特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用探究

殷振

（國(guó)網(wǎng)安徽電力有限公司檢修分公司±1100kV 古泉換流站，安徽 宣城 242074）

引言

目前，世界上主要的技術(shù)和電氣設(shè)備轉(zhuǎn)讓國(guó)已經(jīng)在利用它們來有效地解決諸如遠(yuǎn)離電網(wǎng)等問題。直流電傳動(dòng)原理是，先通過變流機(jī)整流，然后倒置，最后再送入交流網(wǎng)。與交流輸電技術(shù)相比，直流輸電有以下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備面積經(jīng)濟(jì)，傳輸損耗減少，傳輸方式具有一定彈性。因此，目前全世界的電力系統(tǒng)已被大規(guī)模用于傳輸直流電，目前正在對(duì)主要的高壓直流輸電技術(shù)進(jìn)行研究，分析未來的趨勢(shì)，總結(jié)設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn)，為了確保我國(guó)的高壓直流電傳輸技術(shù)不具有創(chuàng)新性和完善性，保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)的質(zhì)量發(fā)展。

一、建設(shè)特高壓直流輸電工程的意義

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，全世界的能源消費(fèi)正在增加。所有這些發(fā)達(dá)國(guó)家都有能力通過提供高功率、高電壓和長(zhǎng)距離的電力滿足其能源需求。雖然我國(guó)的電力供應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)電力的需求，但我國(guó)的電力供應(yīng)不足直接影響到我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展。我國(guó)的國(guó)情要求在今后長(zhǎng)期發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施和基本工業(yè)。這需要強(qiáng)大的能量為經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展提供持久的支持。在高壓直流輸電技術(shù)中，容量大、傳輸距離大的優(yōu)勢(shì)在于便捷的靈活的管理方式。這種傳輸方式對(duì)于遠(yuǎn)距離發(fā)電和換料是必不可少的。在輸電過程中，交流電變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^高壓線轉(zhuǎn)換為最終集成到網(wǎng)絡(luò)中的下一個(gè)過渡站。與交流輸電相比，高壓直流輸電比較有彈性輸電方式，損耗低，傳輸走廊的小業(yè)務(wù)和高度的控制。此外，高壓直流傳輸法還提供了可靠、可靠和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。正是由于高壓直流傳輸?shù)暮锰帲澜绺鲊?guó)不斷研究、運(yùn)用和發(fā)展這一過程。

二、特高壓直流輸電技術(shù)簡(jiǎn)介

（一）特高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

特高壓直流輸電系統(tǒng)的核心組成部分之一就是換流站設(shè)計(jì)與建設(shè)。雙極系統(tǒng)接線方式是我國(guó)目前主導(dǎo)建設(shè)特高壓直流輸電工程的首選接線方式。雙極12 脈動(dòng)換流站可以選擇包括雙極全電壓運(yùn)行和單極半電壓運(yùn)行等多種運(yùn)行方式。換流站靈活多變的運(yùn)行方式可以在換流閥發(fā)生故障時(shí)最大程度減小損失，保障輸電安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（二）特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式

直流輸電工程多采用雙極式連接方式，具有可靠性高、傳輸功率大等優(yōu)點(diǎn)。

1.中性點(diǎn)接地

通過這種方式，換流站的正負(fù)極相互連接，在直流側(cè)形成閉環(huán)。中性點(diǎn)雙極接地直流側(cè)連接是由單極接地環(huán)組成的。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，接地電路中的電流為零，因?yàn)閮杉?jí)電流相互抵消。

2.雙極金屬中線

雙極金屬中線模式是指由三根導(dǎo)線組成直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)電路。在直流側(cè)電路中，除了兩條正、負(fù)極線路外，還有一條中性線路，它們的絕緣程度較低。兩臺(tái)換流站一端中間點(diǎn)安全接地。

