直流输电的优势与前景

直流输电的优势与前景

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直流输电的优势与前景

陈士军

（北京供电公司朝阳供电分公司，北京 100020）

摘 要：简要叙述了直流输电的应用、直流输电的优势，并与交流输电进行了技术和经

济比较。

关键词：直流输电；交流输电；输电技术

1 前 言

直流输电的发展历史到现在已有百余年了，在输电技术发展初期曾发挥作用，但到了20世纪初，由于直流电机串接运行复杂，而高电压大容量直流电机存在换向困难等技术问题，使直流输电在技术和经济上都不能与交流输电相竞争，因此进展缓慢。

20世纪50年代后，电力需求日益增长，远距离大容量输电线路不断增加，电网扩大，交流输电受到同步运行稳定性的限制，在一定条件下的技术经济比较结果表明，采用直流输电更为合理，且比交流输电有较好的经济效益和优越的运行特性，因而直流输电重新被人们所重视。

2 近半个世纪高压直流输电的应用

1950年苏联建成一条长43km、电压200kV、输送功率为3万kW的直流试验线路。1954年，瑞典把高压直流输电技术应用于高特兰岛到瑞典本土的海底电缆，总长96km，电压100kV，送电容量2万kW。1961年，英法两国采用海底电缆，建成100kV、160 MW、总长65km的直流输电线路，把两国交流电力系统连接了起来，再次推动了直流输电的发展。到60

年代，海底电缆的输电工程几乎都采用直流输电，直流输电方式在跨越宽阔海峡的特

殊自然条件下，优点更为突出。80年代，可控硅换流器在大型直流输电工程中崭露头角，巴西的伊泰普直流输电工程，使直流输电压达到±600kV，输电功率达到6 300MW，输送距离806km，发展之迅速可见一斑。我国高压直流输电起步较晚，1977年曾建成一条31kV直流输电工业性试验电缆线路。浙江舟山跨海直流输电工程（电压100kV，输电容量5万kW）亦已完成。1987年建成葛沪±500kV超高压直流输电工程（西起湖北宜昌葛洲坝换流站，东到上海奉贤），输送距离1 080km，分两期建设，先建单极500kV，输送容量60万k W，1988年建成双极。该工程的两座换流站设备是从瑞士和西德引进的。

近20年来，随着电力电子技术的发展，高压直流输电迅速发展。自1972年加拿大建成世界上第一座可控硅换流站以来，可控硅技术不断进步，容量增大，可靠性提高，价格逐渐降低，直流输电更趋成熟，已成为电力传输的一种重要方式。特别是光纤和计算机等新技术的发展，使直流输电系统的控制、调节与保护更趋完善，进一步提高了直流输电系统运行的可靠性。与此同时，直流输电应用于非同步联络站也有较大发展，到1985年底世界上有芬兰－苏联非同步联络站等11个工程相继投产，说明直流输电技术在交流电力系统的联网和分割功能方面将充分发挥作用。

3 直流输电的优势

直流输电的再次兴起并迅速发展，说明它在输电技术领域中确有交流输电不可替代的优势。尤其在下述情况下应用更具优势：

（1）远距离大功率输电。直流输电不受同步运行稳定性问题的制约，对保证两端交流电网的稳定运行起了很大作用。

（2）海底电缆送电是直流输电的主要用途之一。输送相同的功率，直流电缆不仅费用比交流省，而且由于交流电缆存在较大的电容电流，海底电缆长度超过40km时，采用直流输电无论是经济上还是技术上都较为合理。

（3）利用直流输电可实现国内区网或国际间的非同步互联，把大系统分割为几个既可获得联网效益，又可相对独立的交流系统，避免了总容量过大的交流电力系统所带来的问题。

（4）交流电力系统互联或配电网增容时，直流输电可以作为限制短路电流的措施。这是由于它的控制系统具有调节快、控制性能好的特点，可以有效地限制短路电流，使其基本保持稳定。

