高壓直流輸電

　　介紹

　　高壓直流輸電技術(shù)被用于通過架空線和海底電纜遠(yuǎn)距離輸送電能；同時(shí)在一些不適于用傳統(tǒng)交流聯(lián)接的場合，它也被用于獨(dú)立電力系統(tǒng)間的聯(lián)接。世界上第一條商業(yè)化的高壓直流輸電線路1954年誕生于瑞典，用于連接瑞典本土和哥特蘭島，由阿西亞公司(ASEA,今ABB集團(tuán))完成。

　　功能

　　在一個(gè)高壓直流輸電系統(tǒng)中，電能從三相交流電網(wǎng)的一點(diǎn)導(dǎo)出，在換流站轉(zhuǎn)換成直流，通過架空線或電纜傳送到接受點(diǎn)；直流在另一側(cè)換流站轉(zhuǎn)化成交流后，再進(jìn)入接收方的交流電網(wǎng)。直流輸電的額定功率通常大于100兆瓦，許多在1000-3000兆瓦之間。

　　高壓直流輸電用于遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離輸電，因?yàn)樗鄬?duì)傳統(tǒng)的交流輸電更經(jīng)濟(jì)。

　　應(yīng)用高壓直流輸電系統(tǒng)，電能等級(jí)和方向均能得到快速精確的控制，這種性能可提高它所連接的交流電網(wǎng)性能和效率，直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)被普遍應(yīng)用。

　　高壓直流輸電是將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電線路送往另一個(gè)換流站逆變成三相交流電的輸電方式。它基本上由兩個(gè)換流站和直流輸電線組成，兩個(gè)換流站與兩端的交流系統(tǒng)相連接。

　　直流輸電線造價(jià)低于交流輸電線路但換流站造價(jià)卻比交流變電站高得多。一般認(rèn)為架空線路超過600-800km，電纜線路超過40-60km直流輸電較交流輸電經(jīng)濟(jì)。隨著高電壓大容量可控硅及控制保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，換流設(shè)備造價(jià)逐漸降低直流輸電近年來發(fā)展較快。我國葛洲壩一上海1100km、±500kV,輸送容量的直流輸電工程，已經(jīng)建成并投入運(yùn)行。此外，全長超過2000公里的向家壩-上海直流輸電工程也已經(jīng)完成。該線路是目前（截至2011年初）世界上距離最長的高壓直流輸電項(xiàng)目。

　　主要優(yōu)點(diǎn)

　　是不增加系統(tǒng)的短路容量便于實(shí)現(xiàn)兩大電力系統(tǒng)的非同期聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和不同頻率的電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng);利用直流系統(tǒng)的功率調(diào)制能提高電力系統(tǒng)的阻尼，抑制低頻振蕩，提高并列運(yùn)行的交流輸電線的輸電能力。它的主要缺點(diǎn)是直流輸電線路難于引出分支線路絕大部分只用于端對(duì)端送電。加拿大原計(jì)劃開發(fā)和建設(shè)五端直流輸電系統(tǒng)現(xiàn)已建成三端直流輸電系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)多端直流輸電系統(tǒng)的主要技術(shù)困難是各種運(yùn)行方式下的線路功率控制問題。目前，一般認(rèn)為三端以上的直流輸電系統(tǒng)技術(shù)上難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理性待研究。

　　主要設(shè)備包括換流器、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。

　　換流器又稱換流閥是換流站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是實(shí)現(xiàn)整流和逆變。目前換流器多數(shù)采用晶閘管可控硅整流管)組成三相橋式整流作為基本單元，稱為換流橋。一般由兩個(gè)或多個(gè)換流橋組成換流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交流變直流直流變交流的功能。

　　換流器在整流和逆變過程中將要產(chǎn)生5、7、11、13、17、19等多次諧波。為了減少各次諧波進(jìn)入交流系統(tǒng)在換流站交流母線上要裝設(shè)濾波器。它由電抗線圈、電容器和小電阻3種設(shè)備串聯(lián)組成通過調(diào)諧的參數(shù)配合可濾掉多次諧波。一般在換流站的交流側(cè)母線裝有5、7、11、13次諧波濾波器組。

