高壓直流輸電與其關(guān)鍵技術(shù)的研究

史 勁 陳 弘

（成都電業(yè)局，成都 610021）

中國(guó)高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)環(huán)境，要求更多的電力的供給。與之同時(shí)，電力系統(tǒng)也逐漸增大規(guī)模，發(fā)展迅速。在2004年全國(guó)裝機(jī)容量約440GW，2005年達(dá)到500GW，新增裝機(jī)約50GW/年，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到1000GW。

然而，我國(guó)資源分布不太均，且大多聚集在西部地區(qū)。西電東送的戰(zhàn)略將繼續(xù)實(shí)施，且規(guī)模還在擴(kuò)大。2005年西電東送的電量約為24GW，2010約為60GW，預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到180GW。對(duì)于這樣的遠(yuǎn)距離和大容量輸電，若繼續(xù)使用傳統(tǒng)的較低電壓等級(jí)輸電，勢(shì)必很具有挑戰(zhàn)。因此，高壓直流輸電應(yīng)運(yùn)而生[1]。

高壓直流輸電技術(shù)，指采用較高直流電壓進(jìn)行電力傳輸?shù)募夹g(shù)，其電壓的等級(jí)一般在±500 kV 及以上。當(dāng)前，HVDC輸電是確保遠(yuǎn)距離、高電壓和大容量電力供應(yīng)的重要舉措。我國(guó)電力部門(mén)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃是，到2020年，國(guó)內(nèi)將開(kāi)展并完成多大十幾個(gè)直流輸電項(xiàng)目[2]。

考慮到高壓直流輸電的重要性，本文將從高壓直流發(fā)展進(jìn)程、高壓直流輸電的特點(diǎn)及其關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題予以詳細(xì)闡述，最后對(duì)其應(yīng)用前景作相應(yīng)總結(jié)。

1 高壓直流輸電的發(fā)展

在20世紀(jì)60年代，高壓直流輸電（HVDC）技術(shù)已有一定發(fā)展。1966年，瑞典Chalmers 大學(xué)就開(kāi)始了±750kV導(dǎo)線研究。在此之后，巴西、蘇聯(lián)等國(guó)對(duì)高壓直流輸電技術(shù)也進(jìn)行了開(kāi)發(fā)、研究。當(dāng)時(shí)，全球最高電壓等級(jí)的直流輸電系統(tǒng)是巴西的伊泰普水電站的輸電工程（±600kV）。我國(guó)高壓直流輸電進(jìn)展很快。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，完成了舟山直流輸電工程（±100kV）和葛—上（葛洲壩至上海南匯）高壓直流輸電工程（±500kV），現(xiàn)階段已有數(shù)條直流輸電線路，其具有的輸電容量以及線路的總長(zhǎng)都是全球第一[1]。

高壓直流輸電需要兩個(gè)基礎(chǔ)，一是直流裝置的研發(fā)水準(zhǔn)，二是輸電技術(shù)的研究高度；這兩點(diǎn)對(duì)確定高壓直流輸電能力至關(guān)重要。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)為獲得合適的高壓直流輸電的電壓等級(jí)，開(kāi)展了很多討論、研究和關(guān)鍵問(wèn)題攻關(guān)。而且針對(duì)我國(guó)能源分布不均、負(fù)荷需求量大且分散等特點(diǎn)，考慮到傳統(tǒng)500kV輸電網(wǎng)缺少線路走廊及高網(wǎng)損的弊端，通過(guò)對(duì)高壓交流輸電（UHVAC）以及特高壓直流輸電（UHVDC）的分析論證，最后將高壓直流輸電的標(biāo)準(zhǔn)電壓定為±800kV，還部署了向—上（向家壩到上海）和云—廣直流等項(xiàng)目作為高壓直流輸電的示范性項(xiàng)目[3]。

