高壓直流輸電與其關鍵技術的研究

史 勁 陳 弘

（成都電業局，成都 610021）

中國高速發展的經濟環境，要求更多的電力的供給。與之同時，電力系統也逐漸增大規模，發展迅速。在2004年全國裝機容量約440GW，2005年達到500GW，新增裝機約50GW/年，預計2020年將達到1000GW。

然而，我國資源分布不太均，且大多聚集在西部地區。西電東送的戰略將繼續實施，且規模還在擴大。2005年西電東送的電量約為24GW，2010約為60GW，預計2030年將達到180GW。對于這樣的遠距離和大容量輸電，若繼續使用傳統的較低電壓等級輸電，勢必很具有挑戰。因此，高壓直流輸電應運而生[1]。

高壓直流輸電技術，指采用較高直流電壓進行電力傳輸的技術，其電壓的等級一般在±500 kV 及以上。當前，HVDC輸電是確保遠距離、高電壓和大容量電力供應的重要舉措。我國電力部門長遠規劃是，到2020年，國內將開展并完成多大十幾個直流輸電項目[2]。

考慮到高壓直流輸電的重要性，本文將從高壓直流發展進程、高壓直流輸電的特點及其關鍵的技術問題予以詳細闡述，最后對其應用前景作相應總結。

1 高壓直流輸電的發展

在20世紀60年代，高壓直流輸電（HVDC）技術已有一定發展。1966年，瑞典Chalmers 大學就開始了±750kV導線研究。在此之后，巴西、蘇聯等國對高壓直流輸電技術也進行了開發、研究。當時，全球最高電壓等級的直流輸電系統是巴西的伊泰普水電站的輸電工程（±600kV）。我國高壓直流輸電進展很快。從20世紀80年代開始，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），現階段已有數條直流輸電線路，其具有的輸電容量以及線路的總長都是全球第一[1]。

高壓直流輸電需要兩個基礎，一是直流裝置的研發水準，二是輸電技術的研究高度；這兩點對確定高壓直流輸電能力至關重要。長期以來，我國為獲得合適的高壓直流輸電的電壓等級，開展了很多討論、研究和關鍵問題攻關。而且針對我國能源分布不均、負荷需求量大且分散等特點，考慮到傳統500kV輸電網缺少線路走廊及高網損的弊端，通過對高壓交流輸電（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準電壓定為±800kV，還部署了向—上（向家壩到上海）和云—廣直流等項目作為高壓直流輸電的示范性項目[3]。

2 HVDC 的優缺點

高壓直流輸電的基本工作原理是，通過AC/DC換流器，把交流電轉換成直流電，之后經過直流輸電線把電能輸送到接收端，然后再通過DC/AC換流器把直流電轉變成交流電，最后接入交流電網。然而，當前采用較多的一種輸電形式是高壓交流輸電。相對交流輸電來說，高壓直流輸電具有很多獨特的優勢，如其輸電方式靈活、節約了線路走廊、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低、損耗小，可以實現遠距離的輸電。其原因如下：采用較多的雙極性HVDC系統只需要一正一負兩條線路，相比于交流輸電系統，在傳輸功率相同時，高壓直流輸電線路的總造價或者損耗相對交流輸電而言，可降低1/3，而且直流輸電線路的走廊也窄很多；還有個優點是，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，線路就不沒有充電功率，也就不需要配置并聯型電抗器等高抗設備。

此外，HVDC的優勢相對電纜輸電時更加顯著。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，其輸送的容量將遠遠高于交流輸電。此外，相比架空線路而言，電纜的輸電線路對地電容要高很多。交流電纜輸電過程中產生的電容電流大，且與線路長度成正相關，當長度達到某個值時，電容電流就足以占據其所有符合能力，產生輸電阻塞而不能進行電能傳輸。這也說明電容電流會嚴重影響交流電纜輸電距離，難以實現遠距離輸電。而直流電纜輸電就不會存在上面問題，其電容電流幾乎為零，可實現直流電纜遠距離送電。

2）直流輸電系統能滿足非同步聯網。HVDC換流器具有電氣隔離的作用，因此，HVDC可以級聯兩個不同步運行的電力系統，即兩個系統可以具有不同的頻率（比如50Hz或60Hz），不同的電壓等級等。被HVDC聯接的兩個系統能夠獨立運行在各自的電壓和頻率，不會受到聯網的影響，當然也不會由于故障的傳遞造成較大面積的停電。

