直流输电技术及其应用论文

直流输电技术及其应用

The Feature Development and Application of Direct CurrentTransmission Techniques 山东农业大学 电气工程及其自动化 10级

摘要 本文介绍了直流输电技术在电力系统联网应用中的必要性，直流输电系统的结构，直流控制保护技术以及直流输电的特点和应用发展方向；同时认为直流输电技术是新能源发电并网的最佳解决方式。

电力工程是21世纪对人类社会生活影响最大的工程之一，电力技术的发展对城乡人民的生产和生活具有重大的关系，电力工业是关系国计民生的基础产业。电力的广泛应用和电力需求的不断增加，推动着电力技术向高电压、大机组、大电网发展，向电力规模经济发展。电力工业按生产和消费过程可分为发电、输电、配电和用电四个环节。输电通常指的是将发电厂发出的电力输送到消费电能的负荷中心，或者将一个电网的电力输送到另一个电网，实现电网互联。随着电网技术的不断进步，输电容量和输电距离的不断增加，电网电压等级不断提高。电网电压从最初的交流 13.8KV ，逐步发展到高压 35KV 、66KV 、110KV 、220KV 、500KV 、1000KV 。电网发展的经验表明，相邻两个电压等级的级差在一倍以上才是经济合理的。这样输电容量可以提高四倍以上，不仅可与现有电网电压配合，而且为今后新的更高级别电压的发展留有合理的配合空间。我国从20世纪80年代末开始对特高压电网的规划和设备的制造进行研究；进入21世纪后，加快了特高压输电设备、电网研究和工程建设。2005年9月26日，第一条750KV 输电实验线路（官亭——兰州东）示范工程投运；2006年12月，云南——广东±800KV 特高压直流输电工程开工建设，并于2010年6月18日，通过验收正式投运，该工程输电距离1373KM ，额定电压±800KV ，额定容量500万KW ，和2010年7月8日投运的向家坝——上海±800KV 特高压直流示范工程一样，是当今世界电压等级最高的直流输电项目。

1. 使用直流输电的原因

随着电力系统规模的不断扩大，输电功率的增加，输电距离的增长，交流输电遇到了一些技术困难。对交流输电来说，在输电功率大，输电导线横截面积较大的情况下，感抗会超过电阻，但对稳定的直流输电，则只有电阻，没有感抗。输电线一般是采用架空线，但跨过海峡给海岛输电时，要用水下电缆，电缆在金属线芯外面包裹绝缘层，水和大地都是导体，被绝缘层隔开的金属线芯和水或大地构成了一个电容器，在交流输电的情况下，这个电容对输电线路的受电端起旁路电容的作用，并且随着电缆的增长，旁路电容会增大到几乎不能通交流的程度。另外，交流电路若要正常工作，经同一条线路供电的所有发电机都要必须同步运行；要使电力网内众多的发电机同步运行，技术上是很困难的，而直流输电不存在同步问题。现代的直流输电，只是输电环节是直流，发电仍是交流，在输电线路的起端有专用的换流设备将交流转换为直流，在输电线路的末端也有专用的换流设备将直流换为交流。

2. 直流输电技术的特点

随着电网的不断扩大, 输电功率、输电距离迅速增加, 交流输电遇到了一些难以克服的技术问题, 直流输电所具有的的技术特点, 使之作为解决输电技术难题的方向之一而受到重视。

2.1直流输电系统运行稳定性好

为保证电网稳定, 要求网上所有发电机都必须同步运行, 即所谓系统稳定性问题。对于交流长距离输电, 线路感抗远远超过了电阻, 并且输电线路越长, 电抗越大, 系统稳定越困难,

这大大限制了长距离输电的发展。而采用直流输电, 其输电线路只有电阻, 没有感抗, 因此不存在上述稳定问题, 也就是说, 直流输电不受输电距离的限制。因此, 直流输电技术在远距离输电工程中得到了广泛应用。

2.2 直流输电电能损耗小

直流输电线路没有感抗和容抗, 不传输无功功率, 因此也就没有无功损耗。直流输电没有磁带损耗和涡流损耗, 直流架空线路电晕损耗和无线电干扰均比交流架空线路小。因此, 在导线截面相同、输送有功功率相同条件下, 直流输电线路的功率损耗, 只有交流线路的2P3。

