對(duì)我國(guó)高壓直流輸電的探討

徐鵬飛

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

引言

在上世紀(jì)的50～80年代的30年間，世界發(fā)電裝機(jī)容量增長(zhǎng)了14.2 倍，發(fā)電量增長(zhǎng)7.9 倍；發(fā)電裝機(jī)年增長(zhǎng)率達(dá)9.5%，而發(fā)電量年增長(zhǎng)率達(dá)7.6%，約相當(dāng)于每10年翻一番。步入新世紀(jì)，人們對(duì)電能的依賴程度日益增加，各國(guó)發(fā)電量也呈現(xiàn)飛速上升的態(tài)勢(shì)。在此背景下電力傳輸系統(tǒng)的建設(shè)也必須與電源建設(shè)相適應(yīng)，這意味著電力傳輸系統(tǒng)的傳輸能力、傳輸規(guī)模、技術(shù)水平都需要大幅度提高。而只靠新增傳統(tǒng)的交流輸電線路增加新設(shè)備，簡(jiǎn)單地外在擴(kuò)張做法顯然不適應(yīng)新形勢(shì)的要求。

1 中國(guó)高壓直流輸電的現(xiàn)狀

中國(guó)能源分布不均衡現(xiàn)象十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)已經(jīng)探明的煤炭?jī)?chǔ)量82%集中在西部地區(qū)，可開發(fā)的水電資源67.5%集中在西南地區(qū)，而到2020年的電力消費(fèi)75%將集中在中、東部和南部沿海地區(qū)。這決定了我國(guó)資源優(yōu)化配置的基本選擇是長(zhǎng)距離西電東送。因此，高壓直流輸電以其輸送容量大、傳輸距離長(zhǎng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)必將在將來(lái)的中國(guó)以及世界的電力系統(tǒng)中占有重要的一席之地。

中國(guó)自1987年第一條高電壓直流輸電工程——舟山直流輸電工程投入運(yùn)行以來(lái)，到如今，已建和在建的直流輸電工程有12個(gè)。

2 高壓直流輸電的明顯優(yōu)勢(shì)

1.1 從技術(shù)性和可靠性看，HVDC 具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.1.1 有利于改善交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性

在交流輸電系統(tǒng)中，所有連接在電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)必須保持同步運(yùn)行。如果采用直流線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)，由于直流線路沒(méi)有電抗，所以不存在上述的穩(wěn)定問(wèn)題，也就是說(shuō)直流輸電不受輸電距離的限制。

1.1.2 實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)的非同步聯(lián)網(wǎng)（輸電）

非同步聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)HVDC 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)交流系統(tǒng)的互聯(lián)，這樣有如下優(yōu)點(diǎn)：

被聯(lián)電網(wǎng)可保持自己的電能質(zhì)量（如頻率、電壓）而獨(dú)立運(yùn)行；被聯(lián)電網(wǎng)之間交換的功率可快速方便地進(jìn)行控制，有利于運(yùn)行和管理。

1.1.3 相同電壓等級(jí)下，輸送功率更大

1.1.4 有功、無(wú)功功率快速可控，有利于改善交流系統(tǒng)的運(yùn)行性能

1.1.5 限制交流系統(tǒng)短路容量

直流輸電線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的“定電流控制”能快速將短路電流限制在額定功率附近，短路容量并不因互聯(lián)而增大。

1.1.6 線路故障時(shí)的自防護(hù)能力強(qiáng)

直流輸電在正常情況下能保證穩(wěn)定輸出，在事故情況下可實(shí)現(xiàn)緊急支援，因?yàn)橹绷鬏旊娍赏ㄟ^(guò)可控硅換流器快速調(diào)整功率、實(shí)現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)。

1.2 從經(jīng)濟(jì)性看，HVDC 具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.2.1 線路造價(jià)低

輸送同樣功率條件下，直流架空線路節(jié)省1/3的導(dǎo)線，1/3～1/2的鋼材，造價(jià)為交流線路的60%～70%。

1.2.2 運(yùn)行損耗小

交流電由于集膚效應(yīng)導(dǎo)致運(yùn)流載流子通道狹窄(載流子只在外表面附近做定向運(yùn)動(dòng))、通電截面小因而電阻增加，而電路電阻增加使電能轉(zhuǎn)化為熱量而消耗在電路中，這浪費(fèi)了人力和物力。

因?yàn)橹绷鬏旊娭挥袃蓸O，從原理上直流輸電不存在交變頻率（如工頻），直流輸電就可以避免如前所述的交流輸電產(chǎn)生的集膚效應(yīng)以及電感損耗，降低了線路的有功損耗。

此外，高壓直流輸電給新能源發(fā)電的并網(wǎng)提供了一條良好的途徑，研究發(fā)現(xiàn)輕型直流輸電（VSC-HVDC）在海上風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)中應(yīng)用潛力巨大。