2 HVDC 的優(yōu)缺點(diǎn)

高壓直流輸電的基本工作原理是，通過(guò)AC/DC換流器，把交流電轉(zhuǎn)換成直流電，之后經(jīng)過(guò)直流輸電線把電能輸送到接收端，然后再通過(guò)DC/AC換流器把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，最后接入交流電網(wǎng)。然而，當(dāng)前采用較多的一種輸電形式是高壓交流輸電。相對(duì)交流輸電來(lái)說(shuō)，高壓直流輸電具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如其輸電方式靈活、節(jié)約了線路走廊、控制迅速、提高了傳輸容量和傳輸距離等[1,4-5]。

1）高壓直流輸電線路造價(jià)低、損耗小，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的輸電。其原因如下：采用較多的雙極性HVDC系統(tǒng)只需要一正一負(fù)兩條線路，相比于交流輸電系統(tǒng)，在傳輸功率相同時(shí)，高壓直流輸電線路的總造價(jià)或者損耗相對(duì)交流輸電而言，可降低1/3，而且直流輸電線路的走廊也窄很多；還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在直流電壓作用下，線路電容在直流電壓中起不到任何作用，這樣一來(lái)，線路就不沒(méi)有充電功率，也就不需要配置并聯(lián)型電抗器等高抗設(shè)備。

此外，HVDC的優(yōu)勢(shì)相對(duì)電纜輸電時(shí)更加顯著。電纜可承受的直流電壓能力比其承受交流電壓能力高兩倍以上，所以在HVDC中使用同等絕緣厚度和芯線截面的電纜，其輸送的容量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流輸電。此外，相比架空線路而言，電纜的輸電線路對(duì)地電容要高很多。交流電纜輸電過(guò)程中產(chǎn)生的電容電流大，且與線路長(zhǎng)度成正相關(guān)，當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到某個(gè)值時(shí)，電容電流就足以占據(jù)其所有符合能力，產(chǎn)生輸電阻塞而不能進(jìn)行電能傳輸。這也說(shuō)明電容電流會(huì)嚴(yán)重影響交流電纜輸電距離，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電。而直流電纜輸電就不會(huì)存在上面問(wèn)題，其電容電流幾乎為零，可實(shí)現(xiàn)直流電纜遠(yuǎn)距離送電。

2）直流輸電系統(tǒng)能滿足非同步聯(lián)網(wǎng)。HVDC換流器具有電氣隔離的作用，因此，HVDC可以級(jí)聯(lián)兩個(gè)不同步運(yùn)行的電力系統(tǒng)，即兩個(gè)系統(tǒng)可以具有不同的頻率（比如50Hz或60Hz），不同的電壓等級(jí)等。被HVDC聯(lián)接的兩個(gè)系統(tǒng)能夠獨(dú)立運(yùn)行在各自的電壓和頻率，不會(huì)受到聯(lián)網(wǎng)的影響，當(dāng)然也不會(huì)由于故障的傳遞造成較大面積的停電。

3）HVDC輸電沒(méi)有穩(wěn)定性問(wèn)題。一般而言，直流輸電線路不具有電抗，也就不會(huì)有交流輸電同步運(yùn)行的穩(wěn)定問(wèn)題。這表明了穩(wěn)定性根本不會(huì)制約直流輸電的輸送容量和送電距離，其能適用于遠(yuǎn)距離和大容量的輸電。

4）HVDC可控性迅速。HVDC控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，對(duì)于傳輸?shù)挠泄Υ笮?、方向及設(shè)備消耗的無(wú)功都可以獨(dú)立解耦控制。這樣不僅使電網(wǎng)間的送電協(xié)議方便實(shí)施，還使交流側(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能得以改善（控制交流系統(tǒng)潮流分布很困難）。除此之外，在交流電網(wǎng)互聯(lián)中，隨著系統(tǒng)的短路容量增加，可能還會(huì)造成系統(tǒng)遮斷容量不足，從而需要增加額外措施，比如采用限流裝置或者更換斷路器等來(lái)解決。但是，具有快速可控的HVDC系統(tǒng)可以避免交流系統(tǒng)互聯(lián)需要增加短路容量的情況。

盡管HVDC有諸多優(yōu)點(diǎn)，其也存在一些不足之處：

1）HVDC換流站投資大。HVDC換流站的設(shè)備繁雜，相比普通交流變電站，其投資花費(fèi)巨大，而且HVDC換流站需要具有較高水平的專業(yè)工作人員來(lái)維護(hù)運(yùn)行。這也成為了一個(gè)限制高壓直流輸電推廣應(yīng)用的重要原因。