2.3 直流联网对电网间干扰小

现代电力技术的发展方向是大电网互联, 但对于几个大电网, 如果采用交流联网, 互联电网间正常运行变化相互干扰, 各个电网的故障相互影响, 容易造成联络线功率大幅度波动, 甚至剧烈振荡, 增加了系统发生稳定破坏事故的几率。而采用直流联网方式, 能有效地隔断各互联的交流同步电网之间的相互影响, 有利于提高电能质量; 特别是当一个系统发生连锁反应故障时, 可以避免和减轻对另一个系统的影响。因此, 直流联网是减少互联系统大面积停电事故次数和损失的一个有力手段。

2.4直流联网可以避免电网短路容量增加

用交流输电连接电网, 由于系统容量增加, 将使短路容量增大, 有可能超过原有断路器遮断容量, 而用直流输电连接两个交流系统时, 就不存在上述问题, 这对于大电网的互联具有极大的实用价值。

2.5 直流联网可以实现不同频率电网间联网

由于直流输电与系统频率无关, 所以直流线路是连接两个频率不同交流电网的最佳选择。这对跨国电网的发展有着重要意义

2.6 直流输电技术使长距离电缆输电成为可能

输电线一般是架空线, 但跨海输电线路要用水双极线路方式有两根不同极性(正、负极) 的导线, 双极系统又包括:双极中性点两端接地方式、双极中性点一端接地方式和双极中性线方式三种。

2.6.1双极两端中性点接地方式

双极两端换流器中性点接地，正负两极通过导线相连。实际上，它可以看成是两个独立的单极大地回线方式。正负两极在地回路中的电流方向相反，地中电流为两极电流之差。双极对称运行时，地中无电流流过，或仅有少量的不平衡电流流过，通常小于额定电流的1%；因此，在双极对称方式运行时，可消除由于地中电流所引起的电腐蚀等问题。当需要时，双极可以不对称运行，这时两极中的电流不相等，地中电流表为两极电流之差。运行时间的长短由接地极寿命决定。在该方式的直流输电工程中，当一极故障时，另一极可正常并过负荷运行，可减小送电损失。双极对称运行时，一端接地系统故障，可将故障端换流器的中性点自动转换到换流站内的接地网临时接地，并同时断开故障的接地极，以便进行检查和检修；当一极设备故障或检修停运时，可转换成单极大地回线方式、单极金属回线方式或单极双导线并联大地回线方式运行。由于此方式运行方式灵活、可靠性高，大多数直流输电工程都采用该接线方式。

2.6.2双极一端中性点接地方式。

该方式只有一端换流器的中性点接地，它不能用大地作为回路；当一极故障时，不能自动转为单极大地回线方式运行，必须停运双极，在双极停运后，可以转换成单极金属回线方式运行。因此，这种接线方式的运行可靠性和灵活性均较差。其主要优点是可以保证在运行中，地中无电流渡过，从而可以避免由此产生的一系列问题。这种系统构成方式在直流工程中很少采用，只在英——法海峡直流输电工程中得到应用。

2.6.3双极金属中性线方式。

该方式是在两端换流器中性点之间增加一条低绝缘的金属返回线；它相当于两个独立运行的单极金属回线方式。为了固定直流侧各种设备的对地电位，通常中性线的一端接地，另一端中性点的最高运行电压为流经金属线中最大电流时的电压降。这种方式在运行中，地中无电流渡过，它既可以避免由于地电流而产生的问题，又具有比较高的可靠性和灵活性。当一极发生故障时，可首先自动转为单极金属回线方式，然后还可以转为单极双导线并联金属回线方式运行。由于采用三根导线组成输电系统，其线路结构较复杂，线路造价高。通常是当不允许地中流过直流电流或接地极地址很难选择时才采用。加拿大——美国的魁北克——新英格兰多端直流工程的一部分是采用这种系统构成方式。

3. 直流输电系统的结构

直流输电系统由整流站、直流输电线路、逆变站三部分组成，送端交流电经换流变压器和换流阀变换成直流电，然后由直流线路把直流电输送给逆变站，经逆变换流变压器再将直流电变换成交流电后，送入受端交流系统。