3.中性點(diǎn)雙極性接地

通過這種方式，兩極導(dǎo)體與換流站正負(fù)極相連，在直流側(cè)形成一個(gè)閉環(huán)。但是只有一個(gè)換流站的中性點(diǎn)可以安全地接地。因?yàn)榻拥鼐W(wǎng)不能形成環(huán)形，當(dāng)?shù)谝粯O線出現(xiàn)故障要求退出工作時(shí)，整個(gè)雙極系統(tǒng)必須關(guān)閉，不能以單極接地方式運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)是保證在工作時(shí)沒有電流通過地面。

（三）特高壓換流技術(shù)

高壓直流輸電技術(shù)工程應(yīng)用的全控型半導(dǎo)體換流閥階段，由于全控型半導(dǎo)體器件具備了自關(guān)斷電流能力，增加了一個(gè)控制自由度，實(shí)現(xiàn)了換流閥的四象限運(yùn)行，在換流技術(shù)上得到了革新?；谠摷夹g(shù)的高壓直流輸電被國(guó)際學(xué)術(shù)組織定義為“電壓源型換流器直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC）”，中國(guó)則統(tǒng)一命名為“柔性直流輸電技術(shù)”。相應(yīng)的，前兩個(gè)階段則被定義為電網(wǎng)強(qiáng)迫換相直流輸電技術(shù)（LCC-HVDC），在中國(guó)為與VSC-HVDC 相區(qū)別被稱為“傳統(tǒng)/常規(guī)直流輸電技術(shù)”，根據(jù)工程應(yīng)用電壓等級(jí)（目前以±800kV 為界）的不同被界定為“超高壓/特高壓直流輸電工程”

1.柔性直流輸電

加拿大學(xué)者Boon-TeckOoi 在1990 年正式提出采用PWM 技術(shù)控制的電壓源換流器(VSC）進(jìn)行直流輸電的概念。柔性直流輸電技術(shù)通過改變VSC 中全控型電力電子器件的開斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制交流側(cè)的無功和有功功率的目的，這樣不僅可以保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，還可以解決輸電技術(shù)中的一些棘手問題。對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)而言，無論是采用多電平換流器還是使用兩電平換流器，均為單極對(duì)稱系統(tǒng)。并聯(lián)換流站與串聯(lián)換流站相比具有損耗更低，調(diào)節(jié)范圍更大，擴(kuò)展方法更加靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以目前正在運(yùn)行的特高壓柔性直流輸電工程的換流站多采用并聯(lián)接線方案。

2.柔性直流輸電優(yōu)點(diǎn)

①換流站建設(shè)成本大幅降低。相對(duì)于交流輸電，傳統(tǒng)直流最大的問題是由于需要依靠電網(wǎng)強(qiáng)迫換相，需要消耗大量的無功，還會(huì)對(duì)交直流側(cè)產(chǎn)生一系列的高次諧波，因此換流站內(nèi)不得不配置針對(duì)性的交直流濾波器、平波電抗器等一次設(shè)備及其相應(yīng)的二次設(shè)備。不僅存在設(shè)備多而復(fù)雜、造價(jià)高、損耗大、可靠性差的問題，而且增加了設(shè)備和占地需求、年運(yùn)維工作量。②控制性能大幅提高。柔性直流因?yàn)檩^傳統(tǒng)直流多了一個(gè)控制自由度，能夠在額定容量?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的完全獨(dú)立控制，而傳統(tǒng)直流卻無法做到。③未來直流輸電的發(fā)展。對(duì)于未來高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展而言，柔性直流輸電技術(shù)由于具有不需要依靠電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)換相，能夠?qū)o源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電，具備STATCOM 運(yùn)行方式切換的能力等等在功能、性能上的優(yōu)勢(shì)，更加適合未來向高電壓大功率的直流輸電網(wǎng)，以及低電壓小功率的直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

三、直流輸電線路繼電保護(hù)研究現(xiàn)狀

（一）低電壓保護(hù)