　　單極又分為一線一地和單極兩線的方式。直流輸電一般采用雙極線路，當(dāng)換流器有一極退出運(yùn)行時(shí)，直流系統(tǒng)可按單極兩線運(yùn)行，但箱送功率要減少一半。

　　2009年，瑞士ABB集團(tuán)與西班牙Abengoa集團(tuán)合作，開始建設(shè)連接巴西西北部兩座新建水電站和巴西經(jīng)濟(jì)中心圣保羅的2500公里高壓直流輸電線路。該線路竣工后將成為世界最長的高壓直流輸電線路。[1]

　　節(jié)能探索自上世紀(jì)80年代以來，電力傳輸技術(shù)的發(fā)展步伐明顯加快，提高傳輸能力的辦法不斷涌現(xiàn)，既有直流輸電技術(shù)、柔性交流輸電技術(shù)、分頻輸電技術(shù)等高新技術(shù)，同時(shí)也有對(duì)現(xiàn)有高壓交流輸電線路的增容改造技術(shù)，如升壓改造、復(fù)導(dǎo)增容改造、交流輸電線路改為直流輸電技術(shù)等。直流輸電，對(duì)于提高現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)的傳輸能力，挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛力，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，實(shí)施起來可收到事半功倍的效果。

　　經(jīng)濟(jì)性三大特性突出節(jié)能效果

　　從經(jīng)濟(jì)方面看，直流輸電有以下三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

　　首先，線路造價(jià)低，節(jié)省電纜費(fèi)用。直流輸電只需兩根導(dǎo)線，采用大地或海水作回路只用一根導(dǎo)線，能夠節(jié)省大量線路投資，因此電纜費(fèi)用省得多。

　　其次，運(yùn)行電能損耗小，傳輸節(jié)能效果顯著。直流輸電導(dǎo)線根數(shù)少，電阻發(fā)熱損耗小，沒有感抗和容抗的無功損耗，且傳輸功率的增加使單位損耗降低，大大提高了電力傳輸中的節(jié)能效果。

　　最后，線路走廊窄，征地費(fèi)省。以同級(jí)500千伏電壓為例，直流線路走廊寬僅40米，對(duì)于數(shù)百千米或數(shù)千千米的輸電線路來說，其節(jié)約的土地量是很可觀的。

　　除了經(jīng)濟(jì)性，直流輸電的技術(shù)性也可圈可點(diǎn)。直流輸電調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行可靠。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^可控硅換流器快速調(diào)整功率、實(shí)現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)。此外，直流輸電線路無電容充電電流，直流線路無電容充電電流，電壓分布平穩(wěn)，負(fù)載大小不發(fā)生電壓異常不需并聯(lián)電抗。

　　提升空間大功率電力電子器件將改善直流輸電性能

　　直流輸電最核心的技術(shù)集中于換流站設(shè)備，換流站實(shí)現(xiàn)了直流輸電工程中直流和交流相互能量轉(zhuǎn)換，除在交流場具有交流變電站相同的設(shè)備外，還有以下特有設(shè)備：換流閥、控制保護(hù)系統(tǒng)、換流變壓器、交流濾波器和無功補(bǔ)償設(shè)備、直流濾波器、平波電抗器以及直流場設(shè)備，而換流閥是換流站中的核心設(shè)備，其主要功能是進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，從最初的汞弧閥發(fā)展到現(xiàn)在的電控和光控晶閘管閥。

　　晶閘管用于高壓直流輸電已有很長的歷史。近10多年來，可關(guān)斷的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等大功率電子器件的開斷能力不斷提高，新的大功率電力電子器件的研究開發(fā)和應(yīng)用，將進(jìn)一步改善新一代的直流輸電性能、大幅度簡化設(shè)備、減少換流站的占地、降低造價(jià)。

　　觀點(diǎn)

　　遠(yuǎn)距離輸電優(yōu)勢明顯

　　發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流閥變成直流電，然后通過直流輸電線路送至受電端再變成交流電，注入受端交流電網(wǎng)。業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)為。高壓直流輸電具有線路輸電能力強(qiáng)、損耗小、兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行、發(fā)生故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的損失小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于長距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)大功率輸電。