（5）向用电密集的大城市供电，在供电距离达到一定程度时，用高压直流电缆更为经济，同时直流输电方式还可以作为限制城市供电电网短路电流增大的措施。

4 直流输电与交流输电的技术比较

4．1 直流输电的优点

（1）直流输电不存在两端交流系统之间同步运行的稳定性问题，其输送能量与距离不受同步运行稳定性的限制；

（2）用直流输电联网，便于分区调度管理，有利于在故障时交流系统间的快速紧急支援和限制事故扩大；

（3）直流输电控制系统响应快速、调节精确、操作方便、能实现多目标控制；

（4）直流输电线路沿线电压分布平稳，没有电容电流，不需并联电抗补偿；

（5）两端直流输电便于分级分期建设及增容扩建，有利于及早发挥效益。

4．2 直流输电的缺点

（1）换流器在工作时需要消耗较多的无功功率；

（2）可控硅元件的过载能量较低；

（3）直流输电在以大地或海水作回流电路时，对沿途地面地下或海水中的金属设施造成腐蚀，同时还会对通信和航海带来干扰；

（4）直流电流不像交流电流那样有电流波形的过零点，因此灭弧比较困难。

5 直流输电与交流输电的经济比较

（1）直流架空线路投资省。直流输电一般采用双极中性点接地方式，直流线路仅需两根导线，三相交流线路则需三根导线，但两者输送的功率几乎相等，因此可减轻杆塔的荷 重，减少线路走廊的宽度和占地面积。在输送相同功率和距离的条件下，直流架空线路的投资一般为交流架空线路投资的三分之二。

（2）直流电缆线路的投资少。相同的电缆绝缘用于直流时其允许工作电压比用于交流时高两倍，所以在电压相同时，直流电缆的造价远低于交流电缆。

（3）换流站比变电站投资大。换流站的设备比交流变电站复杂，它除了必须有换流变压器外，还要有目前价格比较昂贵的可控硅换流器，以及换流器的其它附属设备，因此换流站的投资高于同等容量和相应电压的交流变电站。

（4）在相同的可比条件下，当输电线路长度大于等价距离时，采用直流输电所需的建设费用比交流输电省。

（5）运行费用较省。根据国外的运行经验，线路和站内设备的年折旧维护费用占工程建设费用的百分数，交流与直流大体相近。但直流输电电能损耗在导线截面相同、输送有功功率相等的条件下，是交流输电的三分之二。

现已有不少国家试制成功直流断路器和负荷开关，并正在研究利用这些开关设备与直流输电的控制技术相结合，以实现多端直流输电。

当前对高温超导的研究正方兴未艾，它在强电方面应用的可能性也与日俱增。超导用于直流输电要比用于交流输电更为有利，可以期待在不远的将来，超导将使电能的传输发生划时代的变革，并进一步推进直流输电的发展。

发展高压直流输电的若干问题分析

文字大小: [大] [中] [小] 发表时间：2011-12-21 23:47 作者:

摘要：当前以风能、太阳能为代表的新能源不断发展，加上我国能源分布和消费特点，本文分析了高压直流输电的研究和应用现状，介绍了直流输电的技术及经济优越性，并就发展高压直流输电需要注意的几个技术问题进行了探讨，最后介绍了直流输电的发展趋势。

关键词：高压直流输电等价距离VSC-HVDC

1 直流输电的研究和应用的现状

1954年，世界上第一个高压直流输电（HVDC）工程也就是从瑞典本土至哥特兰岛20MW、100kV海底直流电缆输电）投入商业化运行。20世纪60年代，随着可控硅元件的出现以及制造成本的不断降低，换流设备出现了新的发展方向，也使得直流输电设备可靠性不断提升，这样直流输电尤其是高压直流输电应用不断拓展。在20世纪80年代以后，计算机技术以及控制信息化技术的技术发展，高压直流输电技术更加趋于完善。

在国内，我国在上世纪50年代就开始研究直流输电，但是由于市场需求不大等因素使得直流输电研究发展缓慢，与国际上先进水平有不小的差距，。改革开放以后，随着我国经济的飞速发展，电力消耗量飞速增长，我国能源消费中心与能源分布中心不统一，使得全国电网联网成为必须。传统的交流输电存在一个600~900km等价距离，超出这一距离后采用直流输电就显得比较经济。我国能源中心与消费中心的距离大部分都超过交流输电的等价距离，直流输电就成为比较经济的选择，因此市场需求促进了直流输电的发展。 截止到今年，在科研部门的不懈努力下，我国高压直流输电技术不断完善，实际应用工程相继投入运行，从最早舟山的直流输电示范工程到士800kV直流输电工程，截至2007年年底，我国投入运行的直流输电线路总长达到7085km，整体的输送容量达18560MW，这两者均居世界第一。

2 直流输电的技术及经济优越性

与高压交流（HVAC）相比，高压直流输电（HVDC）存在以下主要优点：

2.1 直流线路建设成本低，同时由于没有电容和电抗，就取消了不必要的无功消耗，损耗低，同时由于是直流电压，整个线路的电容不工作，也就没有了电容电流，电压沿输电线路均匀分布。

