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(shè)計(jì)技術(shù)與未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

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(guó)電網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)交直流互補(bǔ)的時(shí)代.由于直流輸電技術(shù)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(lái)的優(yōu)越特性，使直流輸電技術(shù)在中國(guó)獲得了很大的發(fā)展空間.本文簡(jiǎn)要介紹了直流輸電工程的發(fā)展歷史及實(shí)際應(yīng)用，交直流輸電各自的優(yōu)缺電，直流設(shè)備的制造技術(shù)及技術(shù)發(fā)展等，敘述了直流輸電技術(shù)發(fā)展，了解其與換流技術(shù)的發(fā)展有密切關(guān)系，元器件開發(fā)很重要。

直流輸電；高壓；換流器；HVDC

一、國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

高壓直流(HVDC)技術(shù)，自50年代興起后，已經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，成為一項(xiàng)日趨成熟的技術(shù)。至2002年，世界上已成功投運(yùn)的HVDC工程已達(dá)82項(xiàng)，預(yù)計(jì)至2010年，世界還將有約20項(xiàng)HVDC工程投入運(yùn)行。

80年代，隨著可控硅技術(shù)以及世界電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，HVDC技術(shù)得到一個(gè)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(xiàng)，約占新建工程的一半；其二，建成了目前世界上最長(zhǎng)的直流線路。1700KM的扎伊爾英加—沙巴工程以及電壓等級(jí)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(gè)復(fù)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(zhǎng)的海纜(250km)HVDC工程(瑞典—德國(guó)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(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，HVDC技術(shù)將會(huì)繼續(xù)深化其可控性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)克服其對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的一些不利因素(如諧波)及換流站造價(jià)較高的弱點(diǎn)，加強(qiáng)其在電網(wǎng)發(fā)展中的作用，直流控制系統(tǒng)回路圖見(jiàn)圖1。

二、我國(guó)未來(lái)直流輸電技術(shù)開發(fā)的總體目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)

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(guó)聯(lián)網(wǎng)工程的需要，發(fā)展我國(guó)的HVDC技術(shù)；重點(diǎn)開發(fā)遠(yuǎn)距離高壓直流輸電和背靠背HVDC技術(shù)，借鑒國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，確保三峽HVDC工程的成功建設(shè)和運(yùn)行；實(shí)施HVDC主設(shè)備國(guó)產(chǎn)化工程。

2007年12月，國(guó)家發(fā)展改革委核準(zhǔn)西北與華中聯(lián)網(wǎng)靈寶背靠背擴(kuò)建輸變電工程，本工程新增換流容量75萬(wàn)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(guó)第一個(gè)聯(lián)網(wǎng)背靠背直流輸電工程，也是直流設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的試驗(yàn)示范工程，工程的調(diào)試完全由國(guó)內(nèi)技術(shù)力量完成，工程的建設(shè)和順利投入運(yùn)行，對(duì)直流工程國(guó)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(biāo)志著我國(guó)直流輸電工程的自主化和國(guó)產(chǎn)化工作邁上了新的臺(tái)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(gè)換流站內(nèi)，在同一處完成將交流變直流，再由直流變交流的換流過(guò)程，其整流和逆變的結(jié)構(gòu)、交流側(cè)的設(shè)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(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)，較好地實(shí)現(xiàn)不同交流電壓的電網(wǎng)互聯(lián)，將2個(gè)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(luò)線功率控制簡(jiǎn)單，調(diào)度管理方便。與常規(guī)直流輸電比較，其優(yōu)點(diǎn)更突出：(1)沒(méi)有直流線路，直流側(cè)損耗??；(2)直流側(cè)可選擇低壓大電流運(yùn)行方式，以降低換流變壓器、換流閥等有關(guān)設(shè)備的絕緣水平，降低造價(jià)；(3)直流側(cè)諧波可全部控制在閥廳內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)通信設(shè)備的干擾；(4)換流站不需要接地極，無(wú)需直流濾波器、直流避雷器、直流開關(guān)場(chǎng)、直流載波等直流設(shè)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(jiàn)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(gè)整流站(1)和一個(gè)逆變站(2)，它們通過(guò)直流連線(4)互連，還包括接在直流連線和交流網(wǎng)絡(luò)(3c)間的第三變換站(3)，第三變換站包括通過(guò)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(jí)(8:1，8:2)，每級(jí)皆有正極端(TP:1，TP:2)、負(fù)極端(TM:1，TM:2)和輸出端(TO:1，TO:2)，并包括帶有至少一個(gè)可關(guān)斷半導(dǎo)體閥(T1，T1)的電壓源變換電路(V，C1，SL)。第二變換器級(jí)的正極端與第一變換器級(jí)的輸出端相連，第二變換器級(jí)的輸出端與第一變換器級(jí)的負(fù)極端相連。