直流输电系统按照其与交流系统的接口数量可分为两大类：两端直流输电系统和多端直流输电系统。两端直流输电系统是只有一个整流站和一个逆变站的直流输电系统，它与交流系统只有两个接口，是结构最简单的直流系统，是世界上已经运行的直流输电工程普遍采用的方式。多端直流输电系统与交流系统有三个以上的接口，它有多个整流站和逆变站，以实现多个电源系统向多个受端系统的输电；日前只有意大利——撒丁岛（三端）和加拿大——美国的魁北克——新英格兰（五端）直流输电工程为多端直流输电系统。两端直流输电系统又可分为单极型（正极或负极）、双极型（正、负两级）和背靠背直流输电系统（无直流输电线路）三种类型。

3.1单极直流输电系统

单极直流输电系统中换流站出线端对地电位为正的称为正极，为负的称为负极。与正极或负极相连的输电导线称为正极导线或负极导线。单极直流架空线路通常采用负极性（正极接地），这是因为正极导线电晕的电磁干扰和可听噪声均比负极导线的大；同时由于雷电大多为负极性，使得正极导线雷电闪络的概率也比负极导线的高。单极系统运行的可靠性和灵活性不如双极系统好，因此单极直流输电工程比较少。

单极系统的接线方式可分为单极大地或海水回线方式和单级金属回线方式两种。另外当双极直流输电工程在单极运行时，还可以接成双导线并联大地回线方式运行。

3.1.1单极大地回线方式

该方式是两端换流器的一端通过极导线相连，另一端接地，利用大地或海水作为直流的回流电路。这种方式的线路结构简单，利用大地作为回线，省去一根导线，线路造价低。但地下或海水长期有较大的直流电流流过，大地电流所经之处，将引起埋设于地下或放置在地面的管道、金属设施发生化学腐蚀，使中性点接地变压器产生直流偏磁而造成变压器磁饱和等问题。这种方式主要用于高压海底电缆直流工程，如瑞典——丹麦的康梯斯堪工程、瑞典——德国的波罗的海工程等。

3.1.2单极金属回线方式

该方式采用低绝缘的导线也称金属返回线代替单极大地回线方式中的大地回线路。在运行中，地中无电流流过，可以避免由此所产生的电化学腐蚀和变压器磁饷等问题。为了固定直流侧的对地电压和提高运行的安全性，金属回线的一端接地，其不接地端的最高运行电压为最大直流电流在金属返回线上的压降。这种方式的线路投资和运行费用均较单级大地回线方式的高。通常只在不允许利用大地或海水为回线或选择接地较困难以及输电距离又较短的单极

3.2双极系统接线方式

双极系统接线方式是直流输电工程普遍采用的接线方式，可分为双极两端中性点接地

方式、双极一端中性点接地方式和双极金属中性线方式三种。

3.2.1双极两端中性点接地方式

双极两端换流器中性点接地，正负两极通过导线相连。实际上，它可以看成是两个独立的单极大地回线方式。正负两极在地回路中的电流方向相反，地中电流为两极电流之差。双极对称运行时，地中无电流流过，或仅有少量的不平衡电流流过，通常小于额定电流的1%；因此，在双极对称方式运行时，可消除由于地中电流所引起的电腐蚀等问题。当需要时，双极可以不对称运行，这时两极中的电流不相等，地中电流表为两极电流之差。运行时间的长短由接地极寿命决定。在该方式的直流输电工程中，当一极故障时，另一极可正常并过负荷运行，可减小送电损失。双极对称运行时，一端接地系统故障，可将故障端换流器的中性点自动转换到换流站内的接地网临时接地，并同时断开故障的接地极，以便进行检查和检修；当一极设备故障或检修停运时，可转换成单极大地回线方式、单极金属回线方式或单极双导线并联大地回线方式运行。由于此方式运行方式灵活、可靠性高，大多数直流输电工程都采用该接线方式。

3.2.2双极一端中性点接地方式

该方式只有一端换流器的中性点接地，它不能用大地作为回路；当一极故障时，不能自动转为单极大地回线方式运行，必须停运双极，在双极停运后，可以转换成单极金属回线方式运行。因此，这种接线方式的运行可靠性和灵活性均较差。其主要优点是可以保证在运行中，地中无电流渡过，从而可以避免由此产生的一系列问题。这种系统构成方式在直流工程中很少采用，只在英——法海峡直流输电工程中得到应用。

