特高壓直流輸電及其發(fā)展

王書(shū)瑤

華北電力大學(xué)（北京 102206）

特高壓輸電技術(shù)是指采用500 KV以及750 KV交流和±500 KV直流之上的更高一級(jí)電壓，進(jìn)行輸電的技術(shù)。包括交流特高壓輸電技術(shù)和直流特高壓輸電技術(shù)兩部分。

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，中國(guó)用電需求不斷增加。又由于中國(guó)的自然環(huán)境特點(diǎn)，使得超遠(yuǎn)距離、超大容量的電力傳輸成為必然。為減少輸電線路的損耗和節(jié)約寶貴的土地資源，高效經(jīng)濟(jì)的輸電方式成為必然的要求。特高壓直流輸電技術(shù)恰好迎合了這一需求。直流聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)又可提高全國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平和供電可靠性。因此特高壓直流輸電技術(shù)在我國(guó)有較好的應(yīng)用前景。

1 特高壓直流輸電技術(shù)是我國(guó)電力跨區(qū)域大規(guī)模輸送的必然選擇

我國(guó)地域遼闊，發(fā)電能源和用電負(fù)荷的分布又極不均衡。華東、華南沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，電力市場(chǎng)空間大，能源卻最為匱乏；西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后，用電水平和需求較低，而能源資源豐富。以水力資源為例，全國(guó)水電技術(shù)可開(kāi)發(fā)容量約540 GW，其中22%分布在四川，20%在西藏，19%在云南。這一客觀現(xiàn)實(shí)決定了我國(guó)電力跨區(qū)域和大規(guī)模流動(dòng)的必然性。

特高壓輸電技術(shù)包括交流特高壓輸電技術(shù)和直流特高壓輸電技術(shù)兩部分。在現(xiàn)今直流輸電系統(tǒng)中，輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然是交流電。即在輸電線路的輸送端，交流電經(jīng)換流變壓器送到整流器，將高壓交流電變?yōu)楦邏褐绷麟姾笏腿胫绷鬏旊娋€路。直流電通過(guò)輸電線路送到接受端換流站內(nèi)的逆變器，將高壓直流電又變?yōu)楦邏航涣麟姡俳?jīng)過(guò)換流變壓器將電能輸送到交流系統(tǒng)。

在直流輸電系統(tǒng)中，通過(guò)控制換流器，可以使其工作于整流或逆變狀態(tài)。我國(guó)目前建成的高壓直流輸電工程均為兩端直流輸電系統(tǒng)。兩端直流輸電系統(tǒng)主要由整流站、逆變站和輸電線路三部分組成。高壓直流輸電具有許多優(yōu)點(diǎn)。

(1)特高壓直流輸電無(wú)需復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本可以采用已經(jīng)應(yīng)用的±500 KV和±600 KV直流輸電系統(tǒng)類(lèi)似的設(shè)計(jì)方法。

(2)特高壓直流輸電的輸送容量大，如±600 KV直流線路可輸送的功率約為 4 GW；±800 KV 直流線路可輸送的功率可達(dá)到6 GW，且輸電距離長(zhǎng)，用于遠(yuǎn)距離輸電具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

(3)與交流輸電比，直流輸電更容易滿(mǎn)足接入電網(wǎng)的條件。

(4)與交流線路相比直流輸電線路本身不需要無(wú)功補(bǔ)償，在換流站利用站內(nèi)的交流濾波器和并聯(lián)電容器即可向換流器提供所需的無(wú)功功率。

(5)因土地資源越發(fā)匱乏，電網(wǎng)發(fā)展與建設(shè)制約于線路走廊資源、站址資源的情況越發(fā)明顯。對(duì)于遠(yuǎn)距離大容量輸電，直流方案優(yōu)于交流方案，特高壓方案優(yōu)于超高壓方案。以輸送功率10 GW距離為2 000 km輸電方案為例，交流輸送所消耗資源高于直流輸送，見(jiàn)表1。

