殷振

（國網(wǎng)安徽電力有限公司檢修分公司±1100kV 古泉換流站，安徽 宣城 242074）

引言

目前，世界上主要的技術和電氣設備轉讓國已經(jīng)在利用它們來有效地解決諸如遠離電網(wǎng)等問題。直流電傳動原理是，先通過變流機整流，然后倒置，最后再送入交流網(wǎng)。與交流輸電技術相比，直流輸電有以下優(yōu)點：設備面積經(jīng)濟，傳輸損耗減少，傳輸方式具有一定彈性。因此，目前全世界的電力系統(tǒng)已被大規(guī)模用于傳輸直流電，目前正在對主要的高壓直流輸電技術進行研究，分析未來的趨勢，總結設備的使用經(jīng)驗，為了確保我國的高壓直流電傳輸技術不具有創(chuàng)新性和完善性，保證國民經(jīng)濟持續(xù)的質量發(fā)展。

一、建設特高壓直流輸電工程的意義

隨著經(jīng)濟的迅速增長，全世界的能源消費正在增加。所有這些發(fā)達國家都有能力通過提供高功率、高電壓和長距離的電力滿足其能源需求。雖然我國的電力供應遠遠低于對電力的需求，但我國的電力供應不足直接影響到我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展。我國的國情要求在今后長期發(fā)展基礎設施和基本工業(yè)。這需要強大的能量為經(jīng)濟的快速發(fā)展提供持久的支持。在高壓直流輸電技術中，容量大、傳輸距離大的優(yōu)勢在于便捷的靈活的管理方式。這種傳輸方式對于遠距離發(fā)電和換料是必不可少的。在輸電過程中，交流電變?yōu)橹绷麟?，通過高壓線轉換為最終集成到網(wǎng)絡中的下一個過渡站。與交流輸電相比，高壓直流輸電比較有彈性輸電方式，損耗低，傳輸走廊的小業(yè)務和高度的控制。此外，高壓直流傳輸法還提供了可靠、可靠和穩(wěn)定的網(wǎng)絡運行。正是由于高壓直流傳輸?shù)暮锰?，世界各國不斷研究、運用和發(fā)展這一過程。

二、特高壓直流輸電技術簡介

（一）特高壓直流輸電系統(tǒng)結構

特高壓直流輸電系統(tǒng)的核心組成部分之一就是換流站設計與建設。雙極系統(tǒng)接線方式是我國目前主導建設特高壓直流輸電工程的首選接線方式。雙極12 脈動換流站可以選擇包括雙極全電壓運行和單極半電壓運行等多種運行方式。換流站靈活多變的運行方式可以在換流閥發(fā)生故障時最大程度減小損失，保障輸電安全平穩(wěn)運行。

（二）特高壓直流輸電系統(tǒng)運行方式

直流輸電工程多采用雙極式連接方式，具有可靠性高、傳輸功率大等優(yōu)點。

1.中性點接地

通過這種方式，換流站的正負極相互連接，在直流側形成閉環(huán)。中性點雙極接地直流側連接是由單極接地環(huán)組成的。當系統(tǒng)正常工作時，接地電路中的電流為零，因為兩級電流相互抵消。

2.雙極金屬中線

雙極金屬中線模式是指由三根導線組成直流輸電系統(tǒng)的直流側電路。在直流側電路中，除了兩條正、負極線路外，還有一條中性線路，它們的絕緣程度較低。兩臺換流站一端中間點安全接地。

3.中性點雙極性接地

通過這種方式，兩極導體與換流站正負極相連，在直流側形成一個閉環(huán)。但是只有一個換流站的中性點可以安全地接地。因為接地網(wǎng)不能形成環(huán)形，當?shù)谝粯O線出現(xiàn)故障要求退出工作時，整個雙極系統(tǒng)必須關閉，不能以單極接地方式運行。其優(yōu)點是保證在工作時沒有電流通過地面。

（三）特高壓換流技術

高壓直流輸電技術工程應用的全控型半導體換流閥階段，由于全控型半導體器件具備了自關斷電流能力，增加了一個控制自由度，實現(xiàn)了換流閥的四象限運行，在換流技術上得到了革新?；谠摷夹g的高壓直流輸電被國際學術組織定義為“電壓源型換流器直流輸電技術（VSC-HVDC）”，中國則統(tǒng)一命名為“柔性直流輸電技術”。相應的，前兩個階段則被定義為電網(wǎng)強迫換相直流輸電技術（LCC-HVDC），在中國為與VSC-HVDC 相區(qū)別被稱為“傳統(tǒng)/常規(guī)直流輸電技術”，根據(jù)工程應用電壓等級（目前以±800kV 為界）的不同被界定為“超高壓/特高壓直流輸電工程”

