特高壓直流輸電技術(shù)的應(yīng)用探究

何慈武 劉鵬華

摘 ?要：根據(jù)我國(guó)的一次能源分布地點(diǎn)不集中，用電側(cè)與發(fā)電側(cè)距離過(guò)遠(yuǎn)等特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹我國(guó)深入研究，全面創(chuàng)新突破特高壓直流輸電技術(shù)的實(shí)際意義，從特高壓直流輸電技術(shù)的研究背景切入，闡述了國(guó)家電網(wǎng)公司近幾年來(lái)研究特高壓直流輸電技術(shù)所獲得的重要成果，提出了在實(shí)施特高壓直流輸電工程中亟待解決的相關(guān)難題，再結(jié)合技術(shù)理論與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)大力發(fā)展特高壓直流技術(shù)的可行性和必要性進(jìn)行了充分論證，最后簡(jiǎn)述了未來(lái)特高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展方向以及將要面對(duì)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng);特高壓;直流輸電

中圖分類號(hào)：TM721.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0177-04

Abstract： According to the characteristics of primary energy distribution in China， such as the lack of concentration of primary energy distribution and the long distance between the power side and the generation side， this paper focuses on the practical significance of in-depth research and comprehensive innovation and breakthrough of UHVDC transmission technology in China. Starting from the research background of UHVDC transmission technology， this paper expounds the important achievements made by State Grid Corporation in the research on UHVDC transmission technology in recent years， and relevant problems to be solved urgently in the implementation of UHVDC transmission project are pointed out. Based on technical theory and practical engineering experience， the feasibility and necessity of vigorously developing UHVDC technology in China are fully demonstrated. Finally， the development direction of UHVDC technology and the challenges and opportunities that will be faced in the future are briefly described.

Keywords： power grid; UHV; DC transmission

1 概述

我國(guó)特高壓直流輸電（UHVDC）技術(shù)的電壓等級(jí)是指±800kV及以上的電壓[1]。隨著近幾年我國(guó)各地區(qū)對(duì)輸送電的容量，輸電過(guò)程中的穩(wěn)定性以及對(duì)輸電設(shè)備的安全要求不斷提高，尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)用電的需求量更是逐年遞增。為了使我國(guó)電力資源得到更好地合理開(kāi)發(fā)和高效利用，我國(guó)電力專家開(kāi)始廣泛關(guān)注并研究特高壓直流輸電技術(shù)。同時(shí)，特高壓直流輸電可以實(shí)現(xiàn)輸電距離遠(yuǎn)目標(biāo)，加上我國(guó)的自然資源和能源分布不均，供電側(cè)與用電側(cè)距離較遠(yuǎn)。綜合比較現(xiàn)有相對(duì)經(jīng)濟(jì)高效的輸電方式，采用特高壓直流輸電技術(shù)無(wú)疑成為首選方案，并且可以減少輸電過(guò)程中的線路損耗，合理利用地理優(yōu)勢(shì)不明顯地區(qū)所蘊(yùn)含的豐富資源，推動(dòng)能源革命，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色經(jīng)濟(jì)，提高一次能源利用率的同時(shí)有效保護(hù)了壞境。

目前，世界上輸電技術(shù)和電力設(shè)備領(lǐng)先的國(guó)家已經(jīng)將直流輸電作為有效解決送電距離遠(yuǎn)等問(wèn)題的首選方案。直流輸電的工作原理是通過(guò)換流器將交流電先整流再逆變，最終注入交流電網(wǎng)[2]。與交流輸電技術(shù)相比，直流輸電具有節(jié)約設(shè)備占地面積、減少輸電損耗、靈活改變輸電方式等優(yōu)點(diǎn)。所以，在如今全世界電力系統(tǒng)大規(guī)模采用直流輸電的情況下，開(kāi)展特高壓直流輸電關(guān)鍵技術(shù)研究、分析未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)、總結(jié)特高壓輸電相關(guān)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)以確保我國(guó)的特高壓直流輸電技術(shù)不斷創(chuàng)新完善，有力保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

本文從國(guó)家電網(wǎng)近幾年的實(shí)際案例出發(fā)，分析特高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，研究我國(guó)能源分布狀況，重點(diǎn)闡述特高壓直流輸電技術(shù)特點(diǎn)以及適用范圍，最后總結(jié)特高壓直流輸電技術(shù)對(duì)我國(guó)電力運(yùn)輸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的積極影響。

