中國高壓直流輸電技術發展綜述

摘要目前，采用傳統的提高電壓等級來傳輸電已經達到飽和趨勢，要在未來提高輸電效率，就必須采用高壓直流輸電。它在遠距離大容量輸電和電力系統聯網方面具有明顯的優點。 高壓直流輸電在全國聯網工程中起到重要的作用。未來輸電將主要采用這種技術。

關鍵詞高壓直流輸電 輸電效率 電力系統聯網

中圖分類號:TM7文獻標識碼:A

早期的輸電采用的是直流輸電，不需要經過換流。伴隨著交流發電機、變壓器的發展，使得交流輸電和交流電網發展迅速，并占據來統治地位。但是直流輸電仍然有交流不可以取代之處。并隨著遠距離輸電的發展，它所起到的作用無法替代。目前，高壓直流輸電是解決高電壓、大容量、遠距離送電和電網互聯的一個重要手段，應用越來越廣泛。

1 高壓直流輸電的發展

高壓直流輸電發展迅速，1954年，世界上第一個基于汞弧閥的高壓直流輸電系統在瑞典投入商業運行; 1984年，巴西伊泰普水電站建造了電壓等級最高(€?00 kV)的高壓直流輸電工程。我國的高壓直流輸電發展速度相對比較晚，不過發展速度迅速。舟山直流輸電工程是我國依靠自己的力量建設的第一項直流輸電工程。該工程為雙極金屬回路方式(€?00 kV、500A、100MW)。1984年施工，在1987年調試并投入試運行，1989年正式投入商業運行。隨后葛洲壩-南橋€?00 kV、1200A、1200MW的大功率直流輸電投運，該工程解決了葛洲壩電站遠距離向華東上海地區的輸電問題，又實現了華中和華東兩大電網非同期聯網，對我國高壓直流輸電水平的提高起到了促進作用，對當地的經濟發展起到了重要的作用。在20世紀初，我國相繼建立了天生橋—廣州、三峽—常州、貴州—廣州等500 kV容量達3 000MW的直流輸電工程。此外，嵊泗直流輸電工程是我國自行設計和建造的雙極海底電纜直流工程，在2002年工程全部建成。①截至到2006年止，國內外已經投產的高壓直流輸電系統已經達到90個。目前情況下，我國采用€?00kv已經趨于國產化，在投入的高壓直流輸電系統已經取得來很好的效果，并在未來的輸電系統中發揮重要的作用。

2 高壓直流輸電的特點

2.1 高壓直流輸電的優點

直流輸電的電壓等級概念與交流輸電電壓等級概念有所不同。對于交流系統輸電線路來說，一般將220kV及以下的電壓等級稱為高壓，330~750kV的電壓等級稱為超高壓，1000kV及以上的電壓等級稱為特高壓。直流輸電系統則稍有不同，將€?00kV以上的統稱為高壓;€?00kV和€?00kV仍稱為高壓，而超過€?00kV的則稱為特高壓。目前一般都采用€?00kV輸電。它具有如下特點:(1)在輸送功率一定的情況下線路造價低。對于架空線路，交流輸采用三根導線，而直流只需要一根(單級)或者兩根(雙極)導線。因此，在輸送功率一定情況下，直流輸電所用線料僅為交流輸電的1/2—2/3。而對于電纜線路，它的投資和運行費用更加經濟。(2)輸送功率相同時線路損耗小。由于直流輸電采用的是一根或兩根導線，有功功率損耗小。同時，線路上沒有容抗和感抗，所以沒有無功功率損耗。(3)節省線路走廊。按同電壓500 kV考慮，一條500 kV直流輸電線路的走廊約40 m，一條500 kV交流輸電線路的走廊約為50 m，但是直流輸電的線路走廊，其傳輸效率約為交流線路的2倍甚至更多一點。(4)系統運行非常穩定。可以實現電網非同期互聯，但是在交流輸電系統中，所有連接在電力系統中的同步發電機必須同步運行。兩端交流輸電系統的等值電路見圖1。輸送功率為:P=(E1E2/X)sin，式中:E1、E2分別為受送端交流系統的等值電勢;X為線路、發電機、變壓器的等值電抗;為兩電勢的相角差。

圖1雙端\\交流輸電系統等值電路圖

由于交流系統中有電抗，輸送的功率就有一定的極限，當系統中存在某種擾動時，有可能使它的輸送功率超過它的極限。而采用直流線路連接兩個交流系統，由于直流線路沒有電抗，所以不存在同步運行穩定問題。5)限制系統短路電流。交流輸電線路連接兩個交流系統時，系統容量增加，使得短路電流增加，從而使投資增加。而用直流輸電線路連接兩個交流系統時，直流系統的“定電流控制”將快速把短路電流限制在額定功率附近，有利于實現交流系統的互聯。(6)運行可靠。采用雙極線路時，如果一級出現故障，另一級仍然可以以水或大地為回來，輸送一半的功率，提高另運行的可靠性。(7)可以實現交流系統異步連接。頻率不同或者相同的交流系統可以通過直流輸電或者“交流—直流—交流”的“背靠背”換流站實現異步聯網運行。

