高壓直流輸電

　　介紹

　　高壓直流輸電技術(shù)被用于通過架空線和海底電纜遠(yuǎn)距離輸送電能；同時在一些不適于用傳統(tǒng)交流聯(lián)接的場合，它也被用于獨(dú)立電力系統(tǒng)間的聯(lián)接。世界上第一條商業(yè)化的高壓直流輸電線路1954年誕生于瑞典，用于連接瑞典本土和哥特蘭島，由阿西亞公司(ASEA,今ABB集團(tuán))完成。

　　功能

　　在一個高壓直流輸電系統(tǒng)中，電能從三相交流電網(wǎng)的一點(diǎn)導(dǎo)出，在換流站轉(zhuǎn)換成直流，通過架空線或電纜傳送到接受點(diǎn)；直流在另一側(cè)換流站轉(zhuǎn)化成交流后，再進(jìn)入接收方的交流電網(wǎng)。直流輸電的額定功率通常大于100兆瓦，許多在1000-3000兆瓦之間。

　　高壓直流輸電用于遠(yuǎn)距離或超遠(yuǎn)距離輸電，因?yàn)樗鄬鹘y(tǒng)的交流輸電更經(jīng)濟(jì)。

　　應(yīng)用高壓直流輸電系統(tǒng)，電能等級和方向均能得到快速精確的控制，這種性能可提高它所連接的交流電網(wǎng)性能和效率，直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)被普遍應(yīng)用。

　　高壓直流輸電是將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電線路送往另一個換流站逆變成三相交流電的輸電方式。它基本上由兩個換流站和直流輸電線組成，兩個換流站與兩端的交流系統(tǒng)相連接。

　　直流輸電線造價低于交流輸電線路但換流站造價卻比交流變電站高得多。一般認(rèn)為架空線路超過600-800km，電纜線路超過40-60km直流輸電較交流輸電經(jīng)濟(jì)。隨著高電壓大容量可控硅及控制保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，換流設(shè)備造價逐漸降低直流輸電近年來發(fā)展較快。我國葛洲壩一上海1100km、±500kV,輸送容量的直流輸電工程，已經(jīng)建成并投入運(yùn)行。此外，全長超過2000公里的向家壩-上海直流輸電工程也已經(jīng)完成。該線路是目前（截至2011年初）世界上距離最長的高壓直流輸電項(xiàng)目。

　　主要優(yōu)點(diǎn)

　　是不增加系統(tǒng)的短路容量便于實(shí)現(xiàn)兩大電力系統(tǒng)的非同期聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行和不同頻率的電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng);利用直流系統(tǒng)的功率調(diào)制能提高電力系統(tǒng)的阻尼，抑制低頻振蕩，提高并列運(yùn)行的交流輸電線的輸電能力。它的主要缺點(diǎn)是直流輸電線路難于引出分支線路絕大部分只用于端對端送電。加拿大原計(jì)劃開發(fā)和建設(shè)五端直流輸電系統(tǒng)現(xiàn)已建成三端直流輸電系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)多端直流輸電系統(tǒng)的主要技術(shù)困難是各種運(yùn)行方式下的線路功率控制問題。目前，一般認(rèn)為三端以上的直流輸電系統(tǒng)技術(shù)上難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理性待研究。

　　主要設(shè)備包括換流器、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(hù)設(shè)備等。

　　換流器又稱換流閥是換流站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是實(shí)現(xiàn)整流和逆變。目前換流器多數(shù)采用晶閘管可控硅整流管)組成三相橋式整流作為基本單元，稱為換流橋。一般由兩個或多個換流橋組成換流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交流變直流直流變交流的功能。

　　換流器在整流和逆變過程中將要產(chǎn)生5、7、11、13、17、19等多次諧波。為了減少各次諧波進(jìn)入交流系統(tǒng)在換流站交流母線上要裝設(shè)濾波器。它由電抗線圈、電容器和小電阻3種設(shè)備串聯(lián)組成通過調(diào)諧的參數(shù)配合可濾掉多次諧波。一般在換流站的交流側(cè)母線裝有5、7、11、13次諧波濾波器組。

　　單極又分為一線一地和單極兩線的方式。直流輸電一般采用雙極線路，當(dāng)換流器有一極退出運(yùn)行時，直流系統(tǒng)可按單極兩線運(yùn)行，但箱送功率要減少一半。