2 特高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)60年代特高壓直流輸電技術(shù)開(kāi)始在一些電力設(shè)施先進(jìn)，高壓輸電技術(shù)相對(duì)成熟的發(fā)達(dá)國(guó)家之間流行。Cigre在2002年重申了在80年代末得出的結(jié)論：±800kV是合適的高壓直流輸電電壓等級(jí)[3]。我國(guó)長(zhǎng)期研究高壓輸電的有關(guān)電力專家在20世紀(jì)80年代初期也開(kāi)始對(duì)特高壓直流輸電技術(shù)和發(fā)展方向展開(kāi)深入論證與研究，至今已成功實(shí)現(xiàn)一系列重大技術(shù)創(chuàng)新突破。如今我國(guó)已建和核準(zhǔn)在建的特高壓直流輸電工程所采用的相關(guān)技術(shù)完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。表1為近幾年我國(guó)已建或核準(zhǔn)在建的特高壓直流輸電工程。

我國(guó)在2006年底開(kāi)工建設(shè)的云南至廣東特高壓直流輸電工程，是國(guó)際上首條采用±800kV電壓等級(jí)的特高壓直流輸電技術(shù)項(xiàng)目[4]。2016年我國(guó)完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的昌吉至古泉特高壓直流輸電工程順利開(kāi)工，經(jīng)過(guò)3年多建設(shè)以及一系列重大疑難技術(shù)攻關(guān)，2019年底工程成功投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，成為世界上首個(gè)±1100kV特高壓直流輸電工程[5]。

截至2020年，我國(guó)已建成或正在核準(zhǔn)在建的特高壓直流輸電工程數(shù)量達(dá)到11個(gè)。經(jīng)過(guò)多年積累的特高壓直流輸電案例證明，在我國(guó)開(kāi)展特高壓直流輸電技術(shù)研究對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面具有重大意義。一方面，輸電距離遠(yuǎn)、容量大、損耗低等特點(diǎn)是特高壓直流輸電技術(shù)具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[6]，有助于推進(jìn)“西電東送”工程實(shí)施，保障了中東部地區(qū)用電安全可靠，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)高質(zhì)量發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用;另一方面，我國(guó)采用先進(jìn)的特高壓直流輸電技術(shù)可以使西部資源得到合理開(kāi)發(fā)利用，在轉(zhuǎn)變能源改革方式，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，降低了煤炭消耗和大量CO2排放，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。所以，研究并利用特高壓直流發(fā)電技術(shù)不僅可以提高我國(guó)電力行業(yè)整體的研發(fā)制造水平，而且對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)也起到了積極影響。

3 我國(guó)的能源分布情況

我國(guó)中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，用電需求大，但一次能源蘊(yùn)藏量較低且使用率不高，我國(guó)西南地區(qū)水資源充足，方便實(shí)施水利發(fā)電工程，同時(shí)西北地區(qū)煤炭資源豐富，有利于實(shí)施火力發(fā)電工程。這種能源分布不集中的結(jié)果導(dǎo)致用電側(cè)的分布與發(fā)電側(cè)的分布十分不均衡。我國(guó)西北地區(qū)擁有全國(guó)2/3的煤礦資源，西南地區(qū)擁有全國(guó)2/3的水利資源，而我國(guó)2/3的電力需求集中在東部沿海地區(qū)以及中南部等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，造成對(duì)電力有巨大需求的地區(qū)與能源產(chǎn)地的距離較遠(yuǎn)，一般達(dá)到1000～2500km。而目前特高壓直流輸電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電，運(yùn)行成本經(jīng)濟(jì)，靈活穩(wěn)定，有效滿足一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)對(duì)于電力消費(fèi)的巨大需求，保障地區(qū)的經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)和高質(zhì)量的發(fā)展，符合我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展長(zhǎng)期規(guī)劃。

4 特高壓直流輸電技術(shù)簡(jiǎn)介

4.1 特高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

特高壓直流輸電系統(tǒng)的核心組成部分之一就是換流站設(shè)計(jì)與建設(shè)[7-8]。特高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。雙極系統(tǒng)接線方式是我國(guó)目前主導(dǎo)建設(shè)特高壓直流輸電工程的首選接線方式[9]。雙極雙12脈動(dòng)換流站可以選擇包括雙極全電壓運(yùn)行和單極半電壓運(yùn)行等多種運(yùn)行方式。換流站靈活多變的運(yùn)行方式可以在換流閥發(fā)生故障時(shí)最大程度減小損失，保障輸電安全平穩(wěn)運(yùn)行。