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

4）HVDC可控性迅速。HVDC控制系統響應速度快，對于傳輸的有功大小、方向及設備消耗的無功都可以獨立解耦控制。這樣不僅使電網間的送電協議方便實施，還使交流側系統的運行性能得以改善（控制交流系統潮流分布很困難）。除此之外，在交流電網互聯中，隨著系統的短路容量增加，可能還會造成系統遮斷容量不足，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解決。但是，具有快速可控的HVDC系統可以避免交流系統互聯需要增加短路容量的情況。

盡管HVDC有諸多優點，其也存在一些不足之處：

1）HVDC換流站投資大。HVDC換流站的設備繁雜，相比普通交流變電站，其投資花費巨大，而且HVDC換流站需要具有較高水平的專業工作人員來維護運行。這也成為了一個限制高壓直流輸電推廣應用的重要原因。

2）換流器等設備需要損耗的無功功率大。當前，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功來維持運行。在換流過程中，如果將無功損耗表示為無功消耗的占所輸送的有功的百分比，那么，一般情況下，整流器的無功損耗約占40%～50%，逆變器損耗的無功約為50%～60%。整體而言，這些無功可來源于兩種情況：一是交流濾波器供給部分；二是配置無功補償裝置等。

3）會產生較大諧波。換流器作為強非線性設備，是一個大的諧波注入源，會在直流和交流側產生大量高次諧波電流，會造成電機電容設備過熱，干擾通信系統正常工作，降低換流器控制性能等。為解決這些問題，可在換流器內部安裝濾波設備，比如平波電抗器和交/直流濾波器等。但如此做，又從另一個方面增加了整個換流站的造價投資。

3 HVDC 的關鍵技術

長期以來，高壓直流輸電技術的發展變化在很大程度上依賴于換流技術，尤其是超大功率、高壓換流裝置等技術的發展。然而，近些年來，在電力電子技術大力推動下，電力電子設備大量投運， 直流輸電工程面臨更多的保護控制、運行可靠性、故障處理等眾多問題。而這些問題的解決都必須依賴于HVDC所采用的關鍵技術[6]。

1）晶閘管技術

作為高壓直流輸電的核心技術之一，晶閘管技術發展迅速。最初，水銀汞弧閥是直流輸電關鍵設備換流器的主要材料，但是在20世紀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，某種程度上減少了控制閥的體積尺寸，讓換流器結構變得更加緊湊。伴隨著電力電子技術的快速發展，晶閘管電壓電流耐受能力不斷加強。為了省去進行光電轉換的觸發電路板，可采用光觸發的晶閘管。但是，另一個問題就是要在晶閘管上面集成相應的測量或者保護，技術和工藝要求就變得相當嚴格和復雜，有待進一步解決。

2）電容器串聯的換相技術

傳統的HVDC 換流器需要交流電網側提供大量的無功功率以滿足其正常工作。其吸收的無功功率約占總傳輸功率的40%～50%，大多來源于無功補償裝置。因此，交流側需要足夠的容量和大量的無功補償設備成了避免換相失敗的必需條件。為了克服以上傳統問題，專家學者研究了一些新的電路接線方式，串聯電容器的換相電路就是其中一種如圖1所示，一個固定的電容器串聯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換率，而且還有效降低了換流器的無功損耗。此外，這種串聯電容器的換相電路也避免了因受端交流系統擾動致使的可能的換相失敗，大大地提高了高壓直流輸電系統運行的可靠性。如果結合有源濾波器（APF）使用，那么大型的并聯補償設備也可以取消。這也成了這種電容串聯換相技術的最大潛在應用。

圖1 串聯電容換相換流器示意圖

3）接地極引線的故障檢測技術

高壓直流輸電接地極引線運行在較低的電壓范圍內，如果仍采用傳統的電壓電流檢測技術，在換流站內就幾乎無法發現接地極附近的對地短路故障。近年來，HVDC系統中廣泛使用脈沖回聲、阻抗等接地和引線測量設備，較大的提高了檢測接地極引線故障的準確性。例如，使用阻抗檢測技術，不僅可以根據測量裝置中反映的阻抗變化來判斷故障發生與否，而且能準確定位故障位置。

