探究高壓直流輸電技術

寇睿恒

（壽光現代中學，山東壽光，262700）

0 引言

我國的能源供需分布極不平衡，76%的煤炭資源分布在北部和西北部,80%的水能資源分布在西南部；絕大部分陸地風能、太陽能資源分布在西北部,但是70%以上的能源需求卻集中在東中部，2015年我國全社會總用電量6.08萬億千瓦時，最大負荷為9.91億千瓦，“十二五”期間年均增長率為8.2%和8.5%；2020年預計全社會用電量將達到7.84萬億千瓦時，最大負荷將達到12.77億千瓦。西部能源基地與東部負荷中心距離在800-3000公里左右，遠距離、大容量輸電是我國電網必須要面臨的現實情況。

高壓直流輸電技術在遠距離、大容量方面展現出了一定的優越性，本文即探究高壓直流輸電技術。

1 高壓直流輸電技術的內涵

高壓直流輸電簡稱HVDC，主要借助直流電無感抗、無容抗以及無需同步運行的優點而研發出的適用于大功率、遠距離的輸電技術。

高壓直流輸電技術的應用領域主要集中在架空線與海底電纜，當然在一些傳統三相交流輸電技術不適用的場所，高壓直流輸電技術同樣可以大顯身手。

高壓直流輸電系統（詳見圖1）首先將發電機所產生的三相交流電通過換流站整流轉換為直流電，然后通過直流輸電線路進行遠距離電力傳輸，另一端則為逆變器，將直流電轉換為三相交流電，然后供各類電氣設備使用。

圖1 高壓直流輸電系統結構圖

高壓直流輸電系統主要包括換流器（即換流閥）、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、直流避雷器及控制保護設備等。

換流器是整個直流輸電系統的核心部件，換流器是由單個或多個換流橋組成，功能為進行交、直流轉換的設備，換流器可以分為兩類：整流器和逆變器，整流器是將交流電轉換為直流電，而逆變器是將直流電轉換為交流電。

圖2 直流輸電系統原理示意圖

2 高壓直流輸電技術的優缺點

■2.1 高壓交流輸電技術

1882年，美國著名實驗物理學家、電氣工程師尼古拉—特斯拉發明了世界上第一臺交流發電機，隨后三相交流發電機、變壓器、三相異步電動機等電氣設備相繼問世，人類社會真正意義上進入了電氣文明時代，當前三相交流電網在電力系統領域占據了絕對的統治地位，交流輸電技術的優越性體現在發電與配電上，利用電磁感應定律即可將化學能、風能、水能等其他形式的能量轉化為電能，利用變壓器即可實現升降壓控制，因此在電能的配送方面相對便利，在輸送過程中為減少線路損耗，人們選擇高壓輸電。

交流輸電系統（圖3）要求系統內發電機同步、穩定運行，且工作中需要進行合理的無功補償，以保證系統電壓穩定。

圖3 交流輸電系統

■2.2 高壓直流輸電技術的優缺點分析

2.2.1 高壓交流輸電技術的缺陷分析

雖然三相交流電網處于主流地位，但是并非沒有缺點，其缺陷主要體現在以下幾點：

（1）由于交流架空輸電線路存在電容效應、集膚效應，容易導致超高壓輸電線路中設備因高壓竄入二次系統造成保護失靈或者變電站的高抗及其附屬設備損壞，甚至造成電網或設備的重大事故，這就制約了輸電距離與輸電容量。

（2）電網并網難題揮之不去，對于工頻不同的電網無法有效聯網運行；對于工頻相同電網，受短路容量與系統運行穩定性的影響，聯網合并問題依然困難重重。

（3）超高交流輸電（一般指大于500KV）往往會對環境與生態產生不容忽視的影響，例如產生電磁污染，所產生的電磁輻射將會干擾正常通信，同時對人體健康產生負面作用，電磁輻射會使人體內的染色體、DNA等發生生理效應，例如影響人的神經系統等。

（4）電纜輸電過程中，由于電纜之間或者電纜對地均存在電容，且輸電線路越長，該電容越大，距地越近，電容越大，電纜電容在充放電過程中產生大量損耗，且會“抬升”系統電壓，嚴重制約了輸電距離與容量。

