探究高壓直流輸電技術(shù)

鄧沛

摘要：能源的開發(fā)與利用是促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)的重要保障，是制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素。雖然我國(guó)能源貯存豐富，但是能源供應(yīng)地與能源需求地并不重疊，因此大容量、遠(yuǎn)距離的輸電技術(shù)至關(guān)重要。本文首先分析高壓直流輸電技術(shù)的內(nèi)涵，通過(guò)對(duì)比高壓交流輸電技術(shù)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)HVDC技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，點(diǎn)明我國(guó)在高壓尤其是特高壓直流輸電領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，最后著重分析了柔性交流輸電技術(shù)，希望能夠起到參考的作用。

關(guān)鍵詞：高壓直流輸電；高壓交流輸電；優(yōu)缺點(diǎn)；柔性直流輸電技術(shù)

0引言

眾所周知，我國(guó)的能源供需分布極不平衡，76%的煤炭資源分布在北部和西北部，80%的水能資源分布在西南部；絕大部分陸地風(fēng)能、太陽(yáng)能資源分布在西北部，但是70%以上的能源需求卻集中在東中部。2015年我國(guó)全社會(huì)總用電量6.08萬(wàn)億千瓦時(shí)，最大負(fù)荷為9.91億千瓦，“十二五”期間年均增長(zhǎng)率為8.2%和8.5%； 2020年預(yù)計(jì)全社會(huì)用電量將達(dá)到7.84萬(wàn)億千瓦時(shí)，最大負(fù)荷將達(dá)到12.77億千瓦。西部能源基地與東部負(fù)荷中心距離在800-3000公里左右，遠(yuǎn)距離、大容量輸電是我國(guó)電網(wǎng)必須要面臨的現(xiàn)實(shí)情況。

高壓直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離、大容量方面展現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性，本文即探究高壓直流輸電技術(shù)。

1高壓直流輸電技術(shù)的內(nèi)涵

高壓直流輸電簡(jiǎn)稱HVDC，主要借助直流電無(wú)感抗、無(wú)容抗以及無(wú)需同步運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)而研發(fā)出的適用于大功率、遠(yuǎn)距離的輸電技術(shù)。

高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在架空線與海底電纜，當(dāng)然在一些傳統(tǒng)三相交流輸電技術(shù)不適用的場(chǎng)所，高壓直流輸電技術(shù)同樣可以大顯身手。

高壓直流輸電系統(tǒng)（詳見圖1）首先將發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的三相交流電通過(guò)換流站整流轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過(guò)直流輸電線路進(jìn)行遠(yuǎn)距離電力傳輸，另一端則為逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，然后供各類電氣設(shè)備使用。

高壓直流輸電系統(tǒng)主要包括換流器（即換流閥）、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、直流避雷器及控制保護(hù)設(shè)備等。

換流器是整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的核心部件，換流器是由單個(gè)或多個(gè)換流橋組成，功能為進(jìn)行交、直流轉(zhuǎn)換的設(shè)備。換流器可以分為兩類：整流器和逆變器，整流器是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。

2高壓直流輸電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1高壓交流輸電技術(shù)

1882年，美國(guó)著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、電氣工程師尼古拉一特斯拉發(fā)明了世界上第一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，隨后三相交流發(fā)電機(jī)、變壓器、三相異步電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備相繼問(wèn)世，人類社會(huì)真正意義上進(jìn)入了電氣文明時(shí)代。當(dāng)前三相交流電網(wǎng)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)了絕對(duì)的統(tǒng)治地位，交流輸電技術(shù)的優(yōu)越性體現(xiàn)在發(fā)電與配電上，利用電磁感應(yīng)定律即可將化學(xué)能、風(fēng)能、水能等其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，利用變壓器即可實(shí)現(xiàn)升降壓控制，因此在電能的配送方面相對(duì)便利，在輸送過(guò)程中為減少線路損耗，人們選擇高壓輸電。

交流輸電系統(tǒng)（圖3）要求系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)同步、穩(wěn)定運(yùn)行，且工作中需要進(jìn)行合理的無(wú)功補(bǔ)償，以保證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

2.2高壓直流輸電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2.1高壓交流輸電技術(shù)的缺陷分析

雖然三相交流電網(wǎng)處于主流地位，但是并非沒有缺點(diǎn)，其缺陷要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）由于交流架空輸電線路存在電容效應(yīng)、集膚效應(yīng)，容易導(dǎo)致超高壓輸電線路中設(shè)備因高壓竄入二次系統(tǒng)造成保護(hù)失靈或者變電站的高抗及其附屬設(shè)備損壞，甚至造成電網(wǎng)或設(shè)備的重大事故，這就制約了輸電距離與輸電容量。

（2）電網(wǎng)并網(wǎng)難題揮之不去，對(duì)于工頻不同的電網(wǎng)無(wú)法有效聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；對(duì)于工頻相同電網(wǎng)，受短路容量與系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，聯(lián)網(wǎng)合并問(wèn)題依然困難重重。