　　2009年，瑞士ABB集團(tuán)與西班牙Abengoa集團(tuán)合作，開始建設(shè)連接巴西西北部兩座新建水電站和巴西經(jīng)濟(jì)中心圣保羅的2500公里高壓直流輸電線路。該線路竣工后將成為世界最長的高壓直流輸電線路。[1]

　　節(jié)能探索自上世紀(jì)80年代以來，電力傳輸技術(shù)的發(fā)展步伐明顯加快，提高傳輸能力的辦法不斷涌現(xiàn)，既有直流輸電技術(shù)、柔性交流輸電技術(shù)、分頻輸電技術(shù)等高新技術(shù)，同時也有對現(xiàn)有高壓交流輸電線路的增容改造技術(shù)，如升壓改造、復(fù)導(dǎo)增容改造、交流輸電線路改為直流輸電技術(shù)等。直流輸電，對于提高現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)的傳輸能力，挖掘現(xiàn)有設(shè)備潛力，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，實(shí)施起來可收到事半功倍的效果。

　　經(jīng)濟(jì)性三大特性突出節(jié)能效果

　　從經(jīng)濟(jì)方面看，直流輸電有以下三個主要優(yōu)點(diǎn)：

　　首先，線路造價低，節(jié)省電纜費(fèi)用。直流輸電只需兩根導(dǎo)線，采用大地或海水作回路只用一根導(dǎo)線，能夠節(jié)省大量線路投資，因此電纜費(fèi)用省得多。

　　其次，運(yùn)行電能損耗小，傳輸節(jié)能效果顯著。直流輸電導(dǎo)線根數(shù)少，電阻發(fā)熱損耗小，沒有感抗和容抗的無功損耗，且傳輸功率的增加使單位損耗降低，大大提高了電力傳輸中的節(jié)能效果。

　　最后，線路走廊窄，征地費(fèi)省。以同級500千伏電壓為例，直流線路走廊寬僅40米，對于數(shù)百千米或數(shù)千千米的輸電線路來說，其節(jié)約的土地量是很可觀的。

　　除了經(jīng)濟(jì)性，直流輸電的技術(shù)性也可圈可點(diǎn)。直流輸電調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行可靠。在正常情況下能保證穩(wěn)定輸出，在事故情況下可實(shí)現(xiàn)緊急支援，因?yàn)橹绷鬏旊娍赏ㄟ^可控硅換流器快速調(diào)整功率、實(shí)現(xiàn)潮流翻轉(zhuǎn)。此外，直流輸電線路無電容充電電流，直流線路無電容充電電流，電壓分布平穩(wěn)，負(fù)載大小不發(fā)生電壓異常不需并聯(lián)電抗。

　　提升空間大功率電力電子器件將改善直流輸電性能

　　直流輸電最核心的技術(shù)集中于換流站設(shè)備，換流站實(shí)現(xiàn)了直流輸電工程中直流和交流相互能量轉(zhuǎn)換，除在交流場具有交流變電站相同的設(shè)備外，還有以下特有設(shè)備：換流閥、控制保護(hù)系統(tǒng)、換流變壓器、交流濾波器和無功補(bǔ)償設(shè)備、直流濾波器、平波電抗器以及直流場設(shè)備，而換流閥是換流站中的核心設(shè)備，其主要功能是進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換，從最初的汞弧閥發(fā)展到現(xiàn)在的電控和光控晶閘管閥。

　　晶閘管用于高壓直流輸電已有很長的歷史。近10多年來，可關(guān)斷的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等大功率電子器件的開斷能力不斷提高，新的大功率電力電子器件的研究開發(fā)和應(yīng)用，將進(jìn)一步改善新一代的直流輸電性能、大幅度簡化設(shè)備、減少換流站的占地、降低造價。

　　觀點(diǎn)

　　遠(yuǎn)距離輸電優(yōu)勢明顯

　　發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過換流閥變成直流電，然后通過直流輸電線路送至受電端再變成交流電，注入受端交流電網(wǎng)。業(yè)內(nèi)專家一致認(rèn)為。高壓直流輸電具有線路輸電能力強(qiáng)、損耗小、兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行、發(fā)生故障時對電網(wǎng)造成的損失小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于長距離點(diǎn)對點(diǎn)大功率輸電。

