對我國高壓直流輸電的探討

徐鵬飛

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206）

引言

在上世紀的50～80年代的30年間，世界發電裝機容量增長了14.2 倍，發電量增長7.9 倍；發電裝機年增長率達9.5%，而發電量年增長率達7.6%，約相當于每10年翻一番。步入新世紀，人們對電能的依賴程度日益增加，各國發電量也呈現飛速上升的態勢。在此背景下電力傳輸系統的建設也必須與電源建設相適應，這意味著電力傳輸系統的傳輸能力、傳輸規模、技術水平都需要大幅度提高。而只靠新增傳統的交流輸電線路增加新設備，簡單地外在擴張做法顯然不適應新形勢的要求。

1 中國高壓直流輸電的現狀

中國能源分布不均衡現象十分嚴重。據統計，中國已經探明的煤炭儲量82%集中在西部地區，可開發的水電資源67.5%集中在西南地區，而到2020年的電力消費75%將集中在中、東部和南部沿海地區。這決定了我國資源優化配置的基本選擇是長距離西電東送。因此，高壓直流輸電以其輸送容量大、傳輸距離長、穩定性好等優勢必將在將來的中國以及世界的電力系統中占有重要的一席之地。

中國自1987年第一條高電壓直流輸電工程——舟山直流輸電工程投入運行以來，到如今，已建和在建的直流輸電工程有12個。

2 高壓直流輸電的明顯優勢

1.1 從技術性和可靠性看，HVDC 具有如下優點：

1.1.1 有利于改善交流系統的穩定性

在交流輸電系統中，所有連接在電力系統的同步發電機必須保持同步運行。如果采用直流線路連接兩個交流系統，由于直流線路沒有電抗，所以不存在上述的穩定問題，也就是說直流輸電不受輸電距離的限制。

1.1.2 實現交流系統的非同步聯網（輸電）

非同步聯網可以通過HVDC 實現兩個交流系統的互聯，這樣有如下優點：

被聯電網可保持自己的電能質量（如頻率、電壓）而獨立運行；被聯電網之間交換的功率可快速方便地進行控制，有利于運行和管理。

1.1.3 相同電壓等級下，輸送功率更大

1.1.4 有功、無功功率快速可控，有利于改善交流系統的運行性能

1.1.5 限制交流系統短路容量

直流輸電線路連接兩個交流系統，直流系統的“定電流控制”能快速將短路電流限制在額定功率附近，短路容量并不因互聯而增大。

1.1.6 線路故障時的自防護能力強

直流輸電在正常情況下能保證穩定輸出，在事故情況下可實現緊急支援，因為直流輸電可通過可控硅換流器快速調整功率、實現潮流翻轉。

1.2 從經濟性看，HVDC 具有如下優點：

1.2.1 線路造價低

輸送同樣功率條件下，直流架空線路節省1/3的導線，1/3～1/2的鋼材，造價為交流線路的60%～70%。

1.2.2 運行損耗小

交流電由于集膚效應導致運流載流子通道狹窄(載流子只在外表面附近做定向運動)、通電截面小因而電阻增加，而電路電阻增加使電能轉化為熱量而消耗在電路中，這浪費了人力和物力。

因為直流輸電只有兩極，從原理上直流輸電不存在交變頻率（如工頻），直流輸電就可以避免如前所述的交流輸電產生的集膚效應以及電感損耗，降低了線路的有功損耗。

此外，高壓直流輸電給新能源發電的并網提供了一條良好的途徑，研究發現輕型直流輸電（VSC-HVDC）在海上風力發電并網中應用潛力巨大。

3 高壓直流輸電存在的問題

3.1 換流站設備多、結構復雜、造價高、損耗大、運行費用高；換流站比變電站投資大。直流輸電環節中的換流站的設備比交流變電站復雜，除換流變外，還有可控硅換流器，以及換流器的其他附屬設備，這些設備的造價都非常高昂，因此換流站的投資高于同等容量的交流變電站。

3.2 換流器產生大量諧波。

3.3 換流器無功消耗量大。

換流器吸收無功功率：30%～50%Pd(整流器）；40%～60%Pd(逆變器（)Pd 表示輸電線路傳輸的功率）。由此看來雖然直流輸電線路理論上不消耗無功功率，但是總體來說高壓直流輸電還是要消耗大量無功功率的，換流站中的換流器會消耗大量無功，因此必須在換流站中進行無功補償，這是換流站造價遠高于同容量的交流變電站的一個直接原因。

3.4 換流器過載能力低

短期過載（2h）：1.1p.u.

暫時過載（3-10s）：1.25-1.5p.u.

3.5 在某些運行方式下，對地下（或海中）物體產生電磁干擾和電化學腐蝕

3.6 直流斷路器（DC circuit breaker）造價高，技術復雜

在交流系統中，電流每周波有兩次自然過零點,交流斷路器就是充分利用此時機熄滅電弧，完成介質恢復。而直流系統不存在自然過零點。因此，開斷直流電路就要困難許多。因此，直流斷路器的造價往往高于交流斷路器，并且其穩定性能不如交流斷路器。

直流斷路器的制造工藝及其性能直接影響高壓直流輸電的容量與形式，在直流多站系統中，為建立直流系統之間的聯絡，需要性能更好的直流斷路器。

4 高壓直流輸電的前景規劃

直流輸電憑借其獨特的遠距離，大容量輸電優勢，在最近幾十年中得到了長足的發展。近年來，隨著技術的更加成熟，其發展速度更是驚人。在這種情況下直流輸電的地位，以及對直流輸電的規劃顯得格外重要。

首先我們要充分利用直流輸電遠距離、大容量輸電的絕對優勢，在能源分布極其不均衡的國家和地區，通過高壓直流輸電，將電源中心與負荷中心直接相連。與特高壓直流輸電相比，這樣既經濟又環保。

其次，各國電力系統并網的興趣有增無減，而直流輸電為并網提供了一條極好的途徑。縱觀國外幾次大停電，不難發現其根源是不受控制的可負荷轉移的自由電網結構，是一個不分區、不分受端系統、不分遠方電源的可通過電網送電網的電網結構。同步電網愈大，連鎖反應愈難以控制，停電范圍愈大。因此，在經過合理規劃的前提下，可以用直流輸電將整個電網分區、分層，保持分區獨立，發展多個同步網。這樣一旦發生問題，弱聯網可及時解列,以保持各區的獨立性，任何一個區內部問題不會影響相鄰區的安全。

再次，雖然直流輸電有交流輸電不可比擬的優點，但是由于多端直流輸電其技術復雜，運行難度大，相比較而言交流輸電具有更高的靈活性。所以未來的電網必將是將直流輸電與交流輸電結合起來，發揮各自的優勢，構成新型的電力傳輸網絡，以滿足電網日益發展的需要，使電網更加安全穩定可靠。

最后，為解決短路容量和直流多落點問題，要從電網規劃開始采取有效的方法。因此，對電網總體的合理規劃是建設電網的必要前提，不能盲目地改造與擴建。

結語

從電網長遠安全、經濟運行的具體分析,詳細說明了高壓直流輸電的優缺點，并提出通過直流輸電將超大電網分區分層，以更好地解決交流復雜自由聯網結構無法解決的根本問題，防止大停電事故。

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