对我国高压直流输电的探讨

2012-12-28徐鹏飞

中国新技术新产品 2012年11期

徐鹏飞

（华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

引言

在上世纪的50～80年代的30年间，世界发电装机容量增长了14.2 倍，发电量增长7.9 倍；发电装机年增长率达9.5%，而发电量年增长率达7.6%，约相当于每10年翻一番。步入新世纪，人们对电能的依赖程度日益增加，各国发电量也呈现飞速上升的态势。在此背景下电力传输系统的建设也必须与电源建设相适应，这意味着电力传输系统的传输能力、传输规模、技术水平都需要大幅度提高。而只靠新增传统的交流输电线路增加新设备，简单地外在扩张做法显然不适应新形势的要求。

1 中国高压直流输电的现状

中国能源分布不均衡现象十分严重。据统计，中国已经探明的煤炭储量82%集中在西部地区，可开发的水电资源67.5%集中在西南地区，而到2020年的电力消费75%将集中在中、东部和南部沿海地区。这决定了我国资源优化配置的基本选择是长距离西电东送。因此，高压直流输电以其输送容量大、传输距离长、稳定性好等优势必将在将来的中国以及世界的电力系统中占有重要的一席之地。

中国自1987年第一条高电压直流输电工程——舟山直流输电工程投入运行以来，到如今，已建和在建的直流输电工程有12个。

2 高压直流输电的明显优势

1.1 从技术性和可靠性看，HVDC 具有如下优点：

1.1.1 有利于改善交流系统的稳定性

在交流输电系统中，所有连接在电力系统的同步发电机必须保持同步运行。如果采用直流线路连接两个交流系统，由于直流线路没有电抗，所以不存在上述的稳定问题，也就是说直流输电不受输电距离的限制。

1.1.2 实现交流系统的非同步联网（输电）

非同步联网可以通过HVDC 实现两个交流系统的互联，这样有如下优点：

被联电网可保持自己的电能质量（如频率、电压）而独立运行；被联电网之间交换的功率可快速方便地进行控制，有利于运行和管理。

1.1.3 相同电压等级下，输送功率更大

1.1.4 有功、无功功率快速可控，有利于改善交流系统的运行性能

1.1.5 限制交流系统短路容量

直流输电线路连接两个交流系统，直流系统的“定电流控制”能快速将短路电流限制在额定功率附近，短路容量并不因互联而增大。

1.1.6 线路故障时的自防护能力强

直流输电在正常情况下能保证稳定输出，在事故情况下可实现紧急支援，因为直流输电可通过可控硅换流器快速调整功率、实现潮流翻转。

1.2 从经济性看，HVDC 具有如下优点：

1.2.1 线路造价低

输送同样功率条件下，直流架空线路节省1/3的导线，1/3～1/2的钢材，造价为交流线路的60%～70%。

1.2.2 运行损耗小

交流电由于集肤效应导致运流载流子通道狭窄(载流子只在外表面附近做定向运动)、通电截面小因而电阻增加，而电路电阻增加使电能转化为热量而消耗在电路中，这浪费了人力和物力。

因为直流输电只有两极，从原理上直流输电不存在交变频率（如工频），直流输电就可以避免如前所述的交流输电产生的集肤效应以及电感损耗，降低了线路的有功损耗。

此外，高压直流输电给新能源发电的并网提供了一条良好的途径，研究发现轻型直流输电（VSC-HVDC）在海上风力发电并网中应用潜力巨大。

3 高压直流输电存在的问题

3.1 换流站设备多、结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高；换流站比变电站投资大。直流输电环节中的换流站的设备比交流变电站复杂，除换流变外，还有可控硅换流器，以及换流器的其他附属设备，这些设备的造价都非常高昂，因此换流站的投资高于同等容量的交流变电站。

3.2 换流器产生大量谐波。

3.3 换流器无功消耗量大。

换流器吸收无功功率：30%～50%Pd(整流器）；40%～60%Pd(逆变器（)Pd 表示输电线路传输的功率）。由此看来虽然直流输电线路理论上不消耗无功功率，但是总体来说高压直流输电还是要消耗大量无功功率的，换流站中的换流器会消耗大量无功，因此必须在换流站中进行无功补偿，这是换流站造价远高于同容量的交流变电站的一个直接原因。

3.4 换流器过载能力低

短期过载（2h）：1.1p.u.

暂时过载（3-10s）：1.25-1.5p.u.

3.5 在某些运行方式下，对地下（或海中）物体产生电磁干扰和电化学腐蚀

3.6 直流断路器（DC circuit breaker）造价高，技术复杂

在交流系统中，电流每周波有两次自然过零点,交流断路器就是充分利用此时机熄灭电弧，完成介质恢复。而直流系统不存在自然过零点。因此，开断直流电路就要困难许多。因此，直流断路器的造价往往高于交流断路器，并且其稳定性能不如交流断路器。

直流断路器的制造工艺及其性能直接影响高压直流输电的容量与形式，在直流多站系统中，为建立直流系统之间的联络，需要性能更好的直流断路器。

4 高压直流输电的前景规划

直流输电凭借其独特的远距离，大容量输电优势，在最近几十年中得到了长足的发展。近年来，随着技术的更加成熟，其发展速度更是惊人。在这种情况下直流输电的地位，以及对直流输电的规划显得格外重要。

首先我们要充分利用直流输电远距离、大容量输电的绝对优势，在能源分布极其不均衡的国家和地区，通过高压直流输电，将电源中心与负荷中心直接相连。与特高压直流输电相比，这样既经济又环保。

其次，各国电力系统并网的兴趣有增无减，而直流输电为并网提供了一条极好的途径。纵观国外几次大停电，不难发现其根源是不受控制的可负荷转移的自由电网结构，是一个不分区、不分受端系统、不分远方电源的可通过电网送电网的电网结构。同步电网愈大，连锁反应愈难以控制，停电范围愈大。因此，在经过合理规划的前提下，可以用直流输电将整个电网分区、分层，保持分区独立，发展多个同步网。这样一旦发生问题，弱联网可及时解列,以保持各区的独立性，任何一个区内部问题不会影响相邻区的安全。

再次，虽然直流输电有交流输电不可比拟的优点，但是由于多端直流输电其技术复杂，运行难度大，相比较而言交流输电具有更高的灵活性。所以未来的电网必将是将直流输电与交流输电结合起来，发挥各自的优势，构成新型的电力传输网络，以满足电网日益发展的需要，使电网更加安全稳定可靠。

最后，为解决短路容量和直流多落点问题，要从电网规划开始采取有效的方法。因此，对电网总体的合理规划是建设电网的必要前提，不能盲目地改造与扩建。