中國高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展綜述

摘要目前，采用傳統(tǒng)的提高電壓等級來傳輸電已經(jīng)達(dá)到飽和趨勢，要在未來提高輸電效率，就必須采用高壓直流輸電。它在遠(yuǎn)距離大容量輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。 高壓直流輸電在全國聯(lián)網(wǎng)工程中起到重要的作用。未來輸電將主要采用這種技術(shù)。

關(guān)鍵詞高壓直流輸電 輸電效率 電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號:TM7文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

早期的輸電采用的是直流輸電，不需要經(jīng)過換流。伴隨著交流發(fā)電機(jī)、變壓器的發(fā)展，使得交流輸電和交流電網(wǎng)發(fā)展迅速，并占據(jù)來統(tǒng)治地位。但是直流輸電仍然有交流不可以取代之處。并隨著遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)展，它所起到的作用無法替代。目前，高壓直流輸電是解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離送電和電網(wǎng)互聯(lián)的一個重要手段，應(yīng)用越來越廣泛。

1 高壓直流輸電的發(fā)展

高壓直流輸電發(fā)展迅速，1954年，世界上第一個基于汞弧閥的高壓直流輸電系統(tǒng)在瑞典投入商業(yè)運(yùn)行; 1984年，巴西伊泰普水電站建造了電壓等級最高(€?00 kV)的高壓直流輸電工程。我國的高壓直流輸電發(fā)展速度相對比較晚，不過發(fā)展速度迅速。舟山直流輸電工程是我國依靠自己的力量建設(shè)的第一項直流輸電工程。該工程為雙極金屬回路方式(€?00 kV、500A、100MW)。1984年施工，在1987年調(diào)試并投入試運(yùn)行，1989年正式投入商業(yè)運(yùn)行。隨后葛洲壩-南橋€?00 kV、1200A、1200MW的大功率直流輸電投運(yùn)，該工程解決了葛洲壩電站遠(yuǎn)距離向華東上海地區(qū)的輸電問題，又實(shí)現(xiàn)了華中和華東兩大電網(wǎng)非同期聯(lián)網(wǎng)，對我國高壓直流輸電水平的提高起到了促進(jìn)作用，對當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的作用。在20世紀(jì)初，我國相繼建立了天生橋—廣州、三峽—常州、貴州—廣州等500 kV容量達(dá)3 000MW的直流輸電工程。此外，嵊泗直流輸電工程是我國自行設(shè)計和建造的雙極海底電纜直流工程，在2002年工程全部建成。①截至到2006年止，國內(nèi)外已經(jīng)投產(chǎn)的高壓直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到90個。目前情況下，我國采用€?00kv已經(jīng)趨于國產(chǎn)化，在投入的高壓直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)取得來很好的效果，并在未來的輸電系統(tǒng)中發(fā)揮重要的作用。

2 高壓直流輸電的特點(diǎn)

2.1 高壓直流輸電的優(yōu)點(diǎn)

直流輸電的電壓等級概念與交流輸電電壓等級概念有所不同。對于交流系統(tǒng)輸電線路來說，一般將220kV及以下的電壓等級稱為高壓，330~750kV的電壓等級稱為超高壓，1000kV及以上的電壓等級稱為特高壓。直流輸電系統(tǒng)則稍有不同，將€?00kV以上的統(tǒng)稱為高壓;€?00kV和€?00kV仍稱為高壓，而超過€?00kV的則稱為特高壓。目前一般都采用€?00kV輸電。它具有如下特點(diǎn):(1)在輸送功率一定的情況下線路造價低。對于架空線路，交流輸采用三根導(dǎo)線，而直流只需要一根(單級)或者兩根(雙極)導(dǎo)線。因此，在輸送功率一定情況下，直流輸電所用線料僅為交流輸電的1/2—2/3。而對于電纜線路，它的投資和運(yùn)行費(fèi)用更加經(jīng)濟(jì)。(2)輸送功率相同時線路損耗小。由于直流輸電采用的是一根或兩根導(dǎo)線，有功功率損耗小。同時，線路上沒有容抗和感抗，所以沒有無功功率損耗。(3)節(jié)省線路走廊。按同電壓500 kV考慮，一條500 kV直流輸電線路的走廊約40 m，一條500 kV交流輸電線路的走廊約為50 m，但是直流輸電的線路走廊，其傳輸效率約為交流線路的2倍甚至更多一點(diǎn)。(4)系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定。可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)非同期互聯(lián)，但是在交流輸電系統(tǒng)中，所有連接在電力系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)必須同步運(yùn)行。兩端交流輸電系統(tǒng)的等值電路見圖1。輸送功率為:P=(E1E2/X)sin，式中:E1、E2分別為受送端交流系統(tǒng)的等值電勢;X為線路、發(fā)電機(jī)、變壓器的等值電抗;為兩電勢的相角差。