表1 10GW電力輸送2000km的交、直流輸電方案

因此特高壓直流輸電技術(shù)是我國(guó)電力跨區(qū)域大規(guī)模輸送的必然選擇。

2 特高壓直流輸電回顧及發(fā)展

20世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)曾動(dòng)工建設(shè)哈薩克斯坦——俄羅斯的長(zhǎng)距離直流輸電工程，輸送距離為2400 km，電壓等級(jí)為±750 KV，輸電容量為6 GW。該工程將哈薩克斯坦的煤炭資源轉(zhuǎn)換成電力送往前蘇聯(lián)及歐洲中部，但由于政局動(dòng)蕩，加上其晶閘管技術(shù)不夠成熟，該工程最終沒(méi)有投入運(yùn)行。

由巴西和巴拉圭兩國(guó)共同開(kāi)發(fā)的伊泰普工程采用了±600 KV直流和765 KV交流的超高壓輸電技術(shù)，第一期工程已于1984年完成，1990年竣工。1988～1994年為了利用亞馬遜河的水力資源，巴西電力研究中心和ABB組織了包括±800KV特高壓直流輸電的開(kāi)發(fā)工作。

積極進(jìn)行特高壓直流輸電研究的還有印度，正在興建的第一條±800 KV特高壓直流輸電線路，將把6 GW水電輸往印度中部。

我國(guó)于 2010 年通過(guò)西北與華北直流聯(lián)網(wǎng)達(dá)到1.5 GW的電力輸送能力。四川向家壩±800千伏特高壓直流輸電示范工程正在緊張施工中，這是目前規(guī)劃建設(shè)的世界上電壓等級(jí)最高、輸送距離最遠(yuǎn)、容量最大的直流輸電工程。

2020年前后西部水電的大部分電力將通過(guò)直流特高壓通道向華中和華東地區(qū)輸送，其中金沙江一期溪洛渡和向家壩水電站、二期烏東德和白鶴灘水電站向華東、華中地區(qū)送電；錦屏水電站向華東地區(qū)送電；寧夏和關(guān)中煤電基地向華東地區(qū)送電；呼倫貝爾盟的煤電基地向京津地區(qū)送電，輸電容量均為6 GW的±800 KV級(jí)特高壓直流輸電線路。

3 特高壓直流輸電關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題

(1)過(guò)電壓和絕緣

我國(guó)正在建設(shè)的±800 KV特高壓直流輸電四川向家壩工程電壓等級(jí)最高，電壓等級(jí)的提高增大了輸送容量，同時(shí)對(duì)高電壓下的絕緣提出了更高的要求，因?yàn)檫\(yùn)行中如出現(xiàn)絕緣故障，帶來(lái)的損失和系統(tǒng)擾動(dòng)問(wèn)題將很?chē)?yán)重。此外我國(guó)西部水電資源位于高海拔地區(qū)，存在較嚴(yán)重的污穢、履冰等問(wèn)題，因此過(guò)電壓保護(hù)以及絕緣配合將是特高壓直流輸電的最根本性問(wèn)題，合理優(yōu)化過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合將為系統(tǒng)安全穩(wěn)定提供有利的保障。

(2)控制保護(hù)

直流工程的核心就是控制保護(hù)?？刂票Ｗo(hù)的關(guān)鍵技術(shù)有：軟硬件平臺(tái)技術(shù)；直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；閥觸發(fā)控制；直流保護(hù)等。直流系統(tǒng)故障有很大一部分是控制保護(hù)系統(tǒng)原因造成的。由于特高壓直流輸送能量大，因此深入開(kāi)展最優(yōu)控制、智能控制等與先進(jìn)算法相結(jié)合的研究， 避免在多回路直流落點(diǎn)相對(duì)集中時(shí)發(fā)生換相失敗等故障，具有特別的重要性。

(3)電磁環(huán)境

這里指的是輸電線路的電磁環(huán)境，包括線路下方電場(chǎng)效應(yīng)、無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲等幾方面的內(nèi)容，在工程設(shè)計(jì)、建設(shè)以及運(yùn)行中是必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。直流線路運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)線周?chē)臻g產(chǎn)生離子場(chǎng)，線下合成場(chǎng)強(qiáng)對(duì)人體產(chǎn)生影響。線路和換流站設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)線電干擾會(huì)對(duì)無(wú)線電通信產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生的噪聲會(huì)使附近的居民以及換流站的工作人員受到傷害。隨著電壓等級(jí)從±500 KV提高±800 KV，電磁環(huán)境問(wèn)題將更加突出。目前我國(guó)技術(shù)人員經(jīng)論證給出了推薦方案，但是在換流站建成后，是否能夠滿(mǎn)足技術(shù)、環(huán)保和周?chē)用褚约肮ぷ魅藛T的要求，仍需繼續(xù)研究，以經(jīng)得住實(shí)際運(yùn)行的考驗(yàn)并能在發(fā)生問(wèn)題時(shí)及時(shí)給出解決方案。