作為高壓直流輸電線路后備繼電保護(hù)的常規(guī)對(duì)策，低電力保護(hù)一般通過檢測(cè)電壓的增幅值來進(jìn)行保護(hù)。有時(shí)候需要結(jié)合保護(hù)對(duì)象的特點(diǎn)，用極控低電壓與線路低電壓的方式進(jìn)行保護(hù)，一般來說，線路低電壓保護(hù)的定值要略高于極控低電壓保護(hù)。

如果高壓直流輸電線路發(fā)生了問題，會(huì)自動(dòng)關(guān)掉極控低電壓保護(hù)設(shè)置，同時(shí)會(huì)伴隨著低電壓保護(hù)設(shè)備的重新啟動(dòng)。一般進(jìn)行低電壓保護(hù)方法并不復(fù)雜，但由于缺載合理的整定運(yùn)算規(guī)則，對(duì)工程技術(shù)人員在故障類型方面的判定不太有利，所以應(yīng)用范圍并不廣泛。

（二）加強(qiáng)微分電壓保護(hù)

作為一種相對(duì)科學(xué)的繼電保護(hù)技術(shù)，差動(dòng)電壓保護(hù)有著主保護(hù)以及后備保護(hù)特點(diǎn)?，F(xiàn)今，某公司在用ABB 行波保護(hù)里面，就采取了檢測(cè)對(duì)象使用的電壓電平與電壓差動(dòng)策略。不過，因?yàn)槲鏖T子使用的ABB 方案后，上升的延遲時(shí)間過長(zhǎng)了，不能更好地發(fā)揮其后備保護(hù)作用，不過ABB 方案的上升時(shí)間整體延遲了至少20 毫秒；在高壓直流輸電線路電壓處于變化率在標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)里，容易發(fā)揮出后備保護(hù)的特點(diǎn)，但它也有一些弊端，就是抗干擾能力不強(qiáng)。對(duì)于微分電壓保護(hù)，一般來說，行波保護(hù)對(duì)于高壓直流輸電線路更有可靠性，更具靈敏度，不過由于其運(yùn)行的速度低于行波保護(hù)情況，這二種形式的繼電保護(hù)存在一些耐過度電阻能力不強(qiáng)，所以存在可靠性不足的問題。

如在進(jìn)行系統(tǒng)繼電保護(hù)整定值計(jì)算時(shí)，采取了上述計(jì)算方法，并作以下假設(shè)：一是針對(duì)某低壓?jiǎn)栴}的電廠，其采取的變壓器高壓側(cè)系統(tǒng)的電源為無窮大；二是在進(jìn)行過負(fù)荷保護(hù)時(shí)，該廠采用的是極端反時(shí)限工作原理；三是針對(duì)于該廠的限時(shí)電流速斷保護(hù)，采用的是定時(shí)限工作原理；四是針對(duì)于該廠單相接地保護(hù)，采用定時(shí)限工作原理；五是針對(duì)該廠電動(dòng)機(jī)電流，啟動(dòng)倍數(shù)是7 倍，啟動(dòng)時(shí)間是10s；六是針對(duì)MCC 母線的額定電流為300A；其是忽略電纜阻抗影響，最終計(jì)算得出400V 的三相短路電流為27.6kA。得到PC 進(jìn)線開關(guān)和變壓器進(jìn)線保護(hù)的定值。

（三）縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)

理論上講，縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)利用了雙／多端電氣量，從原理上就能夠保證絕對(duì)的選擇性，但由于直流輸電線路差動(dòng)保護(hù)利用兩端電流簡(jiǎn)單加和構(gòu)造差動(dòng)判據(jù)，沒有考慮輸電線路分布電容的影響，需要等暫態(tài)過程消失后差動(dòng)保護(hù)判據(jù)才能成立，因此，它在故障后投入的時(shí)間晚且需要長(zhǎng)延時(shí)確 認(rèn)。按照設(shè)計(jì)，它僅負(fù)責(zé)切除高阻故障，是直流輸電線路的后備保護(hù)。