3.2.3双极金属中性线方式

该方式是在两端换流器中性点之间增加一条低绝缘的金属返回线；它相当于两个独立运行的单极金属回线方式。为了固定直流侧各种设备的对地电位，通常中性线的一端接地，另一端中性点的最高运行电压为流经金属线中最大电流时的电压降。这种方式在运行中，地中无电流渡过，它既可以避免由于地电流而产生的问题，又具有比较高的可靠性和灵活性。当一极发生故障时，可首先自动转为单极金属回线方式，然后还可以转为单极双导线并联金属回线方式运行。由于采用三根导线组成输电系统，其线路结构较复杂，线路造价高。通常是当不允许地中流过直流电流或接地极地址很难选择时才采用。加拿大——美国的魁北克——新英格兰多端直流工程的一部分是采用这种系统构成方式。

3.3背靠背直流系统

背靠背直流系统是输电线路长度为零，即无直流输电线路的两端直流输电系统，它主要用于两个异步运行的交流电力系统之间的联网或送电，也称为异步联络站。如果两个被联电网的额定频率不同，也可称为变频站。背靠背直流系统的整流站和逆变站的设备安装在一个站内，也称为背靠背换流站。在背靠背换流站内，整流器和逆变器的直流侧通过平波电抗器相连，而其交流侧则分别与各自的被联电网相连，从而形成两个交流电网的相连。两个被连电网之间交换功率的大小和方向均由控制系统进行快速方便的控制。为降低换流站产生的谐波，通常选择12脉动换流器作为基本换流单元。如图8所示，换流站内的接线方式有换流器组的并联方式和串联方式两种。背靠背直流输电系统的主要特点是直流侧可选择低电压、大电流，因为无直流输电线路，直流侧损耗小，可充分利用大截面晶闸管的通流能力，同时直流侧设备，如换流变压器、换流阀、平波电抗器等，也因直流电压低而造成其造价相应降低。由于整流器和逆变器均装设在一个阀厅内，直流侧谐波不会造成对通信线路的干扰，因此可省去直流滤波器，减小平波电抗器的电感值。由于采用三根导线组成输电系统，其线路结构较复杂，线路造价较高。通常是当不允许地中渡过直流电流或接地极极址很难选择时才采用。

3.4多端直流输电系统

多端直流输电系统是由三个及以上换流站，以及连接换流站之间的高压直流输电线路

所组成，它与交流系统有三个及以上的接口。可以解决多电源或多落点受电的输电问题，还可以联系多个交流系统或将交流系统分成多个孤立运行的电网。在多端直流输电系统的换流站，可以作为整流站运行，也可作为逆变站运行，但作为整流站运行的换流站总功率与作为逆变站运行的总功率必须相等，即整个多端系统的输入和输出功率必须平衡。根据换流站在多端系统之间的连接方式可以分为并联方式或串联方式，连接换流站之间的输电线路可以是分支形或闭环形。

3.4.1串联方式

特点是各换流站均在同一个直流电流下运行，换流站之间的有功调节和分配主要是靠改变换流站的直流电压来实现。串联方式的直流侧电压较高，在运行中的直流电流也较大，因此其经济性不如并联方式好。当换流站改变潮流方向时，串联方式只需改变换流器的触发角，使原来的整流站（或逆变站）变为逆变站（或整流站）运行，不需改变换流器直流侧的接线，潮流反转操作快速方便。当某一换流站发生故障时，可投入其旁通开关，使其退出工作，其余的换流站经自动调整后，仍能继续运行，不需用直流断路器来断开故障。