　　其中，輕型直流輸電系統(tǒng)采用可關(guān)斷的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等可關(guān)斷的器件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競爭力。

　　此外，可關(guān)斷器件組成的換流器，還可用于向海上石油平臺(tái)、海島等孤立小系統(tǒng)供電，未來還可用于城市配電系統(tǒng)，接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。輕型直流輸電系統(tǒng)更有助于解決清潔能源上網(wǎng)穩(wěn)定性問題。

　　工程應(yīng)用1.±660千伏寧東—山東直流輸電工程于2011年2月28日投運(yùn)，山東接受外送電力的能力由350萬千瓦提升至750萬千瓦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東因此每年可節(jié)約原煤1120萬噸。由此全省減少二氧化硫排放5.7萬噸，二氧化硫排放量降低1.1個(gè)百分點(diǎn)，大大促進(jìn)了資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)。

　　僅2011年第一季度，山東電網(wǎng)就接納省外來電91.3億千瓦時(shí)，同比增長176%。

　　2.錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程采用900平方毫米導(dǎo)線，節(jié)能環(huán)保效果明顯，抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)，可進(jìn)一步促進(jìn)電力技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)技術(shù)升級(jí)。與傳統(tǒng)的630平方毫米截面導(dǎo)線相比，錦蘇特高壓直流線路應(yīng)用900平方毫米截面導(dǎo)線，按照年運(yùn)行3000小時(shí)計(jì)算，每年每千米線路可節(jié)電4.32萬千瓦時(shí)，全線一年將創(chuàng)造直接效益4000多萬元。

　　按供電煤耗360克標(biāo)煤/千瓦時(shí)計(jì)算，全線一年將減少標(biāo)煤消耗7.735萬噸，減排二氧化碳約20.12萬噸。而在抵御自然災(zāi)害方面，大截面導(dǎo)線的大風(fēng)水平荷載降低約10%，15毫米覆冰垂直荷載減小約7%。

　　3.三峽—上海±500千伏直流輸電工程線路全長1048.6千米，輸送容量300萬千瓦，若按中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線替代普通導(dǎo)線計(jì)算，正常功率下，如果一年的輸送小時(shí)數(shù)為4000小時(shí)，可節(jié)約電能7.98萬千瓦時(shí)/千米，全線每年可節(jié)電8372萬千瓦時(shí)。[2]

　　4.向家壩-上海±800kV特高壓直流輸電示范工程是我國首個(gè)特高壓直流輸電示范工程。工程由我國自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行，是目前世界上運(yùn)行直流電壓最高、技術(shù)水平最先進(jìn)的直流輸電工程。向家壩-上海±800kV特高壓直流輸電示范工程包括二站一線，起于四川省宜賓復(fù)龍換流站，經(jīng)四川、重慶、湖北、湖南、安徽、江蘇、浙江、上海，止于上海市奉賢換流站。工程全長1891.6km，先后跨越長江四次。換流容量為6400MW，直流電流為4000A，每極采用兩組12脈沖換流器串聯(lián)（400kV+400kV）。換流變壓器容量（24+4）×297.1（321.1）MVA（其中4臺(tái)備用）；換流變型式為單相雙繞組有載調(diào)壓；±800kV直流開關(guān)場采用雙極接線，并按每12脈沖閥組裝設(shè)旁路斷路器及隔離開關(guān)回路；±800kV特高壓直流線路一回，復(fù)龍換流站交流500kV出線9回，奉賢換流站交流500kV出線3回。國家發(fā)改委于2007年4月以發(fā)改能源【2007】871號(hào)文件核準(zhǔn)，2008年5月開工建設(shè)，2009年12月12日通過竣工驗(yàn)收并單極投入運(yùn)行，2010年整體工程完成試運(yùn)行，投入商業(yè)運(yùn)行，實(shí)際動(dòng)態(tài)總支出190.2億元，比批復(fù)動(dòng)態(tài)總投資節(jié)省42.5億元。