四、特高壓輸電技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用前景

（一）經(jīng)濟(jì)前景

特高壓直流輸電技術(shù)在我國(guó)具有很大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，發(fā)展前景廣闊。隨著西電東送工程的實(shí)施，電網(wǎng)企業(yè)對(duì)其輸電能力提出了更高的要求。在工程建設(shè)過程中，傳統(tǒng)的輸電技術(shù)占用大量耕地，不僅耗資巨大，而且對(duì)周圍環(huán)境造成不同程度的破壞，因此需要采用特高壓輸電技術(shù)來解決。特高壓輸電技術(shù)在滿足人們生產(chǎn)、生活用電的基礎(chǔ)上，又能節(jié)約建設(shè)成本、保護(hù)環(huán)境，具有廣闊的經(jīng)濟(jì)前景。

1.擴(kuò)大城市供電容量

當(dāng)今大城市的集中負(fù)荷迅速的增加極大地?cái)U(kuò)大了城市中心的電力需求，然而，城市寸土寸金，空間有限，造成了供電走廊愈來愈狹小，再加之嚴(yán)格的環(huán)保要求，使得高壓遠(yuǎn)距離的地下電纜供電方式成了發(fā)展所趨。當(dāng)然，供電網(wǎng)絡(luò)的短路容量會(huì)隨著總?cè)萘康臄U(kuò)展而增加，使得具有超過容量極限的潛在危險(xiǎn)。為了避免出現(xiàn)交流電纜運(yùn)行存在的電容電流，采用基于VSC 的高壓直流電纜輸電技術(shù)是不二選擇。同時(shí)，直流輸電具有的功率可控策略，可限制短路容量，大大增強(qiáng)供電系統(tǒng)的可靠性。

2.向遠(yuǎn)方負(fù)荷區(qū)供電

使用交流輸電技術(shù)向偏遠(yuǎn)負(fù)荷供電時(shí)，比如偏遠(yuǎn)農(nóng)村、島嶼等，輸電費(fèi)用相當(dāng)高，而且損耗大。在政府扶持下，這些地域往往會(huì)有自己的分布式電源，比如小火電廠、柴油發(fā)電機(jī)組等，但是這樣一來，增加發(fā)電成本的同時(shí)也加劇了環(huán)境污染。為解決上述問題，仍可采用高壓直流的輸電技術(shù)，從大電網(wǎng)取得優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的電力供應(yīng)。同時(shí)，也可以利用海上加工廠，如天然氣石油開采中排放的廢氣熱能來發(fā)電，再通過HVDC系統(tǒng)送入主網(wǎng)，達(dá)到廢舊利用、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

（二）施工前景

特高壓直流輸電技術(shù)能提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，輸電走廊狹窄，能耗低，效率高。而特高壓直流輸電技術(shù)在技術(shù)上要求很高，兩者可以結(jié)合使用交流輸電技術(shù)，達(dá)到優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的目的。

結(jié)語

近年來，我國(guó)電力系統(tǒng)工作者結(jié)合中國(guó)國(guó)情，開展了特高壓直流輸電技術(shù)研究，為換流站設(shè)計(jì)、換流閥冷卻設(shè)計(jì)、輸電線路設(shè)計(jì)等提供了技術(shù)支持，為我國(guó)特高壓直流輸電工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，保證了特高壓直流工程的順利實(shí)施，同時(shí)由于我國(guó)資源分布不均，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力需求的日益增長(zhǎng)，特高壓直流技術(shù)在電網(wǎng)發(fā)展史上占有舉足輕重的地位。在世界范圍內(nèi)，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，以及影響特高壓直流輸電工程穩(wěn)定性的因素越來越多，我國(guó)下一步需要進(jìn)一步完善特高壓直流輸電技術(shù)，提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，確保特高壓直流輸電工程成為保障人民生活、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要工程。