解释说:“过去的标准是120伏交流电，但当设备运行时，很难控制。”“直流电源永远不会下降，也永远不会超过零。”

铁路是另一个依赖直流电力的行业，使用60v、72v或120v, Young补充道。他表示:“在交流电和直流电之间来回切换很浪费，所以现在所有(铁路)设备都使用直流母线。”

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根据Young的说法，罗克韦尔自动化公司最近已经进入电力事业领域，使用设备来监测输入电力并向电厂运营商发送警报，以解决电力质量问题。“电压下降会影响植物，而它们甚至不知道，”他说。“每天都会有多次电压下降。尽管每次下降可能只持续一毫秒，但这些重复的下降会关闭设备，甚至工厂。”

作为其电力监测业务的一个结果，罗克韦尔自动化公司为其UPS产品开发了一种动态跌落校正器，以缓解电压跌落引起的问题。该校正器可用于工业、数据中心和IT应用。

杨说，在工业应用中更广泛地使用直流电源存在许多障碍，包括目前的交流基础设施;缺乏能够处理直流电流的元件;和熔断器，因为直流电源更难以断开。“要找到4个或5个保险丝并不容易，这就是它们价格昂贵的原因。现在它被视为一种定制产品。”

直流电力增长的有利方面是，“人们正在寻找降低冗余系统成本的方法。大型交流变压器的价格和尺寸也是一个问题。如果交流电完全断电，那么就没有电重新启动任何东西了。但由于直流电源可以存储在电池中，所以它总是可用的，”Young解释道。“电子设备开关的发展也增加了使用120 VDC电源消除交直流转换的潜力。”