江蘇省電力公司徐州供電公司 李 昂

江蘇省電力公司沛縣供電公司 張 珍

高壓直流輸電設計技術與未來發(fā)展趨勢

江蘇省電力公司徐州供電公司 李 昂

江蘇省電力公司沛縣供電公司 張 珍

中國電網(wǎng)已經(jīng)進入了一個交直流互補的時代.由于直流輸電技術的發(fā)展日新月異及其在跨區(qū)域大電網(wǎng)發(fā)展中所體現(xiàn)出來的優(yōu)越特性，使直流輸電技術在中國獲得了很大的發(fā)展空間.本文簡要介紹了直流輸電工程的發(fā)展歷史及實際應用，交直流輸電各自的優(yōu)缺電，直流設備的制造技術及技術發(fā)展等，敘述了直流輸電技術發(fā)展，了解其與換流技術的發(fā)展有密切關系，元器件開發(fā)很重要。

直流輸電；高壓；換流器；HVDC

一、國內外技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

高壓直流(HVDC)技術，自50年代興起后，已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，成為一項日趨成熟的技術。至2002年，世界上已成功投運的HVDC工程已達82項，預計至2010年，世界還將有約20項HVDC工程投入運行。

80年代，隨著可控硅技術以及世界電網(wǎng)技術發(fā)展，HVDC技術得到一個階躍性的發(fā)展。其一，由于聯(lián)網(wǎng)的要求，背靠背工程有14項，約占新建工程的一半；其二，建成了目前世界上最長的直流線路。1700KM的扎伊爾英加—沙巴工程以及電壓等級最高(士600KV)、輸送容量最大(3150MW)的巴西伊太普工程。90年代，世界第一個復雜的三端HVDC工程(魁北克—新英格蘭工程)完成，并建成了世界上最長的海纜(250km)HVDC工程(瑞典—德國的BALTIC工程)。

圖1 直流控制系統(tǒng)回路圖

圖2 交直流輸電系統(tǒng)原理圖

圖3 換流器控制模塊圖

隨著電網(wǎng)技術和電力電子技術的發(fā)展，HVDC技術將會繼續(xù)深化其可控性強的特點，同時克服其對電網(wǎng)帶來的一些不利因素(如諧波)及換流站造價較高的弱點，加強其在電網(wǎng)發(fā)展中的作用，直流控制系統(tǒng)回路圖見圖1。

二、我國未來直流輸電技術開發(fā)的總體目標和重點任務

根據(jù)葛上和天廣HVDC工程及三峽工程、西電東送工程以及全國聯(lián)網(wǎng)工程的需要，發(fā)展我國的HVDC技術；重點開發(fā)遠距離高壓直流輸電和背靠背HVDC技術，借鑒國內外的經(jīng)驗，確保三峽HVDC工程的成功建設和運行；實施HVDC主設備國產(chǎn)化工程。

2007年12月，國家發(fā)展改革委核準西北與華中聯(lián)網(wǎng)靈寶背靠背擴建輸變電工程，本工程新增換流容量75萬千瓦，新建500千伏線路38.6公里，330千伏線路238.6公里。

靈寶背靠背直流工程作為我國第一個聯(lián)網(wǎng)背靠背直流輸電工程，也是直流設備國產(chǎn)化的試驗示范工程，工程的調試完全由國內技術力量完成，工程的建設和順利投入運行，對直流工程國產(chǎn)化的發(fā)展具有里程碑式的意思。靈寶背靠背直流工程的竣工，標志著我國直流輸電工程的自主化和國產(chǎn)化工作邁上了新的臺階。背靠背作為高壓直流輸電的一種特殊方式，將高壓直流輸電的整流站和逆變站合并在一個換流站內，在同一處完成將交流變直流，再由直流變交流的換流過程，其整流和逆變的結構、交流側的設施與高壓直流輸電完全一樣，具有常規(guī)高壓直流輸電的最基本的優(yōu)點，可實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)，較好地實現(xiàn)不同交流電壓的電網(wǎng)互聯(lián)，將2個交流同步電網(wǎng)隔離，能有效地隔斷各互聯(lián)的交流同步網(wǎng)間的相互影響，限制短路電流，且聯(lián)絡線功率控制簡單，調度管理方便。與常規(guī)直流輸電比較，其優(yōu)點更突出：(1)沒有直流線路，直流側損耗??；(2)直流側可選擇低壓大電流運行方式，以降低換流變壓器、換流閥等有關設備的絕緣水平，降低造價；(3)直流側諧波可全部控制在閥廳內，不會產(chǎn)生對通信設備的干擾；(4)換流站不需要接地極，無需直流濾波器、直流避雷器、直流開關場、直流載波等直流設備，因而比常規(guī)的高壓直流輸電節(jié)省投資。交直流輸電系統(tǒng)原理圖見圖2。

