±800kV特高壓直流輸電和1000kV特高壓交流輸電在長距離電力傳輸中的應(yīng)用

張佳良

摘 要：進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球能源消耗不僅穩(wěn)步增長，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過很多地方的能源供給能力，長距離運輸能源的問題越來越重要?！?00kV特高壓直流輸電和1000kV特高壓交流輸電不僅僅是在我國廣泛應(yīng)用，而且在國際上也是廣泛應(yīng)用。本文探討兩者在長距離電力傳輸中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：±800kV直流輸電 1000kV交流輸電 特高壓

中圖分類號：TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0032-02

能源運輸通常采用這幾種方式，石油運輸通常通過超級油輪，天然氣運輸一般采用管道中，用于電力生產(chǎn)的煤炭使用鐵路運輸，所以選擇靠近煤源的火電廠發(fā)電，并將其傳輸給消費者會更加高效和經(jīng)濟(jì)。許多可再生能源如水電、風(fēng)能和太陽能在電力生產(chǎn)中較為依賴于建廠位置，往往無法作為電力長距離傳輸?shù)慕鉀Q方案。

在長距離電力傳輸方案中，特高壓能大大提升中國電網(wǎng)的輸送能力。在我國，特高壓是指交流1000kV、直流±800kV及以上的電壓等級。截至2016年12月，我國國家電網(wǎng)特高壓建設(shè)已經(jīng)實現(xiàn)“六交五直”“一帶一路”國家發(fā)展戰(zhàn)略以及霧霾治理和清潔能源外送的需求共同促進(jìn)，使得我國特高壓建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展軌道。

1 特高壓長距離電力傳輸中的應(yīng)用

1.1 特高壓應(yīng)用過程

交流和直流發(fā)電機(jī)都是在相對較低的電壓水平下產(chǎn)生電力。如果這種電壓用于長距離傳輸，則會導(dǎo)致高昂的損失。交流技術(shù)非常靈活地通過連接不同位置形成電網(wǎng)，允許向消費者提供非常強大和可靠的電力供應(yīng)。早期的電力供應(yīng)可靠性問題主要存在于：由于發(fā)電量相對接近消費端，因此優(yōu)先考慮的焦點不在于遠(yuǎn)距離傳輸大量電力。為了使交流電更適合這種散點傳輸，采取典型的措施是對線路采用串聯(lián)補償。當(dāng)電力從一個點傳輸?shù)搅硪粋€點時，這樣做的效果非常好，但是電力流量不可預(yù)測。交流輸電系統(tǒng)的傳輸電壓不斷提高，通常，將電壓倍增四倍于功率傳輸能力。因此，大多數(shù)國家的電網(wǎng)演進(jìn)的特點是增加了系統(tǒng)傳輸?shù)碾妷骸?/p>

1.2 特高壓傳輸?shù)姆€(wěn)定性

建立長距離傳輸電力的線路的先決條件是穩(wěn)定性，以及遭遇雷擊等故障的安全性。這就意味著，如果交流電系統(tǒng)的穩(wěn)定性受損，則可能丟失的最大功率等于最大發(fā)電機(jī)組或具有最高容量線路的功率。如果來自遠(yuǎn)方發(fā)電廠的所有電力都在單線上傳輸，則交流系統(tǒng)必須承受所有這種電力的損失。如果要傳輸更大的功率，則必須使用幾條平行的線路，每隔300～400km互連，以提高可靠性。

如果短路，交流線路具有相當(dāng)高功率處理能力。該能力取決于導(dǎo)體的電壓和熱額定值。較長的線路具有較高的阻抗，從而降低功率傳輸能力。

有功功率傳遞方程為：

其中，P為有功功率；U1和U2為線路兩端的電壓；δ為兩端之間的相位角；X為線路阻抗。隨著線路長度增加，線路的阻抗隨之增加。為了保證持續(xù)傳輸功率，角度δ必須增加。最大可能的角度是30°左右，此后再遇到動態(tài)穩(wěn)定性的問題時，克服這個問題的最好方法就是通過串聯(lián)補償器來減小阻抗，這種方法需要在沒有重大問題的情況下完成，約達(dá)到70%左右的補償，在較高的賠償水平下，這個系統(tǒng)將不會十分健康。