2）換流器等設(shè)備需要損耗的無(wú)功功率大。當(dāng)前，高壓直流輸電中主要使用的是晶閘管換流器，這種電力電子變換器需要消耗較多無(wú)功來(lái)維持運(yùn)行。在換流過(guò)程中，如果將無(wú)功損耗表示為無(wú)功消耗的占所輸送的有功的百分比，那么，一般情況下，整流器的無(wú)功損耗約占40%～50%，逆變器損耗的無(wú)功約為50%～60%。整體而言，這些無(wú)功可來(lái)源于兩種情況：一是交流濾波器供給部分；二是配置無(wú)功補(bǔ)償裝置等。

3）會(huì)產(chǎn)生較大諧波。換流器作為強(qiáng)非線性設(shè)備，是一個(gè)大的諧波注入源，會(huì)在直流和交流側(cè)產(chǎn)生大量高次諧波電流，會(huì)造成電機(jī)電容設(shè)備過(guò)熱，干擾通信系統(tǒng)正常工作，降低換流器控制性能等。為解決這些問(wèn)題，可在換流器內(nèi)部安裝濾波設(shè)備，比如平波電抗器和交/直流濾波器等。但如此做，又從另一個(gè)方面增加了整個(gè)換流站的造價(jià)投資。

3 HVDC 的關(guān)鍵技術(shù)

長(zhǎng)期以來(lái)，高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展變化在很大程度上依賴于換流技術(shù)，尤其是超大功率、高壓換流裝置等技術(shù)的發(fā)展。然而，近些年來(lái)，在電力電子技術(shù)大力推動(dòng)下，電力電子設(shè)備大量投運(yùn)， 直流輸電工程面臨更多的保護(hù)控制、運(yùn)行可靠性、故障處理等眾多問(wèn)題。而這些問(wèn)題的解決都必須依賴于HVDC所采用的關(guān)鍵技術(shù)[6]。

1）晶閘管技術(shù)

作為高壓直流輸電的核心技術(shù)之一，晶閘管技術(shù)發(fā)展迅速。最初，水銀汞弧閥是直流輸電關(guān)鍵設(shè)備換流器的主要材料，但是在20世紀(jì)70年代左右，晶閘管就將其取代，組建成了新型的換流器。早期的晶閘管使用的是空氣冷卻方式，80年代后使用用水冷卻技術(shù)，某種程度上減少了控制閥的體積尺寸，讓換流器結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。伴隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，晶閘管電壓電流耐受能力不斷加強(qiáng)。為了省去進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的觸發(fā)電路板，可采用光觸發(fā)的晶閘管。但是，另一個(gè)問(wèn)題就是要在晶閘管上面集成相應(yīng)的測(cè)量或者保護(hù)，技術(shù)和工藝要求就變得相當(dāng)嚴(yán)格和復(fù)雜，有待進(jìn)一步解決。

2）電容器串聯(lián)的換相技術(shù)

傳統(tǒng)的HVDC 換流器需要交流電網(wǎng)側(cè)提供大量的無(wú)功功率以滿足其正常工作。其吸收的無(wú)功功率約占總傳輸功率的40%～50%，大多來(lái)源于無(wú)功補(bǔ)償裝置。因此，交流側(cè)需要足夠的容量和大量的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備成了避免換相失敗的必需條件。為了克服以上傳統(tǒng)問(wèn)題，專家學(xué)者研究了一些新的電路接線方式，串聯(lián)電容器的換相電路就是其中一種如圖1所示，一個(gè)固定的電容器串聯(lián)接入了換流器和換流變壓器之間。研究表明，此種接線方式不僅在一定程度上提高了換流器的轉(zhuǎn)換率，而且還有效降低了換流器的無(wú)功損耗。此外，這種串聯(lián)電容器的換相電路也避免了因受端交流系統(tǒng)擾動(dòng)致使的可能的換相失敗，大大地提高了高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。如果結(jié)合有源濾波器（APF）使用，那么大型的并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備也可以取消。這也成了這種電容串聯(lián)換相技術(shù)的最大潛在應(yīng)用。

