高压直流输电及其应用前景
|
来源：网友投稿
(神华亿利能源有限责任公司电厂，内蒙古 达拉特旗 014300)
摘 要：文章叙述了高压直流输电技术的特点及我国电网的发展形势，介绍了高压直流输电的应用现状，同时预测了高压直流输电在我国的发展前景，指出了高压直流输电在我国电网发展中的
重要作用。
关键词：高压直流输电；应用；发展前景
中图分类号：TM721.1 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)05—0067—02
自1882年开创用直流输电输送电能的历史以来，随着电力电子技术的突飞猛进，高压直流输电技术也得到飞速发展。由于高压直流输电在长距离输电、电网互联等方面具有独特的优点，当今，作为高压交流输电技术的有力补充，高压直流输电技术已在全世界得到越来越多的应用。
由于我国地域辽阔，能源分布及负荷发展很不平衡，水利资源主要集中在西南数省，煤炭资源主要集中在山西、陕西和内蒙古西部，而负荷主要集中在东部沿海地区，因此远距离大容量输电势在必行。另一方面，电网互联是电力工业发展的必然趋势，我国各大区和独立省网的互联已进入实施阶段，利用高压直流输电作异步联网在技术上、经济上和安全性等方面的优势已在世界范围内得到证明。因此高压直流输电技术必将以其技术上和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和全国联网两个方面对我国电力工业的发展起到十分重要的作用。我国已成为世界范围内直流输电应用前景最为广阔的国家。
1 直流输电系统简介
在直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。在输电线路的始端，发电系统的交流电经换流变压器升压后，送到整流器中去。整流器的主要部件是可控硅变流器和进行交直流变换的整流阀，它的功能是将高压交流电变为高压直流电后，送入输电线路。直流电通过输电线路送到逆变器中。逆变器的结构与整流器相同而作用刚好相反，它把高压直流电变为高压交流电。再经过换流变压器降压，交流系统的电能就输送到了交流系统中。在直流输电系统中，通过改变换流器的控制状态，也可以把交流系统中的电能送到直流系统中去，即整流器和逆变器是可以互相转换的。
2 高压直流输电的特点
相对于交流输电，高压直流输电在经济方面有如下优点：
①线路造价低。对于架空输电线，交流用3根导线，而直流一般用2根采用大地或海水作回路时只要一根，能节省大量的线路建设费用。对于电缆，由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度，如通常的油浸纸电缆，直流的允许工作电压约为交流的3倍，直流电缆的投资少得多。
②年电能损失小。直流架空输电线只用2根，导线电阻损耗比交流输电小；没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，导线的截面利用充分。另外，直流架空线路的“空间电荷效应”使其电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小。
所以，直流架空输电线路在线路建设初投资和年运行费用上均较交流经济。
相对于交流输电，高压直流输电在技术方面有如下优点：
①不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联，而交流电力系统中所有的同步发电机都保持同步运行。在一定的输电电压下，交流输电容许输送功率和距离受到网络结构和参数的限制，还须采取提高稳定性的措施，增加了费用。而用直流输电系统连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，不存在上述稳定问题。因此，直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，还可连接两个不同频率的系统，实现非同期联网，提高系统的稳定性。
②限制短路电流。如用交流输电线连接2个交流系统，短路容量增大，甚至需要更换断路器或增设限流装置。然而用直流输电线路连接两个交流系统，直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近，短路容量不因互联而增大。
③调节快速，运行可靠。直流输电通过可控硅换流器能快速调整有功功率，实现“潮流翻转”(功率流动方向的改变)，在正常时能保证稳定输出，在事故情况下，可实现健全系统对故障系统的紧急支援，也能实现振荡阻尼和次同步振荡的抑制。在交直流线路并列运行时，如果交流线路发生短路，可短暂增大直流输送功率以减少发电机转子加速，提高系统的可靠性。