3 高壓直流輸電存在的問(wèn)題

3.1 換流站設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、損耗大、運(yùn)行費(fèi)用高；換流站比變電站投資大。直流輸電環(huán)節(jié)中的換流站的設(shè)備比交流變電站復(fù)雜，除換流變外，還有可控硅換流器，以及換流器的其他附屬設(shè)備，這些設(shè)備的造價(jià)都非常高昂，因此換流站的投資高于同等容量的交流變電站。

3.2 換流器產(chǎn)生大量諧波。

3.3 換流器無(wú)功消耗量大。

換流器吸收無(wú)功功率：30%～50%Pd(整流器）；40%～60%Pd(逆變器（)Pd 表示輸電線路傳輸?shù)墓β剩Ｓ纱丝磥?lái)雖然直流輸電線路理論上不消耗無(wú)功功率，但是總體來(lái)說(shuō)高壓直流輸電還是要消耗大量無(wú)功功率的，換流站中的換流器會(huì)消耗大量無(wú)功，因此必須在換流站中進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，這是換流站造價(jià)遠(yuǎn)高于同容量的交流變電站的一個(gè)直接原因。

3.4 換流器過(guò)載能力低

短期過(guò)載（2h）：1.1p.u.

暫時(shí)過(guò)載（3-10s）：1.25-1.5p.u.

3.5 在某些運(yùn)行方式下，對(duì)地下（或海中）物體產(chǎn)生電磁干擾和電化學(xué)腐蝕

3.6 直流斷路器（DC circuit breaker）造價(jià)高，技術(shù)復(fù)雜

在交流系統(tǒng)中，電流每周波有兩次自然過(guò)零點(diǎn),交流斷路器就是充分利用此時(shí)機(jī)熄滅電弧，完成介質(zhì)恢復(fù)。而直流系統(tǒng)不存在自然過(guò)零點(diǎn)。因此，開斷直流電路就要困難許多。因此，直流斷路器的造價(jià)往往高于交流斷路器，并且其穩(wěn)定性能不如交流斷路器。

直流斷路器的制造工藝及其性能直接影響高壓直流輸電的容量與形式，在直流多站系統(tǒng)中，為建立直流系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)，需要性能更好的直流斷路器。

4 高壓直流輸電的前景規(guī)劃

直流輸電憑借其獨(dú)特的遠(yuǎn)距離，大容量輸電優(yōu)勢(shì)，在最近幾十年中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。近年來(lái)，隨著技術(shù)的更加成熟，其發(fā)展速度更是驚人。在這種情況下直流輸電的地位，以及對(duì)直流輸電的規(guī)劃顯得格外重要。

首先我們要充分利用直流輸電遠(yuǎn)距離、大容量輸電的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在能源分布極其不均衡的國(guó)家和地區(qū)，通過(guò)高壓直流輸電，將電源中心與負(fù)荷中心直接相連。與特高壓直流輸電相比，這樣既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。

其次，各國(guó)電力系統(tǒng)并網(wǎng)的興趣有增無(wú)減，而直流輸電為并網(wǎng)提供了一條極好的途徑?？v觀國(guó)外幾次大停電，不難發(fā)現(xiàn)其根源是不受控制的可負(fù)荷轉(zhuǎn)移的自由電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是一個(gè)不分區(qū)、不分受端系統(tǒng)、不分遠(yuǎn)方電源的可通過(guò)電網(wǎng)送電網(wǎng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。同步電網(wǎng)愈大，連鎖反應(yīng)愈難以控制，停電范圍愈大。因此，在經(jīng)過(guò)合理規(guī)劃的前提下，可以用直流輸電將整個(gè)電網(wǎng)分區(qū)、分層，保持分區(qū)獨(dú)立，發(fā)展多個(gè)同步網(wǎng)。這樣一旦發(fā)生問(wèn)題，弱聯(lián)網(wǎng)可及時(shí)解列,以保持各區(qū)的獨(dú)立性，任何一個(gè)區(qū)內(nèi)部問(wèn)題不會(huì)影響相鄰區(qū)的安全。

再次，雖然直流輸電有交流輸電不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是由于多端直流輸電其技術(shù)復(fù)雜，運(yùn)行難度大，相比較而言交流輸電具有更高的靈活性。所以未來(lái)的電網(wǎng)必將是將直流輸電與交流輸電結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成新型的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，以滿足電網(wǎng)日益發(fā)展的需要，使電網(wǎng)更加安全穩(wěn)定可靠。

最后，為解決短路容量和直流多落點(diǎn)問(wèn)題，要從電網(wǎng)規(guī)劃開始采取有效的方法。因此，對(duì)電網(wǎng)總體的合理規(guī)劃是建設(shè)電網(wǎng)的必要前提，不能盲目地改造與擴(kuò)建。

結(jié)語(yǔ)

從電網(wǎng)長(zhǎng)遠(yuǎn)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的具體分析,詳細(xì)說(shuō)明了高壓直流輸電的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出通過(guò)直流輸電將超大電網(wǎng)分區(qū)分層，以更好地解決交流復(fù)雜自由聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)法解決的根本問(wèn)題，防止大停電事故。

[1] 呂偉業(yè).中國(guó)電力工業(yè)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整[J].中國(guó)電力，2002，（1）.

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