4.2 特高壓換流技術(shù)

4.2.1 柔性直流輸電

加拿大學(xué)者Boon-TeckOoi在1990年正式提出采用PWM技術(shù)控制的電壓源換流器（VSC）進(jìn)行直流輸電的概念[10]。柔性直流輸電技術(shù)通過(guò)改變VSC中全控型電力電子器件的開(kāi)斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制交流側(cè)的無(wú)功和有功功率的目的，這樣不僅可以保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，還可以解決輸電技術(shù)中的一些棘手問(wèn)題。

對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)而言，無(wú)論是采用多電平換流器還是使用兩電平換流器，均為單極對(duì)稱系統(tǒng)[11]。圖2為4種典型的多端直流輸電系統(tǒng)接線方式。并聯(lián)換流站與串聯(lián)換流站相比具有損耗更低，調(diào)節(jié)范圍更大，擴(kuò)展方法更加靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以目前正在運(yùn)行的特高壓柔性直流輸電工程的換流站多采用并聯(lián)接線方案。

根據(jù)橋臂的等效特性，柔性直流輸電系統(tǒng)中的換流器可分成2種常見(jiàn)的不同類型，分別是可控電源型和可控開(kāi)關(guān)型[12]。特高壓直流輸電工程多采用全橋式柔性直流換流器，一旦直流電壓出現(xiàn)急劇降低威脅系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，換流器仍通過(guò)交流電壓支撐工作[13]，最大程度上有效抑制交流側(cè)短路電流的產(chǎn)生。

4.2.2 換流閥塔設(shè)計(jì)

換流閥是特高壓換流的關(guān)鍵設(shè)備之一，其中閥塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞更是關(guān)乎特高壓直流輸電工程能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要一環(huán)。目前我國(guó)的±800kV特高壓換流閥的閥塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用柔性防震的懸吊式二重閥結(jié)構(gòu)，無(wú)論是高端閥廳還是低端閥廳均配置6座二重閥，而每組12脈動(dòng)換流器是由每座閥廳的6座二重閥塔構(gòu)成[14]。同時(shí)為了避免換流閥產(chǎn)生電暈，減少輸電過(guò)程中的電壓功率損耗，屏蔽換流閥內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)外部環(huán)境的干擾，需將金屬網(wǎng)罩安裝在換流閥塔的上下兩端。

4.2.3 閥冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了減少特高壓直流輸電過(guò)程中的熱損耗，提高換流閥的工作效率，需要為換流閥配置獨(dú)立的水冷卻系統(tǒng)，通常將水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)成強(qiáng)迫水冷，冷卻系統(tǒng)分為內(nèi)冷水循環(huán)和外冷水循環(huán)兩個(gè)系統(tǒng)。其中內(nèi)冷水循環(huán)是低含氧量的去離子水吸收換流過(guò)程中熱量對(duì)換流閥進(jìn)行冷卻，外冷水系統(tǒng)是冷卻塔吸收內(nèi)冷水熱量進(jìn)行冷卻。工作原理如圖3所示。

首先，由于內(nèi)冷卻水吸收換流過(guò)程中散發(fā)的大量熱量從而導(dǎo)致自身溫度上升，接著通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)將溫度上升的內(nèi)冷卻水送到室外冷卻塔內(nèi)的換熱水管，此時(shí)噴頭從水池抽取冷水，將冷水均勻?yàn)⑾驌Q熱水管表面，幫助管內(nèi)因吸熱導(dǎo)致溫度上升的內(nèi)冷卻水降溫，最后再使用主循環(huán)泵將換熱水管里的內(nèi)冷卻水送回?fù)Q流閥，最終達(dá)到降溫的效果。