④没有电容充电电流。直流线路稳态时无电容电流，沿线电压分布平稳，无空、轻载时交流长线受端及中部发生电压异常升高的现象，也不需要并联电抗补偿。
⑤节省线路走廊。按同电压500KV考虑，一条直流输电线路的走廊约40m,一条交流线路的走廊约50m，而前者输送容量约为后者的2倍，既直流传输效率约为交流的2倍。
特高压输电的主要缺点是系统的稳定性和可靠性问题不易解决。自1965～1984年世界上共发生了6次交流大电网瓦解事故，其中4次发生在美国，2次在欧洲。这些严重的大电网瓦解事故说明采用交流互联的大电网存在着安全稳定、事故连锁反应及大面积停电等难以解决的问题。特别是在特高压线路出现初期，不能形成主网架，线路负载能力较低，电源的集中送出带来了较大的稳定性问题。下级电网不能解环运行，导致不能有效降低受端电网短路电流，这些都威胁着电网的安全运行。另外，特高压交流输电对环境影响较大。
通过以上的介绍和分析，可以看出高压直流输电特别适用于长距离大容量输电以及电网的互联。
3 我国电网发展的形势
我国各地区资源分布和经济发展很不平衡：从一次能源分布看，水能资源主要集中于西部和西南部地区，可开发容量占全国８３％，煤炭资源集中于华北和西北部地区，占全国８０％；从各地区经济发展和电力消费水平看，中部和东部沿海地区经济总量占全国８２％，电力消费占７８％，而西部地区则分别只占１８％和２２％。这种资源和经济发展的不平衡客观上要求必须加快全国联网，推动西电东送和南北互供，以促进全国范围内的资源优化配置。
由于具备远距离、大容量输电以及电网互联等方面的优势，高压直流输电将在优化能源配置方面发挥重要的作用。不仅能解决煤电基地大规模外送的问题，有利于加快新疆火电和西藏水电的开发利用，还可将俄罗斯、蒙古、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦等周边国家的电力能源资源纳入我国市场进行配置。
4 高压直流输电技术的应用
鉴于高压直流输电在技术和经济上的特点，它主要应用于长距离大容量架空输电、电网互联、长距离海底电缆输电等场合。
世界上很多国家都采用了这种技术。目前，在五大洲都分布有高压直流输电工程，且密集于北美和西欧等经济发达地区。随着经济发展地域移向亚洲，我国及周边地区的直流输电工程越来越多。其中值得一提的是同为发展中的国家的印度。它具有五大区域电网，正在实施用高压直流输电实现电网互联，目前已投运3条长距离大容量架空直流输电线路。
我国在1988年建成了从浙江穿山半岛至舟山岛100kV直流海底电缆送电实验工程，额定输电容量为50MW，输送距离13.5km。1990年，从湖北葛洲坝至上海的葛南双极直流输电线路投入商业运行，其额定容量为1 200MW，额定电压为±500kV，送电距离为1 045km。它既是我国第一条长距离大容量高压直流输电线路，又是区域电网直流互联工程。中国电力从此进入了交直流混合输电的时代。
2001年6月，从广西天生桥至广州北郊的天广双极直流输电线路投入商业运行。这是我国第二条长距离大容量高压直流输电线路，其额定容量为1 800MW，额定电压为±500kV，送电距离为960km。为了将湖北三峡的电力东送华东地区，计划再建两条高压直流输电线路。第一条从三峡左岸至江苏常州，其额定容量为3 000MW，额定电压为±500kV，送电距离为970km。第二条从三峡右岸至上海地区，计划2007～2008年投运，其额定容量为3 000MW，额定电压为±500kV，送电距离约1 000km。届时包括葛南线在内，将有7 200MW功率通过三条高压直流输电线路把西部电力送往东部地区。
在十五期间，需要向广东地区输送10,000MW的电力。在这些功率中，计划将有7800MW通过三条直流线路输送，即直流输送容量占总输电容量的78%。这三条直流线路分别是，第一条是天广双极直流输电线路，第二条从三峡至广东惠州，其额定容量为3 000MW，额定电压为±500kV，送电距离为975km。第三条从贵州安顺至广东肇庆，其额定容量也为3 000MW，额定电压为±500kV，送电距离为940km。
此外，我国西北——华中背靠背直流联网工程已于2005年投运。该工程将把西北330kV电网和华中220kV电网互联起来，输送容量为360MW。
5 高压直流输电在我国的发展前景
根据我国电网的远景规划，在北方火电基地建成之前，我国将形成北部、中部、南方三大联合电力系统。三峡水电站计划将于2009年建成，装机容量18.2GW，向华东输送容量8GW，输送距离1 100km。目前初步确定的电压等级方案为500kV交流加500kV直流的交、直流混合方案。这一方案使电站的出线回路偏多，电压等级偏低。