2.2.2 高壓直流輸電技術的優缺點分析

相比較于三相交流輸電技術，高壓直流輸電技術的優勢明顯：

（1）從節省成本的角度分析：在同等輸送功率的情況下，直流輸電技術由于輸電線路少（交流輸電需用三根導線，而直流輸電一般用兩根，且截面的利用率高），因此線路造價低；輸電過程中不存在感抗、容抗等無功功率消耗，因此功率損耗低；輸電過程中所占用的輸電走廊寬度狹窄，以500KV電壓輸電為例，一條±500kV直流輸電線路的走廊寬度約46m，一條500kV交流線路走廊寬度約50m，但前者輸送容量為后者3倍左右，即直流輸電效率約為交流3倍。

（2）從輸電控制角度分析：兩側交流輸電系統不必同時運行，輸電距離不受系統同步運行穩定性的影響，且輸送功率的大小、方向可以隨時調節、控制。直流輸電技術不存在電容電流，線路壓降小，沿線電壓分布均勻穩定，線路部分無需設置無功補償。

當然，傳統的高壓直流輸電技術也存在一定的缺點：例如換流設備造價昂貴，在輸送相同容量時，雖然直流線路單位長度的造價比交流線路低，但直流輸電兩端換流站設備的造價比交流變電站成本高，這就引起了所謂的“等價距離”問題；雖然在線路部分無需進行無功補償，但是在整流側或者逆變側均需要設置無功補償，消耗無功功率約為輸送功率的40%～60%；換流器會產生嚴重電磁污染，為避免上述污染，需要設置濾波器；直流電壓器、斷路器、傳感器等電力原件尚不能完全滿足使用要求，亟待研發。

3 目前我國高壓直流輸電技術的發展現狀

我國在高壓直流輸電技術，尤其是特高壓直流輸電技術方面走在世界前列，±800千伏特高壓直流輸電技術就是我國首次提出，且經過技術攻關，我國已全面掌握了特高壓設備制造核心技術，并進行了工程實踐，例如向家壩－上海±800千伏特高壓直流輸電示范工程，該工程起于四川宜賓復龍換流站，止于上海奉賢換流站，途經四川、重慶、湖南、湖北、安徽、浙江、江蘇、上海八省市，線路全長1907公里,額定輸送功率640萬千瓦，最大連續輸送功率達700萬千瓦，是世界上電壓等級最高、輸送容量最大、送電距離最遠、技術水平最先進的高壓直流輸電工程。

4 柔性直流輸電技術

直流輸電系統經過早期探索，再到傳統直流輸電系統的大膽嘗試，再到目前的柔性直流輸電技術，高壓直流輸電技術不斷發展，當前柔性直流輸電技術是發展主流。

隨著GTO、IGBT等可關斷開關的興起，柔性直流輸電技術應運而生，柔性直流輸電技術采用了電壓源換流器，該換流器主要利用了IGBT開關器與高頻調制技術，有效避免了換相失敗的問題且省去了換流變壓器。

柔性直流輸電系統在換流器出口處通過調節出口電壓與系統電壓的功角差，實現了有功功率、無功功率的有效控制，基于此，柔性直流輸電可實現兩個交流電網之間有功功率的傳遞，也可以在兩端換流站實現無功功率的自動調節，甚至可對所連接的其他交流電網進行無功補償。

目前柔性直流輸電技術被廣泛應用于連接風力發電場和電力網、地下電力輸送、為海島或海上石油或天然氣的鉆油平臺提供電力、城市中心的供電等領域，例如2016年投入運營的舟山本島、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島五端柔性直流輸電工程。

5 結論

高壓直流輸電技術在遠距離、大容量輸電方面具有顯著的優越性，能夠有效解決我國能源供需地域不匹配的能源格局，同時該技術當前存在技術難題也應該正視，尤其是對超高壓換流器等設備的研發工作，需要進一步加強，從而保證能源供需平衡，進而推動我國經濟社會的快速、健康發展。