2.2 高压直流输电不存在交流输电的同步运行的稳定性问题，特别适合于大功率、远距离输电。

2.3 在直流输电线路两端的交换系统的不用进行同步运行，就可以实现两电力系统非同步联网，而不增加电网的短路容量。

2.4 高压直流输电功率可以方便、快捷地控制，从而实现电网调度的各种调节和控制，这样的话就不仅可以保证正常运行时输出稳定的功率，同时也可以在事故情况下，快速调度从而提高系统运行的可靠性。

2.5 直流输电线路的短路电流比较小，在实现直流输电联网以后，短路容量基本不会增大，也不会对被联交流系统的短路电流产生不利影响。

2.6 直流输电工程可以分灵活的建设和扩张能力的提高，这将有助于投资回报期。

3 发展高压直流输电需要注意的几个技术问题

但由于传统的HVDC采用的是不可关断的换流器件，而且由于其本身存在整流、逆变设备，因而就会

存在其相应的缺点：

3.1 直流输电换流站比交流变电站的设备多、结构复杂、造价高，而且运行和维护比较复杂，因而对运行人员的要求也就会比较高。

3.2 由于传统HVDC 的换流阀为晶闸管阀，只能控制其开通，不能控制其关断，因而其传统的HVDC逆变站相连的必须为有源网络，为其提供关断电压，因而无法向无源网络供电，当传统HVDC受端为弱交流系统时，需装设同步调相机或静止无功补偿装置。

3.3 传统HVDC的换流阀对于交流侧系统而言，相当于一个谐波电流源，因而其交流侧必须装设交流滤波器；对于直流侧系统而言，相当于一个谐波电压源，因而在直流侧需装设平波电抗器和直流滤波器，这些装置都增大了HVDC的造价。

3.4 传统HVDC的换流阀在进行换流时，需要消耗大量的无功功率，因而其整流站和逆变站都需装设大容量的无功功率补偿装置。

3.5 由于直流电流没有过零点，因而其直流断路器的制造比较困难。

4 高压直流输电的发展趋势

由上述可知，传统的HVDC不能向无源网络供电，而且向弱交流系统供电时会增加很大的成本，否则不能实现正常换相，因而在此领域的应用会受到很大的限制。

而随着能源紧缺和环境污染等问题的加剧，使得风能、太阳能等新能源的利用越来越广泛。而以风能、太阳能为能源的电源，具有分散性、小型性、远离负荷中心等特点，使得利用交流输电或传统的直流输电很不经济；如前所述，如向海上钻井平台、孤立小岛等无源网络供电时，采用传统的直流输电技术上很难实现；另外，随着城市配电网的增加，由于输电走廊的限制，大量的配电网需要转入地下采用电缆送电，交流输电会显得很不经济，由于配电网容量小，传统的直流输电也不适宜。

随着电力电子器件和其控制技术的发展，尤其是绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）在器件电压和容量等级方面的不断发展，使得以电压源换流器(VSC)和脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）为基础的电压源换流器型直流输电（VSC-HVDC）得到了实际的工程应用，在国内科研人员将该输电和联网技术统称为称为柔性直流输电。从技术特点和实际工程的应用经验来看，VSC-HVDC由于先天技术优势利，具有快速可控性等特点，可以解决城市供电中存在的成本居高不下等问题，对维持整个城市电网的安全、可靠以及经济运行，具有现实意义。

同时，VSC-HVDC还适用于可再生能源并网、分布式发电并网、向无源网络供电和城市配电网改造等领域。

1999年6月，世界上第一个柔性直流输电工程在瑞典哥特兰岛投入商业运行，采用两电平换流器拓扑，输送容量为50MW，直流电压为±80kV。截止到2008年底，已投入商业运行的VSC-HVDC工程有9项，同时还有5项工程处于在建阶段。

我国关于柔性直流输电的研究不断深入，2011年中国电科院研制的柔性直流输电成套设备，通过规定

的全部试验。此举标志着我国成为世界第三家完全掌握柔性直流输电设备的国家。在2011年3月上旬，国内首条柔性直流输电工程上海南汇柔性直输电示范工程南汇风电场换流站系统调试顺利完成，投入试运行。

随着新能源的不断发展以及我国能源消耗的增长，我国柔性直流输电技术必将不断提升，在完成示范性电站以后，国家还需要投入大量人力和物力发展直流输电技术，抢占直流输电的技术高峰。 参考文献：

[1]张杜斌，徐政，王广柱.基于VSC的直流输电系统的稳态建模及其非线性控制[J].中国电机工程学报，2002，22(l):17-22.

[2]陈士军.直流输电的优势与前景[J].水电站设计，2003，19(3):78-79.

[3]张徐东.长距离交直流混合输电安全稳定控制系统的配置原则[J].电流系统自动化，2002，26(14):55-58，72.