从国外电力系统发展的历史来看，一座或数座大型电站接入系统，会促使系统出现更高一级电压等级。我国西北刘家峡电站的接入系统开始形成了西北330kV电网；葛洲坝水电站建成，使我国华中地区形成了500kV电网。在国外，加拿大为邱吉瀑布水电站群建设了735kV电网；俄罗斯为核电站送电建设了750kV电网。我国三峡水电站的建成以及今后发展特大型水、火基地，都极有可能需要建立特高压输电网。
但是，在现阶段，特高压输电技术储备不足，没有成套成熟的技术；而直流输电在可控性、隔离故障及运行管理等方面占有许多优势，特别是采用直流联网时两网之间的波动互不干扰，稳定性很高 。因此，在未来20年，直流输电将作为长距离大容量输电的主要方式和500 kV交流网架的强化措施，以便在无更高一级交流电压输电线路时形成大区电网互联。
科学领域的新成就将扩展直流输电技术的用途。一些新的发电方式，比如磁流体、电气体、燃料电池和太阳电池等产生的电能都是以直流方式送出并经逆变器交换后送入交流电力系统，远海中的海洋能发电厂需用海底直流电缆将电能送到大陆。另外，新型电池和超导等新的储能系统和交流电力系统连接时都需要有关直流输电的技术。
总之，随着直流输电技术的日益成熟、输电设备(主要是换流器)价格的下降和换流站可用率的提高，它在电力系统必将得到更多的应用。
6 结语
综上所述，由于高压直流输电在长距离输电、电网互联等方面具有的独特优点，使其作为高压交流输电的有力补充，在我国西电东送、南北互供和全国电网互联等工程中正在和将要发挥重要作用。可以预见，随着电力电子器件的进一步发展、计算机技术的更新换代、输变电新材料的出现、新能源和可再生能源的开发利用，高压直流输电将拥有更加广阔的应用前景。
［参考文献］
［1］ 戴熙杰.直流输电基础［M］.北京:水利电力出版社,1990.DAI.
［2］ 黄万永等，跨省电网以直流相联是全国联网的最佳模式［M］.电网技术，1999.1.
［3］ 李兴源.高压直流输电系统的运行和控制［M］.北京：科学出版社.1998.
［4］ 朱鸣海.关于发展我国特高压输电的意见［J］.电网技术，1995，19(3)：54.
［5］ 郑美特.全国联网和大区形成主干网架的研究［J］.电网技术，1999，23(1)：63.
［6］ 万启发.21世纪我国的特高压输电［J］.高电压技术，2000，26(6)：12.
摘 要：文章叙述了高压直流输电技术的特点及我国电网的发展形势，介绍了高压直流输电的应用现状，同时预测了高压直流输电在我国的发展前景，指出了高压直流输电在我国电网发展中的
重要作用。
关键词：高压直流输电；应用；发展前景
中图分类号：TM721.1 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)05—0067—02
自1882年开创用直流输电输送电能的历史以来，随着电力电子技术的突飞猛进，高压直流输电技术也得到飞速发展。由于高压直流输电在长距离输电、电网互联等方面具有独特的优点，当今，作为高压交流输电技术的有力补充，高压直流输电技术已在全世界得到越来越多的应用。
由于我国地域辽阔，能源分布及负荷发展很不平衡，水利资源主要集中在西南数省，煤炭资源主要集中在山西、陕西和内蒙古西部，而负荷主要集中在东部沿海地区，因此远距离大容量输电势在必行。另一方面，电网互联是电力工业发展的必然趋势，我国各大区和独立省网的互联已进入实施阶段，利用高压直流输电作异步联网在技术上、经济上和安全性等方面的优势已在世界范围内得到证明。因此高压直流输电技术必将以其技术上和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和全国联网两个方面对我国电力工业的发展起到十分重要的作用。我国已成为世界范围内直流输电应用前景最为广阔的国家。
1 直流输电系统简介
在直流输电系统中，只有输电环节是直流电，发电系统和用电系统仍然是交流电。在输电线路的始端，发电系统的交流电经换流变压器升压后，送到整流器中去。整流器的主要部件是可控硅变流器和进行交直流变换的整流阀，它的功能是将高压交流电变为高压直流电后，送入输电线路。直流电通过输电线路送到逆变器中。逆变器的结构与整流器相同而作用刚好相反，它把高压直流电变为高压交流电。再经过换流变压器降压，交流系统的电能就输送到了交流系统中。在直流输电系统中，通过改变换流器的控制状态，也可以把交流系统中的电能送到直流系统中去，即整流器和逆变器是可以互相转换的。
