特高壓交直流輸電技術(shù)特點及應(yīng)用場合淺析

王賽豪，占小猛，李良權(quán)

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

特高壓交直流輸電技術(shù)特點及應(yīng)用場合淺析

王賽豪，占小猛，李良權(quán)

（平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

輸電技術(shù)快速發(fā)展，我國已進(jìn)入特高壓輸電廣泛應(yīng)用的時代。本文分析了特高壓交、直流輸電技術(shù)的主要特點，并對其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行簡要對比。在此基礎(chǔ)上，對特高壓輸電技術(shù)在我國的應(yīng)用場合進(jìn)行了探討。

特高壓交流輸電；特高壓直流輸電；可靠性；經(jīng)濟(jì)性；應(yīng)用場合

推進(jìn)特高壓電網(wǎng)建設(shè)已成為國家發(fā)展戰(zhàn)略。我國電網(wǎng)特點是資源和負(fù)荷的地理分布極不平衡，客觀上存在長距離、大容量電力輸送需求。從2009年1100kV特高壓變流輸電示范線路“晉東南一南陽一荊門”，到2010年±800kV云南—廣東特高壓直流電輸電示范工程的成功投運，標(biāo)志著我國特高壓輸電大規(guī)模應(yīng)用時代拉開帷幕。

特高壓電網(wǎng)是指1100kV級交流和±800kV級直流的輸電電網(wǎng)。我國發(fā)展特高壓輸電技術(shù)，是為更經(jīng)濟(jì)、更可靠地解決當(dāng)前大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸電問題。經(jīng)濟(jì)性是特高壓輸電的重要基礎(chǔ)。

我國特高壓輸電技術(shù)的試驗?zāi)芰凸こ虒嵺`水平提升迅速，對于特高壓交、直流兩種輸電方式的應(yīng)用前景，是工程技術(shù)人員關(guān)心的問題。本文從對特高壓交、直流輸電技術(shù)特點入手，探討其適用場合及經(jīng)濟(jì)性。

1 特高壓交流輸電技術(shù)特點

1.1 大容量輸送能力

自然功率是評價線路輸電能力的一項重要指標(biāo)。線路輸送自然功率時，電感吸收的無功和電容發(fā)出的無功保持平衡。大容量輸電線路通常裝設(shè)高壓電抗器或串聯(lián)補(bǔ)償裝置，以解決無功平衡和過電壓問題。據(jù)測算，采取相同并聯(lián)補(bǔ)償度時，1100kV輸電線路的自然功率是550kV線路的4．2倍。

1.2 長距離輸送能力

阻抗與電壓平方成反比，1100kV特高壓線路阻抗折算到550kV線路，約為后者的1/4。輸送相同容量時，采用1100kV特高壓線路時，其輸電距離要遠(yuǎn)大于550kV線路。據(jù)測算，輸送2000MW電力時，單回1100kV線路輸送距離可達(dá)1300km，而550kV常規(guī)線路輸送距離僅為400km。

1.3 線路損耗低

線路損耗包括電阻性損耗和線路電暈損耗，其中電阻性損耗受電阻率、長度和電流的影響，電暈損耗受氣象條件、導(dǎo)線型號及電壓的影響。以典型線路為例，在導(dǎo)線截面、輸送容量相同的條件下，1100kV線路比550kV線路的電流降低1/2，電阻降低3/4，綜合損耗降低約54%。

1.4 節(jié)省線路走廊和占地面積

采用1100kV特高壓交流輸電，其線路走廊寬度大為降低，約為550kV線路走廊寬度的30%。在長距離、大容量輸電中采用特高壓輸電，能提高走廊利用率，大幅節(jié)省土地占用面積，經(jīng)濟(jì)性顯著。

1.5 系統(tǒng)穩(wěn)定性及其他風(fēng)險

特高壓交流輸電的主要風(fēng)險是系統(tǒng)穩(wěn)定性。據(jù)統(tǒng)計，1965～1984年間全世界共發(fā)生6次交流大電網(wǎng)瓦解事故，這表明采用交流系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)的區(qū)域電網(wǎng)，存在穩(wěn)定性、事故連鎖及大面積停電等風(fēng)險。