三、高壓直流輸電系統(tǒng)

一高壓直流輸電系統(tǒng)包括一個整流站(1)和一個逆變站(2)，它們通過直流連線(4)互連，還包括接在直流連線和交流網(wǎng)絡(3c)間的第三變換站(3)，第三變換站包括通過直流電壓變換器(4)與直流連線相連的變換器(3a)。該直流電壓變換器包括至少第一和第二變換器級(8:1，8:2)，每級皆有正極端(TP:1，TP:2)、負極端(TM:1，TM:2)和輸出端(TO:1，TO:2)，并包括帶有至少一個可關斷半導體閥(T1，T1)的電壓源變換電路(V，C1，SL)。第二變換器級的正極端與第一變換器級的輸出端相連，第二變換器級的輸出端與第一變換器級的負極端相連。

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。隨著高電壓大容量可控硅及控制保護技術的發(fā)展，換流設備造價逐漸降低直流輸電近年來發(fā)展較快。我國從國外引進設備和技術建設的葛洲壩--上海1100km、士500kV，輸送容量的直流輸電工程，已建成并投入運行。

直流輸電技術的主要優(yōu)點是不增加系統(tǒng)的短路容量便于實現(xiàn)兩大電力系統(tǒng)的非同期聯(lián)網(wǎng)運行和不同頻率的電力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)；利用直流系統(tǒng)的功率調制能提高電力系統(tǒng)的阻尼，抑制低頻振蕩，提高并列運行的交流輸電線的輸電能力。它的主要缺點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。加拿大原計劃開發(fā)和建設五端直流輸電系統(tǒng)現(xiàn)已建成三端直流輸電系統(tǒng)。實現(xiàn)多端直流輸電系統(tǒng)的主要技術困難是各種運行方式下的線路功率控制問題。目前，一般認為三端以上的直流輸電系統(tǒng)技術上難實現(xiàn)經(jīng)濟合理性待研究。

換流站的主要設備包括換流器、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設備等。

換流器又稱換流閥是換流站的關鍵設備，其功能是實現(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入交流系統(tǒng)在換流站交流母線上要裝設濾波器。它由電抗線圈、電容器和小電阻3種設備串聯(lián)組成通過調諧的參數(shù)配合可濾掉多次諧波。一般在換流站的交流側母線裝有5，7，1，13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，當換流器有一極退出運行時，直流系統(tǒng)可按單極兩線運行，但箱送功率要減少一半。

換流器交流側的電流是一段段的梯形波，而直流側的電壓也是含有紋波的電壓。這就是說，換流器在交流側和直流側都要產(chǎn)生高次諧波。換流裝置對于交流側是一個諧波電流源，對于直流側則是一個諧波電壓源。諧波頻率同交流電網(wǎng)基波頻率之比值稱為諧波次數(shù)。在交流電網(wǎng)基波一個周期內(不同時)發(fā)生的換相次數(shù)稱為換流器的脈動數(shù)，或換相數(shù)。根據(jù)傅里葉級數(shù)分析，在理想化工作條件下，換相數(shù)為P的換流器在直流側主要產(chǎn)生KP次諧波，在交流側產(chǎn)生kp±1次諧波．K為正整數(shù)。這種諧波稱為特征諧波。諧波次數(shù)越高，幅值越少。對于6脈動換流器交流側諧波主要是5、7、11、13次，直流側主要是6、12、18、24次。由兩組6脈動換流器組成的雙橋12脈動換流器在交流側產(chǎn)生的諧波主要是11、13次，直流側12、24次?？梢?2脈動換流器所產(chǎn)生的諧波要比6脈動為少。這些諧波如果不加控制，會造成許多不良影響：(1)由于諧波引起的附加損耗可使發(fā)電機和電容器過熱；(2)使換流器控制不穩(wěn)定；(3)對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；(4)有時還可能引起電網(wǎng)中的局部諧振過電壓等。因此為了減少換流器的諧波輸出，在直流輸電系統(tǒng)的換流站都裝有濾波裝置來吸收高次諧波。換流器控制模塊圖見圖3。