當(dāng)線路加載到SIL（surge impedance loading-自然功率）以下時，它將產(chǎn)生無功功率；如果并聯(lián)補償不增加，電壓可能會過度上升。如果線路加載到SIL以上，它將消耗無功功率，并且電壓可能下降得太遠(yuǎn)。從可靠性的角度來看，需要在串聯(lián)和并聯(lián)補償兩部分之間建立一個交流變頻器，以及各部分之間的互連，以確保始終能夠?qū)崿F(xiàn)全功率傳輸。

2 直流線路與交流線路比較

2.1 ±800kV特高壓直流輸電優(yōu)點和缺點

±800kV特高壓直流輸電的主要優(yōu)點是可以連接沿線負(fù)載以及傳輸?shù)撵`活性。如果傳輸路線通過人口稠密的地區(qū)，并且生成設(shè)施位于路線的許多地方，這一優(yōu)勢就顯得十分重要。

主要缺點是其成本，上述系統(tǒng)是相當(dāng)昂貴的，因為在實際操作中，必須沿著該路線建立一套完整的電力基礎(chǔ)設(shè)施；另一個缺點是土地的要求，由于當(dāng)線路非常長時，交流傳輸不能充分利用每條線路的熱容量，因此，必須安裝并聯(lián)線路。

2.2 1000kV特高壓交流輸電優(yōu)點和缺點

1000kV特高壓交流輸電的一個主要優(yōu)點是它在很長的距離上傳輸非常高功率時的低成本；第二個很大的優(yōu)點是線損相當(dāng)?shù)?，電力傳輸超過2000km的總損失大約是5%；第三個主要優(yōu)點是需要較少的線路，而且路權(quán)的要求較少。如上所述，1000kV特高壓交流輸電通過兩條線路實現(xiàn)12000MW的傳輸，而用±800kV直流電線路傳輸相同的電源將需要8條線路。

2.3 組合方案

如上所述，±800kV特高壓直流輸電的主要缺點是沿線的電力建設(shè)成本高。然而，與低電壓交流電網(wǎng)并聯(lián)的低成本大容量特高壓直流輸電傳輸?shù)慕M合，在許多情況下可以成為提供低成本和高靈活性，以及為沿線客戶供應(yīng)電能的最佳解決方案。

組合的交流電和直流電解決方案存在一些技術(shù)問題，在許多情況下，直流變壓器的干擾在相位角變得過大的情況下會使交流連接斷開，這個問題可以用各種方式解決，如圖2所示。

方案一：圖2a使用能夠承受大多數(shù)干擾的交流電連接在直流網(wǎng)絡(luò)中，無需斷開連接。作為一個例證，假設(shè)特高壓直流輸電在兩個雙極中每超過2000km傳輸1.2kMW功率。如果一個或多個斷路器跳閘，則假設(shè)特高壓直流輸電可以承受50%的臨時過載。此外，假設(shè)存在500kV線路的并聯(lián)交流網(wǎng)絡(luò)，其必將拾取特高壓直流輸電不能傳輸?shù)墓β省?/p>

方案二：圖2b允許兩個網(wǎng)絡(luò)異步運行，每個網(wǎng)絡(luò)沿著路線供應(yīng)一半的客戶。在這種情況下，由于系統(tǒng)是異步的，所以沒有穩(wěn)定性問題。

方案三：圖2c與圖2b相同，不同的是使用特高壓直流輸電背靠背連接，以增加電源的靈活性，而無需同步兩個系統(tǒng)。背靠背連接是通過一個電源轉(zhuǎn)換器（HVDC Light），其將穩(wěn)定電壓并增加交流輸電線的功率傳遞。

3 結(jié)語

為了在長距離（超過500～1000km）范圍內(nèi)大規(guī)模傳輸電力，±800kV特高壓直流輸電通常是最具成本效益的替代方案。然而，高壓直流輸電的最大缺點是沿線分接電源的成本高昂，這種缺陷可以通過直流傳輸和交流傳輸組合的方式解決，其中大功率電力輸送采用特高壓直流供電，沿線所需的電力由交流供電，這樣是最具成本效益和靈活性的解決方案。1000kV特高壓交流輸電更適合供給400kV或者500kV交流電網(wǎng)的人口稠密地區(qū)使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉寧寧，耿沙沙，劉芳.±800kV特高壓直流輸電技術(shù)應(yīng)用研究[J].黑龍江科技信息，2012（14）：26.

[2] 曾慶禹.特高壓交直流輸電系統(tǒng)可靠性分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013（10）：2681-2688.endprint