特高壓直流輸電的現狀與展望

肖曼 鐘清瑤 汪謙

摘 要：特高壓直流輸電目前適用于海底長距離電纜輸電、長距離大容量架空輸電以及電網互聯等場合，還用于大型發電電源基地輸送電力至遠距離負荷中心。本文討論了當前特高壓直流輸電技術的現狀和發展前景， 分析了特高壓直流輸電的特點及應用。簡要提出了特高壓直流輸電需要解決的高海拔、重污穢、重冰區等典型地理氣候條件下絕緣配合和長空氣間隙試驗，過電壓和絕緣問題、控制保護問題、電磁環境問題等問題的技術環節。

關鍵詞：特高壓；直流輸電；面臨問題

特高壓電網是指由特高壓骨干網架、超高壓、高壓輸電網、配電網及高壓直流輸電系統共同構成的分層、分區，結構清晰的大電網[ 1 ]。其中，國家電網特高壓骨干網架是指由1000kV級交流輸電網和±600kV級以上直流輸電系統構成的電網。從上世紀60 年代開始，美國、前蘇聯、德國等國家考慮到部分地區需特大容量、超遠距離輸電，嘗試了特高壓交直流輸電。自1966年起瑞典查爾姆斯大學開始初步研究±750kV 導線。之后巴西等國家也先后開展了多項特高壓直流輸電研究工作，例如巴西的伊泰普直流輸電工程，此工程直流輸電電壓可達到±600千伏，輸電功率達到630萬千瓦，輸送距離806公里，較以前的直流輸電工程有大幅度發展。上世紀90年代，世界上第一個復雜的三端直流輸電工程（魁北克——新英格蘭工程）完成，并同時建成了長達250KM的海纜直流輸電工程（瑞典——德國的BALTIC工程）。當前直流輸電已成為一種重要的電力傳輸方式，特別是隨著計算機和光纖等新技術的發展，使直流輸電系統的保護、控制及調節更加完善，大幅提升了直流輸電系統運行的可靠性[ 2 ]。

1 我國特高壓直流輸電的現狀

我國的高壓直流輸電技術起步較晚但發展迅速。1986年，經過近三年的準備工作，我國第一個超高壓直流輸電示范工程——葛上（葛洲壩——上海）直流輸電工程開始逐步投產，初期單極容量已達到60萬千瓦。2010年7月，我國的另一個高壓直流輸電示范工程投入運行，即向家壩—上海±800 千伏特高壓直流輸電示范工程，該工程在當時是世界上技術水平最為先進、輸送電力容量最大，也是電壓等級最高（±800v）的直流輸電工程。該工程由我國自主研發，并是當時世界高壓直流輸電技術的最高水平。隨著特高壓電網的發展以及西部水利水電資源的進一步開發，我國直流輸電工程的建設還將進一步加快。“十一五”期間的溪洛渡、向家壩水電站和錦屏水電站外送的±800千伏特高壓直流輸電工程建設已完成。截止到2020年底，中國將在華東、華北、華中等多個地區建設特高壓交流同步電網，建成溪洛渡——株洲、溪洛渡——浙西等±800千伏特高壓直流工程15個，其中含特高壓輸電線路2.6萬公里，特高壓直流換流站約30余座，輸送電力總容量達9500萬千瓦[ 4 ]。

2 高壓直流輸電的特點

高壓直流輸電與交流輸電相比，其優點是直流電具有無感抗、榮抗，且不存在同步問題，適用于大功率遠距離傳輸電能。其主要有以下幾個特點：

1）較傳統的交流輸電而言，高壓直流輸電傳輸的距離更遠。

2）在長距離輸電時，高壓直流輸電損失的電能更低，所需的輸電廊道也更小。

3）對不同額定頻率或相同額定頻率交流系統的非同步互聯，在并入直流系統后，可增加并列運行交直流系統的穩定性。

4）高壓直流輸電可控性好，從而使系統穩定性更高。

5）高壓直流輸電可較好控制有功功率和無功功率。

6）直流輸電線路穩態運行時不產生電容電流，線路部分不需要無功補償設備。

7）柔性直流輸電無需換相電源，可供各種負荷和電源的接入。

3 特高壓直流輸電面臨的問題

1）過電壓及絕緣問題。目前，我國已投入運行的特高壓直流工程電壓由為±800 kV，輸送容量較大，約為±500kV輸電容量的2倍，隨著換流站和線路絕緣部分的投資比例逐漸增大，一旦線路發生絕緣故障，帶來的系統擾動問題和損失將很嚴重，因此過電壓保護以及絕緣配合問題將是特高壓直流輸電亟需解決的問題。另外，我國西部水電資源由于地處海拔較高，存在很嚴重的污穢、履冰等問題，系統要想穩定運行，需要高質量及合理優化的過電壓保護和絕緣配合。

2）電磁環境問題。高壓直流輸電線路運行時在導線周圍空間附近會產生離子流場，導線下合成的場強對人體產生有害影響。線路或換流站設備產生的無線電會對無線電通信工程正常接收產生干擾，干擾產生的過高噪聲會使附近居民產生煩躁不安的感覺[ 6 ]。

3）控制保護問題。控制保護問題是高壓直流輸電的核心問題。其關鍵技術有：軟硬件平臺控制技術、閥觸發控制、直流保護設計、直流控制保護系統設計。直流輸電系統故障很大程度是控制保護系統故障造成的。由于特高壓直流輸送電能過大， 對直流保護系統的相關要求也更嚴格。因此需深入開展控制算法與魯棒、智能控制等多種先進算法相結合的研究工作， 避免多回直流落點相對集中時發生換相失敗的現象， 充分利用直流附加控制作用， 靈活快速的提升系統穩定性[ 7 ]。

4 結語

中國特高壓電網將由±800kV級直流系統和1000kV級交流輸電系統組成。前者主要定位于部分大區、省網之間的互聯以及遠距離大容量輸電。后者主要服務于近距離大容量輸電及更高一級電壓等級的網架建設；兩者可以互為補充，相輔相成。從目前情況來看，在實現大區電網聯網時，采用特高壓直流輸電方式更具優勢。特高壓直流線路除了要考慮特高壓交流線路存在的電場、無線電干擾、磁場、線路可聽噪聲等對環境和人的影響外，還要進一步考慮換流站噪聲、離子流效應等因素對外界的影響以及換流站接地極對交流系統造成的影響。

參考文獻：

[1] 萬利，陶文彪.淺談特高壓直流輸電[J].科教文匯，2011，08：102-103.

[2] 浙江大學發電教研組直流輸電科研組.直流輸電[M].北京：電力工業出版社，1982.

[3] 黃飛，齊赟.高壓直流輸電的特點與展望[J].中國科技信息，2013，02（011）：47.

[4] 姚雷，黃興勇.向家壩—上海±800 千伏特高壓直流輸電示范工程投運.國家電網報[J].2010，07：09.

[5] 袁青云.特高壓直流輸電技術現狀及在我國的應用前景[J].電網技術，2005，07（14）：01-03.

[6] 黃道春，魏遠航，鐘連宏，阮江軍，皇甫成.我國發展特高壓直流輸電中一些問題的探討[J].電網技術，2007，31（8）：7.

[7] 李曉黎，陳祖勝.特高壓直流輸電技術發展綜述[J].廣西電力，2009，01：23-26.

作者簡介：肖曼（1988-），國網枝江市供電公司，工程師，現從事電力營銷工作。