圖1 串聯(lián)電容換相換流器示意圖

3）接地極引線的故障檢測(cè)技術(shù)

高壓直流輸電接地極引線運(yùn)行在較低的電壓范圍內(nèi)，如果仍采用傳統(tǒng)的電壓電流檢測(cè)技術(shù)，在換流站內(nèi)就幾乎無(wú)法發(fā)現(xiàn)接地極附近的對(duì)地短路故障。近年來(lái)，HVDC系統(tǒng)中廣泛使用脈沖回聲、阻抗等接地和引線測(cè)量設(shè)備，較大的提高了檢測(cè)接地極引線故障的準(zhǔn)確性。例如，使用阻抗檢測(cè)技術(shù)，不僅可以根據(jù)測(cè)量裝置中反映的阻抗變化來(lái)判斷故障發(fā)生與否，而且能準(zhǔn)確定位故障位置。

4）多處理器實(shí)時(shí)控制的保護(hù)技術(shù)

在電子信息計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的同時(shí)，處理器的發(fā)展也愈來(lái)愈快。其主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：計(jì)算速度變得很快；存儲(chǔ)容量增大；并行計(jì)算能力大大提高。當(dāng)前，高壓直流輸電系統(tǒng)的諸多保護(hù)和控制都涉及到已有的微處理器技術(shù)。多處理器實(shí)時(shí)控制的保護(hù)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。諸如：直流系統(tǒng)保護(hù)；換流器冷卻系統(tǒng)的保護(hù)；極控（或閥控）、交/直流濾波器的控制保護(hù)、站控（交流場(chǎng)/直流場(chǎng)）；換流變壓器的控制保護(hù)；站用電系統(tǒng)的控制保護(hù)等。

此外，相比于常規(guī)的高壓直流輸電，在換流站技術(shù)設(shè)計(jì)方面，特高壓直流輸電系統(tǒng)（UHVDC）有自己獨(dú)特的不同和要求，需要加以重視。以一個(gè)傳輸容量達(dá)6400MW的高壓直流輸電系統(tǒng)為例，假設(shè)其輸電距離為2000km，直流輸電電壓為±800kV，其換流站閥橋等的具體設(shè)計(jì)都要仔細(xì)考慮[7]。

在以往的HVDC設(shè)計(jì)中，一般采用12脈沖換流橋。但是，UHVDC傳輸?shù)娜萘烤薮?，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)似乎不能滿足要求，需要在換流站串接兩組具有12脈沖的換流橋，如圖2所示。

圖2 換流站內(nèi)串接兩組12 脈沖橋

其中，各組換流橋電壓分配方式互不干擾?？梢韵嗤?，如400kV/400kV；也可不同，如300kV/500kV。但是，若采用相同電壓等級(jí)如400kV/ 400kV，則具有很多優(yōu)勢(shì)，如兩閥橋的絕緣水平相仿；能源利用最優(yōu)等。

4 HVDC 的應(yīng)用前景

隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，高壓直流輸電具有愈來(lái)愈明顯的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用的前景也相當(dāng)不錯(cuò)?？膳e如下例子加以說(shuō)明[8]。

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(lái)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(guò)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(lái)，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(wèn)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(kāi)采中排放的廢氣熱能來(lái)發(fā)電，再通過(guò)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。

5 結(jié)論

HVDC有諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)非同步互聯(lián)；能夠遠(yuǎn)距離傳輸大容量遠(yuǎn)距離的電能；可使用海底電纜供電等。HVDC作為交流輸電的有力補(bǔ)充，具有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展空間。與此同時(shí)，高壓直流斷路器的研制和換流器中電力電子技術(shù)的開(kāi)發(fā)，HVDC技術(shù)得到不斷改進(jìn)與完善。在我國(guó)21世紀(jì)“西電東輸、南北互給、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的電力工業(yè)建設(shè)總戰(zhàn)略方針的實(shí)施中，HVDC將擁有更加重大的發(fā)展和應(yīng)用價(jià)值。

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