圖1雙端\\交流輸電系統(tǒng)等值電路圖

由于交流系統(tǒng)中有電抗，輸送的功率就有一定的極限，當(dāng)系統(tǒng)中存在某種擾動時，有可能使它的輸送功率超過它的極限。而采用直流線路連接兩個交流系統(tǒng)，由于直流線路沒有電抗，所以不存在同步運(yùn)行穩(wěn)定問題。5)限制系統(tǒng)短路電流。交流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)時，系統(tǒng)容量增加，使得短路電流增加，從而使投資增加。而用直流輸電線路連接兩個交流系統(tǒng)時，直流系統(tǒng)的“定電流控制”將快速把短路電流限制在額定功率附近，有利于實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)的互聯(lián)。(6)運(yùn)行可靠。采用雙極線路時，如果一級出現(xiàn)故障，另一級仍然可以以水或大地為回來，輸送一半的功率，提高另運(yùn)行的可靠性。(7)可以實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)異步連接。頻率不同或者相同的交流系統(tǒng)可以通過直流輸電或者“交流—直流—交流”的“背靠背”換流站實(shí)現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

2.2 高壓直流輸電的缺點(diǎn)

(1)換流站的設(shè)備比較昂貴，換流器的費(fèi)用高。(2)換流裝置要消耗大量的無功功率，必須安裝一定數(shù)量的無功補(bǔ)償設(shè)備。(3)由于諧波的產(chǎn)生，安裝過程中需要加裝交流濾波器和直流濾波器，從而使換流站的投資費(fèi)用有所增加。(4)缺乏高壓直流開關(guān)，直流無波形過零點(diǎn)，所以滅弧比較困難。(5)不能用變壓器來改變電壓等級。(6)直流輸電線路很難引出分支，在絕大多數(shù)情況下只能用于端對端輸電。

3 高壓直流輸電現(xiàn)狀

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聯(lián)網(wǎng)工程的需要，發(fā)展我國的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)備國產(chǎn)化工程。并能提高 HVDC 工程運(yùn)行的可靠性，將產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟(jì)效益。近年來，背靠背直流輸電工程發(fā)展迅速。它是無直流輸電線路的兩端直流輸電系統(tǒng)。主要應(yīng)用于兩個非同步運(yùn)行的交流電力系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)和輸電，背靠背換流站原理接線圖見圖2。

圖2 背靠背換流站原理圖

(1—換流變壓器;2—換流器;3—平波電抗器;4—兩端交流系統(tǒng)。)

由于直流側(cè)可以選擇低電壓、大電流，可以充分利用大截面晶閘管的通流能力。與此同時，直流側(cè)的設(shè)備也因?yàn)殡妷旱投杀敬蟠蠼档汀６艺髌骱湍孀兤髟O(shè)計在一個閥廳內(nèi)，直流側(cè)濾波不會造成通信線路的干擾。從而使得背靠背換流站的造價比常規(guī)的換流站的造價低15%~20%。由于有很多優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)在的高壓直流輸電很多采用背靠背系統(tǒng)進(jìn)行非同步聯(lián)網(wǎng)。