1.柔性直流輸電

加拿大學者Boon-TeckOoi 在1990 年正式提出采用PWM 技術控制的電壓源換流器(VSC）進行直流輸電的概念。柔性直流輸電技術通過改變VSC 中全控型電力電子器件的開斷狀態(tài)，實現(xiàn)控制交流側的無功和有功功率的目的，這樣不僅可以保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行，還可以解決輸電技術中的一些棘手問題。對于柔性直流輸電系統(tǒng)而言，無論是采用多電平換流器還是使用兩電平換流器，均為單極對稱系統(tǒng)。并聯(lián)換流站與串聯(lián)換流站相比具有損耗更低，調節(jié)范圍更大，擴展方法更加靈活等優(yōu)點，所以目前正在運行的特高壓柔性直流輸電工程的換流站多采用并聯(lián)接線方案。

2.柔性直流輸電優(yōu)點

①換流站建設成本大幅降低。相對于交流輸電，傳統(tǒng)直流最大的問題是由于需要依靠電網(wǎng)強迫換相，需要消耗大量的無功，還會對交直流側產(chǎn)生一系列的高次諧波，因此換流站內不得不配置針對性的交直流濾波器、平波電抗器等一次設備及其相應的二次設備。不僅存在設備多而復雜、造價高、損耗大、可靠性差的問題，而且增加了設備和占地需求、年運維工作量。②控制性能大幅提高。柔性直流因為較傳統(tǒng)直流多了一個控制自由度，能夠在額定容量內實現(xiàn)有功功率和無功功率的完全獨立控制，而傳統(tǒng)直流卻無法做到。③未來直流輸電的發(fā)展。對于未來高壓直流輸電技術的發(fā)展而言，柔性直流輸電技術由于具有不需要依靠電網(wǎng)實現(xiàn)換相，能夠對無源網(wǎng)絡進行供電，具備STATCOM 運行方式切換的能力等等在功能、性能上的優(yōu)勢，更加適合未來向高電壓大功率的直流輸電網(wǎng)，以及低電壓小功率的直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。

三、直流輸電線路繼電保護研究現(xiàn)狀

（一）低電壓保護

作為高壓直流輸電線路后備繼電保護的常規(guī)對策，低電力保護一般通過檢測電壓的增幅值來進行保護。有時候需要結合保護對象的特點，用極控低電壓與線路低電壓的方式進行保護，一般來說，線路低電壓保護的定值要略高于極控低電壓保護。

如果高壓直流輸電線路發(fā)生了問題，會自動關掉極控低電壓保護設置，同時會伴隨著低電壓保護設備的重新啟動。一般進行低電壓保護方法并不復雜，但由于缺載合理的整定運算規(guī)則，對工程技術人員在故障類型方面的判定不太有利，所以應用范圍并不廣泛。

（二）加強微分電壓保護

作為一種相對科學的繼電保護技術，差動電壓保護有著主保護以及后備保護特點?，F(xiàn)今，某公司在用ABB 行波保護里面，就采取了檢測對象使用的電壓電平與電壓差動策略。不過，因為西門子使用的ABB 方案后，上升的延遲時間過長了，不能更好地發(fā)揮其后備保護作用，不過ABB 方案的上升時間整體延遲了至少20 毫秒；在高壓直流輸電線路電壓處于變化率在標準值以內里，容易發(fā)揮出后備保護的特點，但它也有一些弊端，就是抗干擾能力不強。對于微分電壓保護，一般來說，行波保護對于高壓直流輸電線路更有可靠性，更具靈敏度，不過由于其運行的速度低于行波保護情況，這二種形式的繼電保護存在一些耐過度電阻能力不強，所以存在可靠性不足的問題。