（3）超高交流輸電（一般指大于500kV）往往會(huì)對(duì)環(huán)境與生態(tài)產(chǎn)生不容忽視的影響，例如電磁污染所產(chǎn)生的電磁輻射將會(huì)干擾正常通信，同時(shí)對(duì)人體健康產(chǎn)生負(fù)面作用。電磁輻射會(huì)使人體內(nèi)的染色體、DNA等發(fā)生生理效應(yīng)，例如影響人的神經(jīng)系統(tǒng)等。

（4）電纜輸電過(guò)程中，由于電纜之間或者電纜對(duì)地均存在電容，且輸電線路越長(zhǎng)，該電容越大；距地越近，電容越大。電纜電容在充放電過(guò)程中產(chǎn)生大量損耗，且會(huì)“抬升”系統(tǒng)電壓，嚴(yán)重制約了輸電距離與容量。

2.2.2高壓直流輸電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

相比較于三相交流輸電技術(shù)，高壓直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)明顯：

（1）從節(jié)省成本的角度分析：在同等輸送功率的情況下，直流輸電技術(shù)由于輸電線路少（交流輸電需用三根導(dǎo)線，而直流輸電一般用兩根，且截面的利用率高），因此線路造價(jià)低；輸電過(guò)程中不存在感抗、容抗等無(wú)功功率消耗，因此功率損耗低；輸電過(guò)程中所占用的輸電走廊寬度狹窄，以500kV電壓輸電為例，一條±500kV直流輸電線路的走廊寬度約46m，一條500kV交流線路走廊寬度約50m，但前者輸送容量為后者3倍左右，即直流輸電效率約為交流3倍。

（2）從輸電控制角度分析：兩側(cè)交流輸電系統(tǒng)不必同時(shí)運(yùn)行，輸電距離不受系統(tǒng)同步運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，且輸送功率的大小、方向可以隨時(shí)調(diào)節(jié)、控制。直流輸電技術(shù)不存在電容電流，線路壓降小，沿線電壓分布均勻穩(wěn)定，線路部分無(wú)需設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償。

當(dāng)然，傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)也存在一定的缺點(diǎn)：例如換流設(shè)備造價(jià)昂貴，在輸送相同容量時(shí)，雖然直流線路單位長(zhǎng)度的造價(jià)比交流線路低，但直流輸電兩端換流站設(shè)備的造價(jià)比交流變電站成本高，這就引起了所謂的“等價(jià)距離”問(wèn)題；雖然在線路部分無(wú)需進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，但是在整流側(cè)或者逆變側(cè)均需要設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償，消耗無(wú)功功率約為輸送功率的40%～60%；換流器會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重電磁污染，為避免上述污染，需要設(shè)置濾波器；直流電壓器、斷路器、傳感器等電力原件尚不能完全滿足使用要求，亟待研發(fā)。

3目前我國(guó)高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)在高壓直流輸電技術(shù)，尤其是特高壓直流輸電技術(shù)方面走在世界前列，±800千伏特高壓直流輸電技術(shù)就是我國(guó)首次提出，且經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)，我國(guó)已全面掌握了特高壓設(shè)備制造核心技術(shù)，并進(jìn)行了工程實(shí)踐。例如向家壩一上?！?00千伏特高壓直流輸電示范工程，該工程起于四川宜賓復(fù)龍換流站，止于上海奉賢換流站，途經(jīng)四川、重慶、湖南、湖北、安徽、浙江、江蘇、上海八省市，線路全長(zhǎng)1907公里，額定輸送功率640萬(wàn)千瓦，最大連續(xù)輸送功率達(dá)700萬(wàn)千瓦，

是世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、送電距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的高壓直流輸電工程。

4柔性直流輸電技術(shù)

隨著GTO、IGBT等可關(guān)斷開關(guān)的興起，柔性直流輸電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。柔性直流輸電技術(shù)采用了電壓源換流器，該換流器主要利用了IGBT開關(guān)器與高頻調(diào)制技術(shù)，有效避免了換相失敗的問(wèn)題且省去了換流變壓器。

柔性直流輸電系統(tǒng)在換流器出口處通過(guò)調(diào)節(jié)出口電壓與系統(tǒng)電壓的功角差，實(shí)現(xiàn)了有功功率、無(wú)功功率的有效控制。基于此，柔性直流輸電可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)交流電網(wǎng)之間有功功率的傳遞，也可以在兩端換流站實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，甚至可對(duì)所連接的其他交流電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

5結(jié)論

高壓直流輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面具有顯著的優(yōu)越性，能夠有效解決我國(guó)能源供需地域不匹配的能源格局，同時(shí)該技術(shù)當(dāng)前存在技術(shù)難題也應(yīng)該正視，尤其是對(duì)超高壓換流器等設(shè)備的研發(fā)工作，需要進(jìn)一步加強(qiáng)，從而保證能源供需平衡，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速、健康發(fā)展。

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