　　其中，輕型直流輸電系統(tǒng)采用可關(guān)斷的晶閘管、絕緣門極雙極性三極管等可關(guān)斷的器件組成換流器，使中型的直流輸電工程在較短輸送距離也具有競爭力。

　　此外，可關(guān)斷器件組成的換流器，還可用于向海上石油平臺、海島等孤立小系統(tǒng)供電，未來還可用于城市配電系統(tǒng)，接入燃料電池、光伏發(fā)電等分布式電源。輕型直流輸電系統(tǒng)更有助于解決清潔能源上網(wǎng)穩(wěn)定性問題。

　　工程應(yīng)用1.±660千伏寧東—山東直流輸電工程于2011年2月28日投運(yùn)，山東接受外送電力的能力由350萬千瓦提升至750萬千瓦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，山東因此每年可節(jié)約原煤1120萬噸。由此全省減少二氧化硫排放5.7萬噸，二氧化硫排放量降低1.1個百分點(diǎn)，大大促進(jìn)了資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)。

　　僅2011年第一季度，山東電網(wǎng)就接納省外來電91.3億千瓦時，同比增長176%。

　　2.錦屏—蘇南±800千伏特高壓直流輸電工程采用900平方毫米導(dǎo)線，節(jié)能環(huán)保效果明顯，抗自然災(zāi)害能力強(qiáng)，可進(jìn)一步促進(jìn)電力技術(shù)創(chuàng)新和行業(yè)技術(shù)升級。與傳統(tǒng)的630平方毫米截面導(dǎo)線相比，錦蘇特高壓直流線路應(yīng)用900平方毫米截面導(dǎo)線，按照年運(yùn)行3000小時計(jì)算，每年每千米線路可節(jié)電4.32萬千瓦時，全線一年將創(chuàng)造直接效益4000多萬元。

　　按供電煤耗360克標(biāo)煤/千瓦時計(jì)算，全線一年將減少標(biāo)煤消耗7.735萬噸，減排二氧化碳約20.12萬噸。而在抵御自然災(zāi)害方面，大截面導(dǎo)線的大風(fēng)水平荷載降低約10%，15毫米覆冰垂直荷載減小約7%。

　　3.三峽—上海±500千伏直流輸電工程線路全長1048.6千米，輸送容量300萬千瓦，若按中強(qiáng)度全鋁合金導(dǎo)線替代普通導(dǎo)線計(jì)算，正常功率下，如果一年的輸送小時數(shù)為4000小時，可節(jié)約電能7.98萬千瓦時/千米，全線每年可節(jié)電8372萬千瓦時。[2]

　　4.向家壩-上海±800kV特高壓直流輸電示范工程是我國首個特高壓直流輸電示范工程。工程由我國自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行，是目前世界上運(yùn)行直流電壓最高、技術(shù)水平最先進(jìn)的直流輸電工程。向家壩-上海±800kV特高壓直流輸電示范工程包括二站一線，起于四川省宜賓復(fù)龍換流站，經(jīng)四川、重慶、湖北、湖南、安徽、江蘇、浙江、上海，止于上海市奉賢換流站。工程全長1891.6km，先后跨越長江四次。換流容量為6400MW，直流電流為4000A，每極采用兩組12脈沖換流器串聯(lián)（400kV+400kV）。換流變壓器容量（24+4）×297.1（321.1）MVA（其中4臺備用）；換流變型式為單相雙繞組有載調(diào)壓；±800kV直流開關(guān)場采用雙極接線，并按每12脈沖閥組裝設(shè)旁路斷路器及隔離開關(guān)回路；±800kV特高壓直流線路一回，復(fù)龍換流站交流500kV出線9回，奉賢換流站交流500kV出線3回。國家發(fā)改委于2007年4月以發(fā)改能源【2007】871號文件核準(zhǔn)，2008年5月開工建設(shè)，2009年12月12日通過竣工驗(yàn)收并單極投入運(yùn)行，2010年整體工程完成試運(yùn)行，投入商業(yè)運(yùn)行，實(shí)際動態(tài)總支出190.2億元，比批復(fù)動態(tài)總投資節(jié)省42.5億元。