2 高压直流输电的特点
相对于交流输电，高压直流输电在经济方面有如下优点：
①线路造价低。对于架空输电线，交流用3根导线，而直流一般用2根采用大地或海水作回路时只要一根，能节省大量的线路建设费用。对于电缆，由于绝缘介质的直流强度远高于交流强度，如通常的油浸纸电缆，直流的允许工作电压约为交流的3倍，直流电缆的投资少得多。
②年电能损失小。直流架空输电线只用2根，导线电阻损耗比交流输电小；没有感抗和容抗的无功损耗；没有集肤效应，导线的截面利用充分。另外，直流架空线路的“空间电荷效应”使其电晕损耗和无线电干扰都比交流线路小。
所以，直流架空输电线路在线路建设初投资和年运行费用上均较交流经济。
相对于交流输电，高压直流输电在技术方面有如下优点：
①不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联，而交流电力系统中所有的同步发电机都保持同步运行。在一定的输电电压下，交流输电容许输送功率和距离受到网络结构和参数的限制，还须采取提高稳定性的措施，增加了费用。而用直流输电系统连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，不存在上述稳定问题。因此，直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，还可连接两个不同频率的系统，实现非同期联网，提高系统的稳定性。
②限制短路电流。如用交流输电线连接2个交流系统，短路容量增大，甚至需要更换断路器或增设限流装置。然而用直流输电线路连接两个交流系统，直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近，短路容量不因互联而增大。
③调节快速，运行可靠。直流输电通过可控硅换流器能快速调整有功功率，实现“潮流翻转”(功率流动方向的改变)，在正常时能保证稳定输出，在事故情况下，可实现健全系统对故障系统的紧急支援，也能实现振荡阻尼和次同步振荡的抑制。在交直流线路并列运行时，如果交流线路发生短路，可短暂增大直流输送功率以减少发电机转子加速，提高系统的可靠性。
④没有电容充电电流。直流线路稳态时无电容电流，沿线电压分布平稳，无空、轻载时交流长线受端及中部发生电压异常升高的现象，也不需要并联电抗补偿。
⑤节省线路走廊。按同电压500KV考虑，一条直流输电线路的走廊约40m,一条交流线路的走廊约50m，而前者输送容量约为后者的2倍，既直流传输效率约为交流的2倍。
特高压输电的主要缺点是系统的稳定性和可靠性问题不易解决。自1965～1984年世界上共发生了6次交流大电网瓦解事故，其中4次发生在美国，2次在欧洲。这些严重的大电网瓦解事故说明采用交流互联的大电网存在着安全稳定、事故连锁反应及大面积停电等难以解决的问题。特别是在特高压线路出现初期，不能形成主网架，线路负载能力较低，电源的集中送出带来了较大的稳定性问题。下级电网不能解环运行，导致不能有效降低受端电网短路电流，这些都威胁着电网的安全运行。另外，特高压交流输电对环境影响较大。
通过以上的介绍和分析，可以看出高压直流输电特别适用于长距离大容量输电以及电网的互联。
3 我国电网发展的形势
我国各地区资源分布和经济发展很不平衡：从一次能源分布看，水能资源主要集中于西部和西南部地区，可开发容量占全国８３％，煤炭资源集中于华北和西北部地区，占全国８０％；从各地区经济发展和电力消费水平看，中部和东部沿海地区经济总量占全国８２％，电力消费占７８％，而西部地区则分别只占１８％和２２％。这种资源和经济发展的不平衡客观上要求必须加快全国联网，推动西电东送和南北互供，以促进全国范围内的资源优化配置。
由于具备远距离、大容量输电以及电网互联等方面的优势，高压直流输电将在优化能源配置方面发挥重要的作用。不仅能解决煤电基地大规模外送的问题，有利于加快新疆火电和西藏水电的开发利用，还可将俄罗斯、蒙古、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦等周边国家的电力能源资源纳入我国市场进行配置。
4 高压直流输电技术的应用
鉴于高压直流输电在技术和经济上的特点，它主要应用于长距离大容量架空输电、电网互联、长距离海底电缆输电等场合。
世界上很多国家都采用了这种技术。目前，在五大洲都分布有高压直流输电工程，且密集于北美和西欧等经济发达地区。随着经济发展地域移向亚洲，我国及周边地区的直流输电工程越来越多。其中值得一提的是同为发展中的国家的印度。它具有五大区域电网，正在实施用高压直流输电实现电网互联，目前已投运3条长距离大容量架空直流输电线路。