4. 直流输电的控制保护

直流输电工程的核心就是控制保护，控制保护的关键技术有：软硬件平台技术、直流控制保护系统设计、阀触发控制、直流保护等。

4.1直流输电系统的控制功能

包括正常运行控制、故障控制、继电保护系统、各种开关操作的控制以及监测系统、通讯系统等等。直流输电通常采用分层方式来实现不同级别的控制，以提供高效而稳定的运行、最大限度地提高功率控制的灵活性而不危及设备的安全为目标。稳态正常运行方式下的运行参数主要是两端的直流电压、直流电流和输送功率。在运行中，各种因素的变化（如负荷的变化、电压的波动以及各种扰动）都会使上述运行参数发生变化。这就需要各种有关的控制和调节元件来进行调节，以使各运行参数回到设计所要求的原来的或新的稳态值。通过各种控制和调节元件组成的系统，对直流系统实现快速和多种调节。改善直流输电系统本身的运行特性，并可以扩大到以交流系统为对象的调节。控制系统的基本控制功能是在正常运行时，直流电压保持在额定值水平，使得当输送给定功率时线路的功率损耗适当。减小由于交流系统电压的变化而引起的直流电流波动；尽可能使功率因数保持较高的值；适当地减小换流器所损耗的无功功率。故障发生时，保护换流站设备，限制最大直流电流，防止换流器受到过载损害；限制最小直流电流，避免电流间断而引起过电压；尽量减小逆变器发生换相失败的概率；抑制换流器不正常运行及对所连交流系统的干扰。

4.2直流输电系统的保护

4.2.1换流器是直流输电系统中极为重要的元件，其故障形式和机理与交流系统中的一般元件有很大差别，保护动作后果也是根据故障形式和机理的不同而有所差异。在所有的直流工程中，都没有将阀电流引入到控制保护系统中，而是通过换流器故障时，检测除阀电流外的其它电气量特性来判断是否发生换流器故障。这样做一方面是为了避免增加测量系统的复杂性，另一方面也是为了简化保护逻辑。

4.2.2直流线路可能发生的故障有极线开路、极对地短路、极线间短路。若直流线路跨越交流线路，还可能发生交直流导线碰线的故障。直流线路保护系统应能检测到线路的任何一点上可能产生的各种故障，并能有效地清除故障。同交流电网中的保护的目的和原则一样，保护的作用是为了迅速准确的检测到各种可能发生的故障，并采取相应的措施，消除和隔离故障，并保护电力一次设备不受损坏或减少设备损坏程度，尽量保持整个电网的稳定运行。 直流线路故障恢复顺序要由控制系统完成，有别于交流系统的自动重合闸，再起动次数能预先整定。如果所选全压再起动次数已经达到，但故障还存在，没能成功地恢复直流传输功率，则保护应能进行直流降压再起动尝试。对于因交流系统扰动引起直流

欠压的情况，相关的直流保护不应动作。

5. 直流输电的应用与发展

5.1直流输电的应用

直流输电目前主要用于：

①远距离大功率输电；

②联系不同频率或相同频率而非同步运行的交流系统；

③作网络互联和区域系统之间的联络线（便于控制、又不增大短路容量）；

④以海底电缆作跨越海峡送电或用地下电缆向用电密度高的大城市供电；⑤在电力系统中采用交、直流输电线的并列运行，利用直流输电线的快速调节，控制、改善电力系统的运行性能。

5.2直流输电的发展

直流输电的发展也受到一些因素的限制。首先，直流输电的换流站比交流系统的变电所复杂、造价高、运行管理要求高；其次，换流装置（整流和逆变）运行中需要大量的无功补偿，正常运行时可达直流输送功率的40～60％；换流装置在运行中在交流侧和直流侧均会产生谐波，要装设滤波器；直流输电接地比较复杂，以大地或海水作回路时，会引起沿途金属构件的腐蚀，需要防护措施。要发展多端直流输电，需研制高压直流断路器。直流输电灭弧问题难以解决。随着电力电子技术的发展，大功率可控硅制造技术的进步、价格下降、可靠性提高，换流站可用率的提高，直流输电技术的日益成熟，直流输电在电力系统中必然得到更多的应用。当前，研制高压直流断路器、研究多端直流系统的运行特性和控制、发展多端直流系统、研究交直流并列系统的运行机理和控制，受到广泛的关注。许多科学技术的新发展为直流输电技术的应用开拓着广阔的前景，多种新的发电方式──磁流体发电、电气体发电、燃料电池和太阳能电池等产生的都是直流电，所产生的电能要以直流方式输送，并用逆变器变换送入交流电力系统；极低温电缆和超导电缆也更适宜于直流输电，等等。今后的电力系统必将是交、直流混合的系统。

结语

目前，我国的直流输电技术和直流输电工程在世界上都具有领先水平；风能、太阳能发电等新能源接入电网的最大障碍是其间歇性和不确定性，而直流输电可有效解决因不确定性而引发的谐波污染、电压间断和波形闪变等问题，是世界公认的新能源发电并网的最隹方式，在某些场合下甚至是唯一方式。因此在我国直流输电技术必将得到进一步的发展和应用。

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