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

直流輸電線造價(jià)低于交流輸電線路但換流站造價(jià)卻比交流變電站高得多。一般認(rèn)為架空線路超過(guò)600-800km，電纜線路超過(guò)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(jià)逐漸降低直流輸電近年來(lái)發(fā)展較快。我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)設(shè)備和技術(shù)建設(shè)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(yùn)行。

直流輸電技術(shù)的主要優(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(duì)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(wèn)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。

換流站的主要設(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(gè)或多個(gè)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(guò)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(guò)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5，7，1，13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(dāng)換流器有一極退出運(yùn)行時(shí)，直流系統(tǒng)可按單極兩線運(yùn)行，但箱送功率要減少一半。

換流器交流側(cè)的電流是一段段的梯形波，而直流側(cè)的電壓也是含有紋波的電壓。這就是說(shuō)，換流器在交流側(cè)和直流側(cè)都要產(chǎn)生高次諧波。換流裝置對(duì)于交流側(cè)是一個(gè)諧波電流源，對(duì)于直流側(cè)則是一個(gè)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(gè)周期內(nèi)(不同時(shí))發(fā)生的換相次數(shù)稱為換流器的脈動(dòng)數(shù)，或換相數(shù)。根據(jù)傅里葉級(jí)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(cè)主要產(chǎn)生KP次諧波，在交流側(cè)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(duì)于6脈動(dòng)換流器交流側(cè)諧波主要是5、7、11、13次，直流側(cè)主要是6、12、18、24次。由兩組6脈動(dòng)換流器組成的雙橋12脈動(dòng)換流器在交流側(cè)產(chǎn)生的諧波主要是11、13次，直流側(cè)12、24次?？梢?jiàn)12脈動(dòng)換流器所產(chǎn)生的諧波要比6脈動(dòng)為少。這些諧波如果不加控制，會(huì)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(jī)和電容器過(guò)熱；(2)使換流器控制不穩(wěn)定；(3)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；(4)有時(shí)還可能引起電網(wǎng)中的局部諧振過(guò)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(lái)吸收高次諧波。換流器控制模塊圖見(jiàn)圖3。

隨著電力需求日益增長(zhǎng)，遠(yuǎn)距離大容量輸電線路不斷增加，電網(wǎng)擴(kuò)大，交流輸電受到同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制，在一定條件下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)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(jì)效益和優(yōu)越的運(yùn)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(diǎn)呢？

我們先看看交流電的優(yōu)點(diǎn)：交流電的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在發(fā)電和配電方面：利用建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)上的交流發(fā)電機(jī)可以很經(jīng)濟(jì)方便地把機(jī)械能、化學(xué)能等其他形式的能轉(zhuǎn)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(jià)大為低廉；交流電可以方便地通過(guò)變壓器升壓和降壓，這給配送電能帶來(lái)極大的方便．這是交流電與直流電相比所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

再來(lái)看直流電的優(yōu)點(diǎn)：直流電的優(yōu)點(diǎn)主要在輸電方面：

①輸送相同功率時(shí)，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(yīng)，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(yīng)和各種損耗(絕緣材料的介質(zhì)損耗、磁感應(yīng)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(dǎo)線截面積大于或等于直流輸電所用導(dǎo)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(shí)，直流輸電桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電簡(jiǎn)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(méi)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(chǎng)合，必須用電纜輸電．例如高壓輸電線經(jīng)過(guò)大城市時(shí)，采用地下電纜；輸電線經(jīng)過(guò)海峽時(shí)，要用海底電纜．由于電纜芯線與大地之間構(gòu)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(dòng)很小，基本上沒(méi)有電容電流加在電纜上。

③直流輸電時(shí)，其兩側(cè)交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行，而交流輸電必須同步運(yùn)行．交流遠(yuǎn)距離輸電時(shí)，電流的相位在交流輸電系統(tǒng)的兩端會(huì)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(shí)際上常產(chǎn)生波動(dòng)．這兩種因素引起交流系統(tǒng)不能同步運(yùn)行，需要用復(fù)雜龐大的補(bǔ)償系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)加以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強(qiáng)大的循環(huán)電流損壞設(shè)備，或造成不同步運(yùn)行的停電事故．在技術(shù)不發(fā)達(dá)的國(guó)家里，交流輸電距離一般不超過(guò)300km而直流輸電線路互連時(shí)，它兩端的交流電網(wǎng)可以用各自的頻率和相位運(yùn)行，不需進(jìn)行同步調(diào)整。

④直流輸電發(fā)生故障的損失比交流輸電小。兩個(gè)交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當(dāng)一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，另一側(cè)要向故障一側(cè)輸送短路電流．因此使兩側(cè)系統(tǒng)原有開關(guān)切斷短路電流的能力受到威脅，需要更換開關(guān)．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(jìn)行調(diào)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(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒(méi)有互連時(shí)一樣．因此不必更換兩側(cè)原有開關(guān)及載流設(shè)備。