特別是在特高壓輸電線路建設(shè)初期，由于尚未形成網(wǎng)絡(luò)，線路負(fù)載能力較低，這將帶來系統(tǒng)穩(wěn)定性風(fēng)險。另外，特高壓交流輸電的電磁輻射對環(huán)境影響較大。

2 特高壓直流輸電技術(shù)特點

2.1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，易調(diào)控

特高壓直流輸電采用大功率、遠(yuǎn)距離、點對點的輸送模式，無中間落點，直接將電力輸送到負(fù)荷中心。當(dāng)確定了送、受端之后，采用直流輸電方式可實現(xiàn)交、直流電網(wǎng)并聯(lián)輸電，或者非同步聯(lián)網(wǎng)輸電，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)清晰易調(diào)控。

2.2 短路電流易限制

一般直流輸電線路用于交流電網(wǎng)間的連接。對直流系統(tǒng)自身而言，它有定電流控制機(jī)制，可快速限制系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流，使得系統(tǒng)短路容量不會因電網(wǎng)互聯(lián)而增大。

2.3 系統(tǒng)高可靠性

利用可控硅換流器，在直流輸電技術(shù)中可快速調(diào)整有功功率，實現(xiàn)電流方向的改變。另外，在正常狀態(tài)下，直流系統(tǒng)可保證穩(wěn)定輸出，在事故情況下，可實現(xiàn)健全系統(tǒng)對故障系統(tǒng)的緊急支援。因此，當(dāng)交、直流電網(wǎng)互聯(lián)時，假若交流電網(wǎng)線路出現(xiàn)短路，可通過短暫增大直流輸送功率的方式，來控制電源端的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度，從而提高系統(tǒng)可靠性。

2.4 年電能損耗小，線路造價低

交流架空線輸電需三根導(dǎo)線，而直流只需兩根導(dǎo)線，電阻損耗小，沒有線路感抗及容抗的無功損耗，也沒有交流工況下的集膚效應(yīng)，導(dǎo)線截面利用充分；直流輸電方案若采用大地或海水作回路時，僅需一根導(dǎo)線，可大幅節(jié)省建設(shè)投資，在前期投資和運行費用上經(jīng)濟(jì)性突出。

2.5 大容量直流系統(tǒng)風(fēng)險加大

通過特高壓直流輸電系統(tǒng)構(gòu)建的交、直流互聯(lián)電網(wǎng)，使得與大容量直流相關(guān)的系統(tǒng)風(fēng)險有所加大。比如，對于多回大容量直流受端密集落點的電網(wǎng)，當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，可能導(dǎo)致多回直流輸電線路同時出現(xiàn)換相失敗，引起交流線路保護(hù)或開關(guān)拒動，導(dǎo)致交流故障不能及時清除，最終可能造成多回直流線路發(fā)生持續(xù)換相失敗，甚至發(fā)生直流閉鎖。

此外，直流換相失敗后，電網(wǎng)中存在復(fù)雜的交直流相互影響，在功率恢復(fù)過程中，線路動態(tài)無功需求將大幅增加，但是由于負(fù)荷電網(wǎng)中無電源支撐，可能引起直流系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，極端情況下導(dǎo)致大面積停電事故。

3 特高壓輸電技術(shù)的應(yīng)用場合

我國已啟動“五交八直”特高壓工程，未來將建成“三華”特高壓同步電網(wǎng)，1100kV交流輸電和±800kV直流輸電在大電網(wǎng)的發(fā)展中扮演著不同角色。

特高壓交、直流輸電只能互補(bǔ)，不能互相取代。直流輸電方式由于中間無落點，因而只有輸電功能，而不能構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，可定位于超大容量、超遠(yuǎn)距離的輸受端明確的“點對點”輸電。采用直流輸電技術(shù)，可減少或避免過網(wǎng)的不均勻潮流，并且可以方便地控制潮流大小和方向，但是，其發(fā)揮作用的前提是必須結(jié)合堅強(qiáng)的交流網(wǎng)絡(luò)。相對而言，交流輸電方式則同時具備輸電和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的功能，可依據(jù)電源分布、負(fù)荷位置、輸送容量等實際需求進(jìn)行電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計，同時線路中間可以設(shè)置落點，這會使得電力接入、傳輸和消納更加靈活方便，可定位于構(gòu)建各級堅強(qiáng)輸電網(wǎng)，以及經(jīng)濟(jì)距離下的大容量、長距離輸電，為直流輸電提供重要支撐。