(4)其它方面

特高壓直流輸電與超高壓直流輸電工程相比，由于電壓等級(jí)高，線路在同等條件下的電暈效應(yīng)包括電暈損失、無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲等，明顯大于超高壓直流輸電工程。特別是線路經(jīng)過(guò)高海拔地區(qū)時(shí)，這一問(wèn)題更加突出。因此特高壓直流輸電線路導(dǎo)線的選擇要從經(jīng)濟(jì)性要求出發(fā)，比較經(jīng)濟(jì)電流密度、電能損耗以及年運(yùn)行費(fèi)用，另外由于特高壓直流輸送功率大，對(duì)電網(wǎng)全局的影響也相對(duì)較大，因此輸電方案的比較更側(cè)重各方案對(duì)輸電能力以及電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平的影響。不同的特高壓直流輸電工程又有各自的研究重點(diǎn)。如：需要重點(diǎn)研究提高輸送能力的措施，或當(dāng)發(fā)生直流單極閉鎖故障時(shí)，為能保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，擬定多種換流站群組與交流主網(wǎng)的聯(lián)接方案等。

4 結(jié) 語(yǔ)

特高壓直流輸電具備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、超遠(yuǎn)距離、大容量送電能力，主要定位于我國(guó)西南大水電基地和西北大煤電基地的超遠(yuǎn)距離、超大容量向外輸送。

特高壓直流輸電在我國(guó)已全面投入建設(shè)。金沙江一期溪洛渡和向家壩送電工程，計(jì)劃在2011年底～2016年期間陸續(xù)建成投入運(yùn)行。后續(xù)將有金沙江二期烏東德、白鶴灘水電站輸送工程。發(fā)展特高壓直流輸電，還為我國(guó)后備能源基地西藏水電和新疆煤電開(kāi)發(fā)提供經(jīng)濟(jì)的輸電方式，為加強(qiáng)與相鄰國(guó)家的電力合作提供技術(shù)保障。

目前我國(guó)已具備特高壓輸電工程的建設(shè)條件，我國(guó)能源與負(fù)荷分布的嚴(yán)重不平衡以及未來(lái)電力發(fā)展的巨大空間迫切需要特高壓直流輸電技術(shù)。特高壓直流輸電技術(shù)符合電力工業(yè)發(fā)展規(guī)律和電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向，在技術(shù)上已沒(méi)有不可逾越的障礙，在我國(guó)有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]朱鳴海.關(guān)于發(fā)展我國(guó)特高壓輸電的意見(jiàn).電網(wǎng)技術(shù),1995.19(3).

[2]萬(wàn)啟發(fā).二十一世紀(jì)我國(guó)的特高壓輸電.高電壓技術(shù),2000.26(6).

[3]黃萬(wàn)永,霍季安,曾南超等.跨省電網(wǎng)以直流相聯(lián)是全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的最佳模式.電網(wǎng)技術(shù),1999.23(1).

[4]胡學(xué)浩,丁功揚(yáng).全國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)中采用高壓直流輸電方式時(shí)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)之借鑒.電網(wǎng)技術(shù),1998.22(5).

[5]黃瑩,徐政,曾德文等.西電東送純直流輸電方案研究.電網(wǎng)技術(shù),2004.28(19).

[6]袁清云.特高壓直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用前景.電網(wǎng)技術(shù),2005.

[7]盛鹍,李永麗,李斌.特高壓輸電線路過(guò)電壓的研究和仿真.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2003.15(6).

[8]聶定珍,馬為民,鄭勁.±800KV特高壓直流換流站絕緣配合.高電壓技術(shù), 2006.32(9).

[9]張翠霞,劉之方.±800KV直流輸電工程過(guò)電壓保護(hù)與絕緣配合研究.中國(guó)電力, 2006.39(10).