在直流輸電線路中，各級(jí)是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒(méi)有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)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(shí)，導(dǎo)線不但有電阻，還有電感。較細(xì)的導(dǎo)線，電阻的作用超過(guò)電感。在輸電功率大，輸電導(dǎo)線橫截面積大的情況下，對(duì)交變電流來(lái)，感抗的作用會(huì)超過(guò)電阻，但對(duì)穩(wěn)定的直流則只有電阻，沒(méi)有感抗。

另一方面，跨過(guò)海峽給海島輸電時(shí)所用水下電纜，穿過(guò)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(dǎo)體，被絕緣皮隔開的金屬芯線和水(或大地)雖然構(gòu)成了電容器。但用直流輸電時(shí)，不存在這個(gè)影響，因?yàn)殡娙輰?duì)穩(wěn)定的直流不起作用。

現(xiàn)代的直流輸電，只是輸電這個(gè)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(shè)備將交流變成直流，在輸電線路的末端也有專用的換流設(shè)備再將直流換成交流。當(dāng)然目前換流設(shè)備存在著制造難、價(jià)格高等困難，有待研究解決。

高壓直流輸電主要用遠(yuǎn)距離大功率輸電、海底電纜輸電、非同步運(yùn)行的交流系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)等方面。隨著大型水電站的開發(fā)和坑口電站的建設(shè)，以及大電網(wǎng)的互相連接，遠(yuǎn)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(shù)（特別是高電壓、大功率換流設(shè)備）的發(fā)展有密切的關(guān)系。

直流架空線路與交流架空線路相比，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方面，并沒(méi)有顯著差別。但在電氣方面，則具有許多不同的特點(diǎn)，需要進(jìn)行專門研究。對(duì)于特高壓直流輸電線路的建設(shè)，尤其需要重視以下三個(gè)方面的研究：

1.電暈效應(yīng)。直流輸電線路在正常運(yùn)行情況下允許導(dǎo)線發(fā)生一定程度的電暈放電，由此將會(huì)產(chǎn)生電暈損失、電場(chǎng)效應(yīng)、無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲等，導(dǎo)致直流輸電的運(yùn)行損耗和環(huán)境影響。特高壓工程由于電壓高，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，其電暈效應(yīng)可能會(huì)比超高壓工程的更大。通過(guò)對(duì)特高壓直流電暈特性的研究，合理選擇導(dǎo)線型式和絕緣子串、金具組裝型式，降低電暈效應(yīng)，減少運(yùn)行損耗和對(duì)環(huán)境的影響。

2.絕緣配合。直流輸電工程的絕緣配合對(duì)工程的投資和運(yùn)行水平有極大影響。由于直流輸電的“靜電吸塵效應(yīng)”，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(yán)重，合理選擇直流線路的絕緣配合對(duì)于提高運(yùn)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(duì)于實(shí)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(dǎo)線大、鐵塔高、單回線路走廊寬等特點(diǎn)，其電磁環(huán)境與±500千伏直流線路的有一定差別，由此帶來(lái)的環(huán)境影響必然受到社會(huì)各界的關(guān)注。同時(shí)，特高壓直流工程的電磁環(huán)境與導(dǎo)線型式、架線高度等密切相關(guān)。

直流輸電技術(shù)是符合我國(guó)國(guó)情的，三峽電廠是一座面向未來(lái)的高技術(shù)的國(guó)家重點(diǎn)能源工程，是一座永久性工程建設(shè)，關(guān)系到國(guó)家“西電東送”等一系列與經(jīng)濟(jì)、文化、國(guó)防有關(guān)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(shí)之見(jiàn)。消化和吸收已取得的經(jīng)驗(yàn)，及早掌握直流輸電技術(shù)，是我國(guó)電力發(fā)展的一項(xiàng)戰(zhàn)略性決策，中國(guó)電力無(wú)疑將成為時(shí)代先鋒！

[1]浙江大學(xué)直流輸電教研組.直流輸電[M].北京:水利電力出版社,1985.

[2]李興源編著.高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[3]袁清云.特高壓直流輸電技術(shù)現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù),2005(14).

[4]馬為民,聶定珍,曹燕明.向家壩—上海±800kV特高壓直流工程中的關(guān)鍵技術(shù)方案[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(11).

[5]葉昌林.高壓直流輸電技術(shù)應(yīng)用前景探討[J].東方電氣評(píng)論,1996(02).

[6]鄭超,周孝信,李若梅.新型高壓直流輸電的開關(guān)函數(shù)建模與分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2005(08).

[7]劉澤洪,高理迎,余軍.±800kV特高壓直流輸電技術(shù)研究[J].電力建設(shè),2007(10).

[8]程江.高壓直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)及其在我國(guó)的發(fā)展前景[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005(02).

[9]舒印彪,劉澤洪,高理迎,王紹武.±800kV 6400MW特高壓直流輸電工程設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2006(01).