4 高壓直流輸電的未來趨勢

伴隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，中國用電需求已經(jīng)不能滿足國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，用電量不斷增加，特別是大型企業(yè)的用電量，有的已經(jīng)成指數(shù)增長。用電量的不足嚴(yán)重阻礙了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。根據(jù)中國的實(shí)際國情，必須采用一種經(jīng)濟(jì)高效的輸電方式。而高壓直流輸電技術(shù)可以達(dá)到這種要求。目前正在采取技術(shù)用€?00kv特高壓直流輸電。美國電機(jī)電子工程師學(xué)會(EIEE)和國際大電網(wǎng)委員會(Cigre)均在80年代末已經(jīng)得出結(jié)論:基于已有的技術(shù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，800千伏高壓直流是明顯合適的運(yùn)行電壓等級。國際大電網(wǎng)委員會在2002年重申了他們的觀點(diǎn)。②目前正在建設(shè)中的€?00kv直流工程有:云南—廣東€?00 kV直流工程(2006—2010年)、向家壩—上海€?00 kV直流工程(2007—2011年)、錦屏—蘇南€?00 kV直流工程(2007—2011年)。按規(guī)劃到了2020年，預(yù)計會有9個特高壓直流工程投運(yùn)。其中以€?00 kV特高壓直流輸電工程為重點(diǎn)。

根據(jù)我國能源分布的特點(diǎn)以及輸電負(fù)荷的發(fā)展需求和500 kV輸電網(wǎng)架暴露出的問題(網(wǎng)損大，線路走廊緊張等)，通過對特高壓交流輸電(UHVAC)以及特高壓直流輸電(UHVDC)的研究論證，國家發(fā)改委已經(jīng)將直流€?00 kV作為特高壓直流線路的運(yùn)行電壓等級，確定了向家壩—上海及云南—廣東2條特高壓直流示范工程。③由于€?00 kV直流輸電系統(tǒng)的特性，對直流設(shè)備的要求與制造等都與€?00 kV系統(tǒng)有所不同，€?00 kV直流輸電技術(shù)又是屬國內(nèi)外首次研發(fā)，故國家從發(fā)展€?00 kV戰(zhàn)略出發(fā)，要求立足國內(nèi)，自主研究、自主設(shè)計、自主制造，盡快實(shí)現(xiàn)特高壓直流輸電技術(shù)裝備國產(chǎn)化。這又給國內(nèi)輸配電設(shè)備制造業(yè)提供了千載難逢的發(fā)展機(jī)遇，但也帶來了挑戰(zhàn)。特高壓直流輸電的輸送容量大，輸電距離長，輸電能力主要受導(dǎo)線最高允許溫度的限制。一條€?00 kV直流線路可輸送的功率約為4GW;而一條€?00 kV直流線路可輸送的功率可達(dá)到6GW，用于遠(yuǎn)距離輸電具有良好的經(jīng)濟(jì)性。所以未來的輸電將主要采用€?00kv直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行輸電。

5 結(jié)語

綜上所述，高壓直流輸電特別適合于遠(yuǎn)距離大容量輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。而我國從80年代開始對 高壓直流輸電進(jìn)行研究，對高壓直流輸電系統(tǒng)有了明確的掌握，使高壓直流輸電技術(shù)國產(chǎn)化，為后來的特高壓直流輸電提供了很好的技術(shù)支撐。目前，中國已經(jīng)是世界上發(fā)電量和裝機(jī)容量最大的國家，它復(fù)雜的輸電環(huán)境和地理位置將使高壓直流輸電工程在未來發(fā)揮著巨大的作用，并將取代交流輸電，成為未來輸電的主要趨勢。在未來幾十年內(nèi)，中國還將陸續(xù)建設(shè)一大批高壓輸電工程、背靠背直流聯(lián)網(wǎng)工程和跨海直流電纜輸電工程;新建一批特高壓交流輸電工程。以滿足西電東送的要求，為全國聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造了有利的條件，有利于全國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定，平衡向前發(fā)展。

注釋

①吳廣寧.現(xiàn)代高壓電力工程[M].北京:中國電力出版社，2007.

②Krishanayya P C S.An evaluation of the RD requirements or developing HVDC converter stations for voltage above 600kV[C].CIGRE 1988 Session，14-07.

③劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京:中國經(jīng)濟(jì)出版社，2005.