2.2 高壓直流輸電的缺點

(1)換流站的設備比較昂貴，換流器的費用高。(2)換流裝置要消耗大量的無功功率，必須安裝一定數量的無功補償設備。(3)由于諧波的產生，安裝過程中需要加裝交流濾波器和直流濾波器，從而使換流站的投資費用有所增加。(4)缺乏高壓直流開關，直流無波形過零點，所以滅弧比較困難。(5)不能用變壓器來改變電壓等級。(6)直流輸電線路很難引出分支，在絕大多數情況下只能用于端對端輸電。

3 高壓直流輸電現狀

根據葛上和天廣HVDC工程及三峽工程、西電東送工程以及全國聯網工程的需要，發展我國的HVDC技術;重點開發遠距離高壓直流輸電和背靠背HVDC 技術，借鑒國內外的經驗，確保三峽HVDC工程的成功建設和運行;實施HVDC主設備國產化工程。并能提高 HVDC 工程運行的可靠性，將產生巨大的社會經濟效益。近年來，背靠背直流輸電工程發展迅速。它是無直流輸電線路的兩端直流輸電系統。主要應用于兩個非同步運行的交流電力系統之間的聯網和輸電，背靠背換流站原理接線圖見圖2。

圖2 背靠背換流站原理圖

(1—換流變壓器;2—換流器;3—平波電抗器;4—兩端交流系統。)

由于直流側可以選擇低電壓、大電流，可以充分利用大截面晶閘管的通流能力。與此同時，直流側的設備也因為電壓低而成本大大降低。而且整流器和逆變器設計在一個閥廳內，直流側濾波不會造成通信線路的干擾。從而使得背靠背換流站的造價比常規的換流站的造價低15%~20%。由于有很多優點，所以現在的高壓直流輸電很多采用背靠背系統進行非同步聯網。

4 高壓直流輸電的未來趨勢

伴隨著國民經濟的迅速增長，中國用電需求已經不能滿足國家經濟發展的要求，用電量不斷增加，特別是大型企業的用電量，有的已經成指數增長。用電量的不足嚴重阻礙了經濟的發展。根據中國的實際國情，必須采用一種經濟高效的輸電方式。而高壓直流輸電技術可以達到這種要求。目前正在采取技術用€?00kv特高壓直流輸電。美國電機電子工程師學會(EIEE)和國際大電網委員會(Cigre)均在80年代末已經得出結論:基于已有的技術和運行經驗，800千伏高壓直流是明顯合適的運行電壓等級。國際大電網委員會在2002年重申了他們的觀點。②目前正在建設中的€?00kv直流工程有:云南—廣東€?00 kV直流工程(2006—2010年)、向家壩—上海€?00 kV直流工程(2007—2011年)、錦屏—蘇南€?00 kV直流工程(2007—2011年)。按規劃到了2020年，預計會有9個特高壓直流工程投運。其中以€?00 kV特高壓直流輸電工程為重點。

根據我國能源分布的特點以及輸電負荷的發展需求和500 kV輸電網架暴露出的問題(網損大，線路走廊緊張等)，通過對特高壓交流輸電(UHVAC)以及特高壓直流輸電(UHVDC)的研究論證，國家發改委已經將直流€?00 kV作為特高壓直流線路的運行電壓等級，確定了向家壩—上海及云南—廣東2條特高壓直流示范工程。③由于€?00 kV直流輸電系統的特性，對直流設備的要求與制造等都與€?00 kV系統有所不同，€?00 kV直流輸電技術又是屬國內外首次研發，故國家從發展€?00 kV戰略出發，要求立足國內，自主研究、自主設計、自主制造，盡快實現特高壓直流輸電技術裝備國產化。這又給國內輸配電設備制造業提供了千載難逢的發展機遇，但也帶來了挑戰。特高壓直流輸電的輸送容量大，輸電距離長，輸電能力主要受導線最高允許溫度的限制。一條€?00 kV直流線路可輸送的功率約為4GW;而一條€?00 kV直流線路可輸送的功率可達到6GW，用于遠距離輸電具有良好的經濟性。所以未來的輸電將主要采用€?00kv直流輸電系統進行輸電。

5 結語

綜上所述，高壓直流輸電特別適合于遠距離大容量輸電和電力系統聯網。而我國從80年代開始對 高壓直流輸電進行研究，對高壓直流輸電系統有了明確的掌握，使高壓直流輸電技術國產化，為后來的特高壓直流輸電提供了很好的技術支撐。目前，中國已經是世界上發電量和裝機容量最大的國家，它復雜的輸電環境和地理位置將使高壓直流輸電工程在未來發揮著巨大的作用，并將取代交流輸電，成為未來輸電的主要趨勢。在未來幾十年內，中國還將陸續建設一大批高壓輸電工程、背靠背直流聯網工程和跨海直流電纜輸電工程;新建一批特高壓交流輸電工程。以滿足西電東送的要求，為全國聯網創造了有利的條件，有利于全國經濟穩定，平衡向前發展。

注釋

①吳廣寧.現代高壓電力工程[M].北京:中國電力出版社，2007.

②Krishanayya P C S.An evaluation of the RD requirements or developing HVDC converter stations for voltage above 600kV[C].CIGRE 1988 Session，14-07.

③劉振亞.特高壓電網[M].北京:中國經濟出版社，2005.