我国在1988年建成了从浙江穿山半岛至舟山岛100kV直流海底电缆送电实验工程，额定输电容量为50MW，输送距离13.5km。1990年，从湖北葛洲坝至上海的葛南双极直流输电线路投入商业运行，其额定容量为1 200MW，额定电压为±500kV，送电距离为1 045km。它既是我国第一条长距离大容量高压直流输电线路，又是区域电网直流互联工程。中国电力从此进入了交直流混合输电的时代。
2001年6月，从广西天生桥至广州北郊的天广双极直流输电线路投入商业运行。这是我国第二条长距离大容量高压直流输电线路，其额定容量为1 800MW，额定电压为±500kV，送电距离为960km。为了将湖北三峡的电力东送华东地区，计划再建两条高压直流输电线路。第一条从三峡左岸至江苏常州，其额定容量为3 000MW，额定电压为±500kV，送电距离为970km。第二条从三峡右岸至上海地区，计划2007～2008年投运，其额定容量为3 000MW，额定电压为±500kV，送电距离约1 000km。届时包括葛南线在内，将有7 200MW功率通过三条高压直流输电线路把西部电力送往东部地区。
在十五期间，需要向广东地区输送10,000MW的电力。在这些功率中，计划将有7800MW通过三条直流线路输送，即直流输送容量占总输电容量的78%。这三条直流线路分别是，第一条是天广双极直流输电线路，第二条从三峡至广东惠州，其额定容量为3 000MW，额定电压为±500kV，送电距离为975km。第三条从贵州安顺至广东肇庆，其额定容量也为3 000MW，额定电压为±500kV，送电距离为940km。
此外，我国西北——华中背靠背直流联网工程已于2005年投运。该工程将把西北330kV电网和华中220kV电网互联起来，输送容量为360MW。
5 高压直流输电在我国的发展前景
根据我国电网的远景规划，在北方火电基地建成之前，我国将形成北部、中部、南方三大联合电力系统。三峡水电站计划将于2009年建成，装机容量18.2GW，向华东输送容量8GW，输送距离1 100km。目前初步确定的电压等级方案为500kV交流加500kV直流的交、直流混合方案。这一方案使电站的出线回路偏多，电压等级偏低。
从国外电力系统发展的历史来看，一座或数座大型电站接入系统，会促使系统出现更高一级电压等级。我国西北刘家峡电站的接入系统开始形成了西北330kV电网；葛洲坝水电站建成，使我国华中地区形成了500kV电网。在国外，加拿大为邱吉瀑布水电站群建设了735kV电网；俄罗斯为核电站送电建设了750kV电网。我国三峡水电站的建成以及今后发展特大型水、火基地，都极有可能需要建立特高压输电网。
但是，在现阶段，特高压输电技术储备不足，没有成套成熟的技术；而直流输电在可控性、隔离故障及运行管理等方面占有许多优势，特别是采用直流联网时两网之间的波动互不干扰，稳定性很高 。因此，在未来20年，直流输电将作为长距离大容量输电的主要方式和500 kV交流网架的强化措施，以便在无更高一级交流电压输电线路时形成大区电网互联。
科学领域的新成就将扩展直流输电技术的用途。一些新的发电方式，比如磁流体、电气体、燃料电池和太阳电池等产生的电能都是以直流方式送出并经逆变器交换后送入交流电力系统，远海中的海洋能发电厂需用海底直流电缆将电能送到大陆。另外，新型电池和超导等新的储能系统和交流电力系统连接时都需要有关直流输电的技术。
总之，随着直流输电技术的日益成熟、输电设备(主要是换流器)价格的下降和换流站可用率的提高，它在电力系统必将得到更多的应用。
6 结语
综上所述，由于高压直流输电在长距离输电、电网互联等方面具有的独特优点，使其作为高压交流输电的有力补充，在我国西电东送、南北互供和全国电网互联等工程中正在和将要发挥重要作用。可以预见，随着电力电子器件的进一步发展、计算机技术的更新换代、输变电新材料的出现、新能源和可再生能源的开发利用，高压直流输电将拥有更加广阔的应用前景。
［参考文献］
［1］ 戴熙杰.直流输电基础［M］.北京:水利电力出版社,1990.DAI.
［2］ 黄万永等，跨省电网以直流相联是全国联网的最佳模式［M］.电网技术，1999.1.
［3］ 李兴源.高压直流输电系统的运行和控制［M］.北京：科学出版社.1998.
［4］ 朱鸣海.关于发展我国特高压输电的意见［J］.电网技术，1995，19(3)：54.
［5］ 郑美特.全国联网和大区形成主干网架的研究［J］.电网技术，1999，23(1)：63.
［6］ 万启发.21世纪我国的特高压输电［J］.高电压技术，2000，26(6)：12.
上一篇：曲线钢轨侧磨的原因及预防措施