隨著電力需求日益增長，遠距離大容量輸電線路不斷增加，電網(wǎng)擴大，交流輸電受到同步運行穩(wěn)定性的限制，在一定條件下的技術經(jīng)濟比較結果表明，采用直流輸電更為合理，且比交流輸電有較好的經(jīng)濟效益和優(yōu)越的運行特性，因而直流輸電重新被人們所重視。這里提醒一下大家：在直流輸電系統(tǒng)中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然是交流電。

與交變電流輸電相比，直流輸電又有什么優(yōu)點呢？

我們先看看交流電的優(yōu)點：交流電的優(yōu)點主要表現(xiàn)在發(fā)電和配電方面：利用建立在電磁感應原理基礎上的交流發(fā)電機可以很經(jīng)濟方便地把機械能、化學能等其他形式的能轉化為電能；交流電源和交流變電站與同功率的直流電源和直流換流站相比，造價大為低廉；交流電可以方便地通過變壓器升壓和降壓，這給配送電能帶來極大的方便．這是交流電與直流電相比所具有的獨特優(yōu)勢。

再來看直流電的優(yōu)點：直流電的優(yōu)點主要在輸電方面：

①輸送相同功率時，直流輸電所用線材僅為交流輸電的2/3～l/2，直流輸電采用兩線制，以大地或海水作回線，與采用三線制三相交流輸電相比，在輸電線載面積相同和電流密度相同的條件下，即使不考慮趨膚效應，也可以輸送相同的電功率，而輸電線和絕緣材料可節(jié)約1/3。如果考慮到趨膚效應和各種損耗(絕緣材料的介質損耗、磁感應的渦流損耗、架空線的電暈損耗等)，輸送同樣功率交流電所用導線截面積大于或等于直流輸電所用導線的截面積的1.33倍．因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半．同時，直流輸電桿塔結構也比同容量的三相交流輸電簡單，線路走廊占地面積也少。

②在電纜輸電線路中，直流輸電沒有電容電流產(chǎn)生，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場合，必須用電纜輸電．例如高壓輸電線經(jīng)過大城市時，采用地下電纜；輸電線經(jīng)過海峽時，要用海底電纜．由于電纜芯線與大地之間構成同軸電容器，在交流高壓輸線路中，空載電容電流極為可觀．一條200kV的電纜，每千米的電容約為0.2μF，每千米需供給充電功率約3×103kw，在每千米輸電線路上，每年就要耗電2.6×107kw·h．而在直流輸電中，由于電壓波動很小，基本上沒有電容電流加在電纜上。

③直流輸電時，其兩側交流系統(tǒng)不需同步運行，而交流輸電必須同步運行．交流遠距離輸電時，電流的相位在交流輸電系統(tǒng)的兩端會產(chǎn)生顯著的相位差；并網(wǎng)的各系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定統(tǒng)一為50HZ，但實際上常產(chǎn)生波動．這兩種因素引起交流系統(tǒng)不能同步運行，需要用復雜龐大的補償系統(tǒng)和綜合性很強的技術加以調整，否則就可能在設備中形成強大的循環(huán)電流損壞設備，或造成不同步運行的停電事故．在技術不發(fā)達的國家里，交流輸電距離一般不超過300km而直流輸電線路互連時，它兩端的交流電網(wǎng)可以用各自的頻率和相位運行，不需進行同步調整。