4）多處理器實時控制的保護技術

在電子信息計算機技術迅猛發展的同時，處理器的發展也愈來愈快。其主要體現在一下幾個方面：計算速度變得很快；存儲容量增大；并行計算能力大大提高。當前，高壓直流輸電系統的諸多保護和控制都涉及到已有的微處理器技術。多處理器實時控制的保護技術已經得到廣泛應用。諸如：直流系統保護；換流器冷卻系統的保護；極控（或閥控）、交/直流濾波器的控制保護、站控（交流場/直流場）；換流變壓器的控制保護；站用電系統的控制保護等。

此外，相比于常規的高壓直流輸電，在換流站技術設計方面，特高壓直流輸電系統（UHVDC）有自己獨特的不同和要求，需要加以重視。以一個傳輸容量達6400MW的高壓直流輸電系統為例，假設其輸電距離為2000km，直流輸電電壓為±800kV，其換流站閥橋等的具體設計都要仔細考慮[7]。

在以往的HVDC設計中，一般采用12脈沖換流橋。但是，UHVDC傳輸的容量巨大，傳統設計似乎不能滿足要求，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。可以相同，如400kV/400kV；也可不同，如300kV/500kV。但是，若采用相同電壓等級如400kV/ 400kV，則具有很多優勢，如兩閥橋的絕緣水平相仿；能源利用最優等。

4 HVDC 的應用前景

隨著直流輸電技術的發展，高壓直流輸電具有愈來愈明顯的優勢，其應用的前景也相當不錯。可舉如下例子加以說明[8]。

1）擴大城市供電容量

當今大城市的集中負荷迅速的增加極大地擴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愈狹小，再加之嚴格的環保要求，使得高壓遠距離的地下電纜供電方式成了發展所趨。當然，供電網絡的短路容量會隨著總容量的擴展而增加，使得具有超過容量極限的潛在危險。為了避免出現交流電纜運行存在的電容電流，采用基于VSC的高壓直流電纜輸電技術是不二選擇。同時，直流輸電具有的功率可控策略，可限制短路容量，大大增強供電系統的可靠性。

2）向遠方負荷區供電

使用交流輸電技術向偏遠負荷供電時，比如偏遠農村、島嶼等，輸電費用相當高，而且損耗大。在政府扶持下，這些地域往往會有自己的分布式電源，比如小火電廠、柴油發電機組等，但是這樣一來，增加發電成本的同時也加劇了環境污染。為解決上述問題，仍可采用高壓直流的輸電技術，從大電網取得優質廉價的電力供應。同時，也可以利用海上加工廠，如天然氣石油開采中排放的廢氣熱能來發電，再通過HVDC 系統送入主網，達到廢舊利用、提高經濟效益的目的。

5 結論

HVDC有諸多獨特的優勢：可實現系統非同步互聯；能夠遠距離傳輸大容量遠距離的電能；可使用海底電纜供電等。HVDC作為交流輸電的有力補充，具有廣泛的應用和發展空間。與此同時，高壓直流斷路器的研制和換流器中電力電子技術的開發，HVDC技術得到不斷改進與完善。在我國21世紀“西電東輸、南北互給、全國聯網”的電力工業建設總戰略方針的實施中，HVDC將擁有更加重大的發展和應用價值。

[1] 李興源.高壓直流輸電系統[M].北京科學出版社,2010.

[2] 李立浧.高壓直流輸電的技術特點和工程應用[J].電力系統自動化,2005(24):5.

[3] 袁清云.高壓直流輸電技術現狀及在中國的應用前景[J].電網技術,2005,29(14):1-3.

[4] 趙國梁,吳濤.HVDC 技術的發展應用情況綜述[J].華北電力技術,2006(8):28-31.

[5] 詹奕,尹項根.高壓直流輸電與特高壓交流輸電的比較研究[J].高電壓技術,2001,27(4):44-46.

[6] 李立.直流輸電技術的發展及在我國電網中的作用[J].電力設備,2004,5(11):1-3.

[7] 舒印彪,劉澤洪,高理迎,等.800kV6400MW 特高壓直流輸電工程設計初探[J].電網技術,2006,30(1):1-8.

[8] 舒印彪.中國直流輸電的現狀及展望[J].高電壓技術,2004,30(11):1-2.