在電氣電力早期(19世紀末/20世紀初)，對人們來說，儘管還有許多基本的問題尚未被完全理解，但即便在那時，有一點是很清楚的，即輸電線路中的歐姆(Ω，電阻)損耗是不可避免的。唯一的解決方案是提高用於電力傳輸的線路電壓，從而以相同的倍數減小線路電流。
由於電阻功耗與電流的平方成正比(P = I2R)，因此節省是指數級的，而且非常顯著。如今，初級電氣工程師很快就能從小型專案(如PC板和主機殼)開始，掌握有關高電壓輸電效率相對較高的基本概念。
而初期的大問題是，發電機和輸電線路究竟是應該採用交流電(AC)，還是直流電(DC)？為此，發生了一場廣為人知的爭論，湯瑪斯·愛迪生(Thomas Alva Edison)是DC的堅定支持者，而尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)、喬治·威斯汀豪斯(George Westinghouse)及其他科學家等則支持AC。
採用AC時，可根據需要，利用變壓器很容易地升/降壓，於是能夠支持遠距離電力傳輸；而DC則僅限於較短距離傳輸，並且為社區服務(當然，電力首先被用於密集的城市地區)時，還需要相對較多的本地發電機。
由於上述及其他原因，AC最終勝出，因此就有了現在遍及全世界的50/60Hz配電系統。自那時起，高壓交流(HVAC，請注意不要與車輛HVAC混淆)開始佔據主導地位，而高壓直流(HVDC)則屬於少數特殊應用。
原理上，HVAC系統的部署很簡單：從交流電源發電；透過一個或一系列被動變壓器將其升壓至幾十萬甚至幾百萬伏特(V)高壓進行傳輸；而在遠端，再利用變壓器將高壓降至最終用戶所需的120/240V。相比之下，HVDC所需的升壓/降壓元件是主動的，並且更加複雜(圖1)，直到近十多年前才變得較為實用或具成本效益。
圖1：HVDC電線路實施示意圖。
(來源：Duke American via Texas Instruments)
圖1中的HVDC線路涉及源側和負載側的許多轉換階段，實施變得更加複雜。但時間到了100年後的今天，情況發生了巨大變化。許多輸電線路設計正在使用HVDC，並且許多新的HVDC輸電工程也正在規劃中。促成這種變化的原因有很多，但其中最主要的是互惠、應用和技術進步的正回饋推拉作用，即新元件使新方法可行性越來越高，而可行性的提高反過來又促進了這些元件的新設計，進而增加了對新元件的需求，良性迴圈將周而復始。
在HVDC電力傳輸中，取得技術進步的高壓/功率IGBT和閘流體(thyristor)是所需的眾多新元件之一(有趣的是，許多這類元件和技術最初是為最初是為全電動和柴油電力機車開發)。對於HVDC，最常見的變電站類型是閘流體換流器(LCC)和軟性電壓源型換流器(VSC)。目前，圍繞LCC和VSC，以及採用新元件和獨特設計的HVDC子系統，有很多有趣的設計工作都在進行著。
市場變化
HVDC表現究竟怎麼樣？簡短的回答是「非常好」！實際上，業界有很多數據統計資料，這取決於你問誰。每個市場研究機構都有自己的高精準資料，可以預測5年甚至更長的時間(讓我著迷的是不知道他們預測未來時如何能精確到三位甚至四位有效數字)。這可能取決於他們在HVDC市場評估中所包含的內容，以及所採用的方法。但大致統一的意見是，2020和2021年HVDC市場規模分別約為100億美元，預計到2026年將成長至170~180億美元之間，年複合成長率(CAGR)為6~8%。相比之下，HVAC中的所有重要數字都會低幾個百分點，規模也會低數十億美元。
關於HVAC與HVDC輸電的成本，如果排除每端的轉換電路成本(這是一個非常大的「如果」，因為它是一個公認的大成本)，粗略的比喻是，對於大於約1,000公里的架空線路(overhead lines)、30~60公里的海底電纜和60~120公里的地下電纜來說，HVDC線路更具成本效益。雖然HVDC的轉換電路更昂貴，但這在某種程度上是可以平衡掉的，因為它的輸電線路需要的鐵塔更小，並且在最簡單的部署中，只需要兩根而不是三根導線。所以，確定總成本盈虧平衡點，需要相當複雜的分析(圖2)。
圖2：HVAC與HVDC經濟性分佈示意圖。
(來源：Electrical4U)
由圖2可見，確定HVAC與HVDC經濟性的交叉點，需要對終端側成本和線路成本進行全面分析。
雖然成本必定是一個主要考慮因素，但HVAC與HVDC的應用案例中也有重要的技術因素。首先，HVDC是非同步，不需要多個電源之間的同步來保持穩定性，因此可以根據需要或提供能力來添加/刪除一些來源；相比之下，交流電源需要精準的初始同步，並且不能失去同步。
此外，直流線路的功率因數總是統一的，因此不需要無功補償，也沒有交流線路的「集膚效應」(skin effect)，而集膚效應有害，會降低線路的有效載流截面積並增加傳輸損耗。
簡而言之，使用HVDC有很多好處，而且隨著電網越來越多依賴遠距離的風電、太陽能發電、甚至是電能儲能系統而非發電廠的多樣性來源，這些好處變得越來越明顯。甚至看到一些商用電力系統使用350VDC作為辦公室、工廠和大型公寓綜合體的初級電源，再將其轉換到終端應用所需的120/240VAC。
不過，即便HVDC在電力線傳輸中開始發揮更大的作用，愛迪生也不會取得全面的勝利，因為HVAC和HVDC各自都發揮著合理的作用，並將用於各自最具技術和成本效益的地方。也許最能期待的是，愛迪生和特斯拉能夠在他們的來世認識到這一「現實」，至少說他們是「亦敵亦友」。
(參考原文：Edison Gets Second Chance as HVDC Transmission Grows，by Bill Schweber)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年2月號
The post 愛迪生終於「勝出」——HVDC開始主導電力傳輸 appeared first on 電子工程專輯.