④直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小。兩個交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當一側系統(tǒng)發(fā)生短路時，另一側要向故障一側輸送短路電流．因此使兩側系統(tǒng)原有開關切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開關．而直流輸電中，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅速、方便地進行調節(jié)，直流輸電線路上基本上不向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送短路電流，故障側交流系統(tǒng)的短路電流與沒有互連時一樣．因此不必更換兩側原有開關及載流設備。

在直流輸電線路中，各級是獨立調節(jié)和工作的，彼此沒有影響。所以，當一極發(fā)生故障時，只需停運故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能．但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電．

交變電流輸電時，導線不但有電阻，還有電感。較細的導線，電阻的作用超過電感。在輸電功率大，輸電導線橫截面積大的情況下，對交變電流來，感抗的作用會超過電阻，但對穩(wěn)定的直流則只有電阻，沒有感抗。

另一方面，跨過海峽給海島輸電時所用水下電纜，穿過人口密集的城市輸電所用地下電纜，電纜在金屬芯線的外面包著一層絕緣，水下和大地都是導體，被絕緣皮隔開的金屬芯線和水(或大地)雖然構成了電容器。但用直流輸電時，不存在這個影響，因為電容對穩(wěn)定的直流不起作用。

現(xiàn)代的直流輸電，只是輸電這個環(huán)節(jié)是直流，發(fā)電仍是交變電流。在輸電線路的起端有專用的換流設備將交流變成直流，在輸電線路的末端也有專用的換流設備再將直流換成交流。當然目前換流設備存在著制造難、價格高等困難，有待研究解決。

高壓直流輸電主要用遠距離大功率輸電、海底電纜輸電、非同步運行的交流系統(tǒng)之間的聯(lián)絡等方面。隨著大型水電站的開發(fā)和坑口電站的建設，以及大電網(wǎng)的互相連接，遠距離大功率的直流輸電必將得到發(fā)展。

直流輸電的發(fā)展與換流技術（特別是高電壓、大功率換流設備）的發(fā)展有密切的關系。

直流架空線路與交流架空線路相比，在機械結構的設計和計算方面，并沒有顯著差別。但在電氣方面，則具有許多不同的特點，需要進行專門研究。對于特高壓直流輸電線路的建設，尤其需要重視以下三個方面的研究：

1.電暈效應。直流輸電線路在正常運行情況下允許導線發(fā)生一定程度的電暈放電，由此將會產(chǎn)生電暈損失、電場效應、無線電干擾和可聽噪聲等，導致直流輸電的運行損耗和環(huán)境影響。特高壓工程由于電壓高，如果設計不當，其電暈效應可能會比超高壓工程的更大。通過對特高壓直流電暈特性的研究，合理選擇導線型式和絕緣子串、金具組裝型式，降低電暈效應，減少運行損耗和對環(huán)境的影響。

2.絕緣配合。直流輸電工程的絕緣配合對工程的投資和運行水平有極大影響。由于直流輸電的“靜電吸塵效應”，絕緣子的積污和污閃特性與交流的有很大不同，由此引起的污穢放電比交流的更為嚴重，合理選擇直流線路的絕緣配合對于提高運行水平非常重要。

3.電磁環(huán)境影響。采用特高壓直流輸電，對于實現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置。但與超高壓工程相比，特高壓直流輸電工程具有電壓高、導線大、鐵塔高、單回線路走廊寬等特點，其電磁環(huán)境與±500千伏直流線路的有一定差別，由此帶來的環(huán)境影響必然受到社會各界的關注。同時，特高壓直流工程的電磁環(huán)境與導線型式、架線高度等密切相關。

直流輸電技術是符合我國國情的，三峽電廠是一座面向未來的高技術的國家重點能源工程，是一座永久性工程建設，關系到國家“西電東送”等一系列與經(jīng)濟、文化、國防有關的大政方針，采用直流輸電是走可持續(xù)發(fā)展之路而絕非一日之思，一時之見。消化和吸收已取得的經(jīng)驗，及早掌握直流輸電技術，是我國電力發(fā)展的一項戰(zhàn)略性決策，中國電力無疑將成為時代先鋒！

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