基于特高壓交、直流輸電系統(tǒng)特點，對我國特高壓輸電技術(shù)應(yīng)用場合做以下探討。

3.1 遠(yuǎn)距離大容量輸送

我國水電、煤電和負(fù)荷中心分布極不平衡。其中，2/3的水電分布在西南地區(qū)，2/3的煤電分布在西北地區(qū)，而2/3的用電負(fù)荷位于東部沿海和京廣鐵路以東地區(qū)，輸電網(wǎng)絡(luò)明顯呈現(xiàn)出“西電東送”、“北電南送”的格局，輸電距離為600～2000km。輸送容量5000～20000MW。從輸電經(jīng)濟(jì)性角度講，當(dāng)距離超過l200km時，采用±800kV直流輸電比1100kV交流輸電更具經(jīng)濟(jì)性。

3.2 近距離大容量輸送

目前，負(fù)荷中心地區(qū)出現(xiàn)了輸電走廊緊張、短路容量大等難題。以長三角地區(qū)為例，如上海、蘇南、浙北等負(fù)荷中心，輸電距離約200～500km，從輸電經(jīng)濟(jì)性方面考慮，采用1100kV交流輸電更具經(jīng)濟(jì)性。

因此，對于珠江三角洲、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)及華東電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的輸電系統(tǒng)，采用特高壓交流輸電，經(jīng)濟(jì)性良好，同時解決了短路電流大、輸電走廊緊張等問題。

3.3 區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)

利用特高壓輸電技術(shù)，我國已形成東北、華北、西北、華東、華中及南方電網(wǎng)等6大跨省區(qū)的互聯(lián)電網(wǎng)，實現(xiàn)了跨區(qū)域、跨流域的資源優(yōu)化配置。

對于以上區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)，采用特高壓直流輸電實現(xiàn)區(qū)域非同步聯(lián)網(wǎng)，送、受端的交流電網(wǎng)可按各自電壓和頻率獨立運行，相互間無需傳送短路功率，這在一定程度上提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。假如采用特高壓交流輸電實現(xiàn)電網(wǎng)的同步運行，則對互聯(lián)電網(wǎng)的同步性要求很高，稍有不慎可引起系統(tǒng)崩潰，同時還可能導(dǎo)致短路容量的增加。

從國內(nèi)外實踐來看，在區(qū)域聯(lián)網(wǎng)場合，特高壓直流會比特高壓交流更具優(yōu)勢。

4 結(jié)語

（1）特高壓交、直流輸電技術(shù)各有優(yōu)勢，都可用于長距離、大容量的輸電，以及區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)。建設(shè)輸電線路的首要考慮因素是經(jīng)濟(jì)性，而建設(shè)電網(wǎng)互聯(lián)線路則將系統(tǒng)穩(wěn)定性因素放在首位。

（2）我國特高壓電網(wǎng)由1100kV交流輸電系統(tǒng)和±800kV直流輸電系統(tǒng)組成。前者主要定位于200～500km近距離、大容量輸電，后者主要定位于送、受端明確的600～2000km遠(yuǎn)距離、大容量輸電，以及跨區(qū)域的省網(wǎng)互聯(lián)。

（3）從目前技術(shù)看，在實現(xiàn)區(qū)域互聯(lián)時，采用特高壓直流輸電的可靠性更高，也更具經(jīng)濟(jì)性。

[1]劉振亞．特高壓交直流電網(wǎng)[M]．北京:中國電力出版社, 2013: 264-269．

[2]張文亮, 吳維寧, 胡毅． 特高壓輸電技術(shù)的研究與我國電網(wǎng)的發(fā)展[J]．高電壓技術(shù),2003,09:16-18．

[3]劉振亞． 中國特高壓交流輸電技術(shù)創(chuàng)新[J]． 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 03: 567-574．

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