4.3 特高壓直流輸電待解決問(wèn)題

4.3.1 電磁環(huán)境問(wèn)題

電磁環(huán)境問(wèn)題是實(shí)施特高壓輸電工程前必須考慮的技術(shù)問(wèn)題[15]。在特高壓輸電工程中，由于電壓的傳輸導(dǎo)致輸電線路周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)設(shè)備附近的環(huán)境和人體都會(huì)產(chǎn)生不良影響。例如換流站在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生電波干擾通信設(shè)備，不僅會(huì)打擾附近居民日常生活，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)直流偏磁毀壞變壓器，造成電力設(shè)備運(yùn)行故障。特別是我國(guó)目前正在全面創(chuàng)新突破特高壓直流輸電技術(shù)，有必要解決好輸電過(guò)程中產(chǎn)生的電磁污染對(duì)環(huán)境造成的不利影響問(wèn)題[16]。在特高壓直流輸電過(guò)程中所投運(yùn)的換流站等電力設(shè)備必須達(dá)到國(guó)家規(guī)定的環(huán)保要求，才能從根本上解決輸電過(guò)程中所產(chǎn)生的電磁環(huán)境問(wèn)題。

4.3.2 過(guò)電壓與絕緣問(wèn)題

特高壓直流輸電電壓等級(jí)由±500kV提高到±800kV，在直流輸電線路運(yùn)行中的輸送容量在理論上會(huì)提高將近2倍[17]，所以未來(lái)若要進(jìn)一步提高特高壓直流輸電電壓等級(jí)，則換流站和輸電線路的絕緣設(shè)備等電力配套設(shè)施也需要隨之升級(jí)，對(duì)避雷器的選擇也要更加慎重，否則一旦出現(xiàn)過(guò)電壓或絕緣故障，將給電力系統(tǒng)造成巨大危害。由于特高壓直流輸電的絕緣水平與過(guò)電壓的高低水平密切相關(guān)，所以在特高壓直流輸電過(guò)程中合理優(yōu)化絕緣系統(tǒng)，對(duì)過(guò)電壓?jiǎn)栴}采用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行及時(shí)解決，保證特高壓直流輸電系統(tǒng)在過(guò)電壓的情況下安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

4.3.3 控制保護(hù)問(wèn)題

從20世紀(jì)80年代的模數(shù)電技術(shù)升級(jí)為如今的計(jì)算機(jī)程序化控制，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)軟件控制保護(hù)特高壓直流輸電，提高系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的安全性。通過(guò)硬件平臺(tái)化保證硬件可以持續(xù)優(yōu)化，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大大降低維護(hù)成本，同時(shí)模塊化設(shè)計(jì)控制軟件，方便工作人員對(duì)程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)與升級(jí)，再采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)提高控制保護(hù)系統(tǒng)的抗干擾性，最終提高計(jì)算機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障特高壓直流輸電安全可靠的持續(xù)運(yùn)行。

4.3.4 設(shè)備可靠性問(wèn)題

與超高壓直流輸電相比，特高壓直流輸電的電壓等級(jí)更高，若在輸電過(guò)程中發(fā)生電力故障將造成不可估量的損失，嚴(yán)重影響國(guó)民生產(chǎn)生活秩序，所以必須提高特高壓直流輸電設(shè)備的可靠性。例如，換流器采用獨(dú)立的交直流供電系統(tǒng)，配備獨(dú)立的閥廳和冷卻系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)換流器旁通開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟和關(guān)斷，使換流器無(wú)論是出現(xiàn)故障停運(yùn)或者是需要進(jìn)行維護(hù)而退出運(yùn)行等工作都不會(huì)出現(xiàn)單極停運(yùn)。同時(shí)重新設(shè)計(jì)雙極耦合的控制系統(tǒng)，進(jìn)一步降低雙極停運(yùn)的概率，提高了特高壓直流輸電工程的安全性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

多年來(lái)我國(guó)電力系統(tǒng)工作人員結(jié)合中國(guó)實(shí)際情況開(kāi)展對(duì)特高壓直流輸電技術(shù)的研究，為換流站設(shè)計(jì)，換流閥冷卻設(shè)計(jì)，輸電線路設(shè)計(jì)等提供了技術(shù)支持，為我國(guó)特高壓直流輸電工程積累了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，保障了特高壓直流輸電工程的順利實(shí)施，而我國(guó)資源分布不均衡以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力需求日益劇增，迫切使得特高壓直流技術(shù)在電網(wǎng)發(fā)展史上具有舉足輕重的地位。隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，加上影響特高壓直流輸電工程穩(wěn)定的因素隨著電網(wǎng)發(fā)展不斷增多，下一步我國(guó)還需進(jìn)一步完善特高壓直流輸電技術(shù)，提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，確保將特高壓直流輸電工程建設(shè)為保障群眾生活，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)工程。

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