如在進行系統(tǒng)繼電保護整定值計算時，采取了上述計算方法，并作以下假設：一是針對某低壓問題的電廠，其采取的變壓器高壓側系統(tǒng)的電源為無窮大；二是在進行過負荷保護時，該廠采用的是極端反時限工作原理；三是針對于該廠的限時電流速斷保護，采用的是定時限工作原理；四是針對于該廠單相接地保護，采用定時限工作原理；五是針對該廠電動機電流，啟動倍數(shù)是7 倍，啟動時間是10s；六是針對MCC 母線的額定電流為300A；其是忽略電纜阻抗影響，最終計算得出400V 的三相短路電流為27.6kA。得到PC 進線開關和變壓器進線保護的定值。

（三）縱聯(lián)電流差動保護

理論上講，縱聯(lián)電流差動保護利用了雙／多端電氣量，從原理上就能夠保證絕對的選擇性，但由于直流輸電線路差動保護利用兩端電流簡單加和構造差動判據(jù)，沒有考慮輸電線路分布電容的影響，需要等暫態(tài)過程消失后差動保護判據(jù)才能成立，因此，它在故障后投入的時間晚且需要長延時確 認。按照設計，它僅負責切除高阻故障，是直流輸電線路的后備保護。

四、特高壓輸電技術在我國的應用前景

（一）經(jīng)濟前景

特高壓直流輸電技術在我國具有很大的經(jīng)濟和社會效益，發(fā)展前景廣闊。隨著西電東送工程的實施，電網(wǎng)企業(yè)對其輸電能力提出了更高的要求。在工程建設過程中，傳統(tǒng)的輸電技術占用大量耕地，不僅耗資巨大，而且對周圍環(huán)境造成不同程度的破壞，因此需要采用特高壓輸電技術來解決。特高壓輸電技術在滿足人們生產(chǎn)、生活用電的基礎上，又能節(jié)約建設成本、保護環(huán)境，具有廣闊的經(jīng)濟前景。

1.擴大城市供電容量

當今大城市的集中負荷迅速的增加極大地擴大了城市中心的電力需求，然而，城市寸土寸金，空間有限，造成了供電走廊愈來愈狹小，再加之嚴格的環(huán)保要求，使得高壓遠距離的地下電纜供電方式成了發(fā)展所趨。當然，供電網(wǎng)絡的短路容量會隨著總容量的擴展而增加，使得具有超過容量極限的潛在危險。為了避免出現(xiàn)交流電纜運行存在的電容電流，采用基于VSC 的高壓直流電纜輸電技術是不二選擇。同時，直流輸電具有的功率可控策略，可限制短路容量，大大增強供電系統(tǒng)的可靠性。

2.向遠方負荷區(qū)供電

使用交流輸電技術向偏遠負荷供電時，比如偏遠農(nóng)村、島嶼等，輸電費用相當高，而且損耗大。在政府扶持下，這些地域往往會有自己的分布式電源，比如小火電廠、柴油發(fā)電機組等，但是這樣一來，增加發(fā)電成本的同時也加劇了環(huán)境污染。為解決上述問題，仍可采用高壓直流的輸電技術，從大電網(wǎng)取得優(yōu)質廉價的電力供應。同時，也可以利用海上加工廠，如天然氣石油開采中排放的廢氣熱能來發(fā)電，再通過HVDC系統(tǒng)送入主網(wǎng)，達到廢舊利用、提高經(jīng)濟效益的目的。

（二）施工前景

特高壓直流輸電技術能提高輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，輸電走廊狹窄，能耗低，效率高。而特高壓直流輸電技術在技術上要求很高，兩者可以結合使用交流輸電技術，達到優(yōu)化電網(wǎng)結構的目的。

結語

近年來，我國電力系統(tǒng)工作者結合中國國情，開展了特高壓直流輸電技術研究，為換流站設計、換流閥冷卻設計、輸電線路設計等提供了技術支持，為我國特高壓直流輸電工程積累了寶貴的經(jīng)驗，保證了特高壓直流工程的順利實施，同時由于我國資源分布不均，經(jīng)濟發(fā)展對電力需求的日益增長，特高壓直流技術在電網(wǎng)發(fā)展史上占有舉足輕重的地位。在世界范圍內，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)建設的逐步推進，以及影響特高壓直流輸電工程穩(wěn)定性的因素越來越多，我國下一步需要進一步完善特高壓直流輸電技術，提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應性，確保特高壓直流輸電工程成為保障人民生活、促進經(jīng)濟發(fā)展的重要工程。