直流輸電和交流輸電在中國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展

高廣德，胡 江，向 文，梅金星

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002）

1 背 景

我國(guó)的煤炭、水能、陸地風(fēng)能和太陽能等能源主要分布在西部和北部地區(qū)，這種分布非常適合集中開發(fā)和利用，而我國(guó)的負(fù)荷中心卻在中東部及沿海地帶，發(fā)電資源和負(fù)荷中心地理位置分布的不平衡決定了跨區(qū)輸電的需求。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中東部及沿海地帶的用電量激增和國(guó)家對(duì)大氣污染治理的決心都將加快輸電線路的建設(shè)。交直流特高壓輸電是當(dāng)前及未來一個(gè)階段的必然選擇。因此有必要仔細(xì)探討一下交直流電兩種輸電方式在我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展前景［1-3］。

一百多年以前，愛迪生和特斯拉分別發(fā)現(xiàn)了直流電和交流電。由于愛迪生擁有發(fā)現(xiàn)時(shí)間早于特斯拉的優(yōu)勢(shì)，在初期取得了“一邊倒”的勝利，然而在特斯拉發(fā)明異步電動(dòng)機(jī)后，交流電憑借可以變換電壓的優(yōu)勢(shì)，在芝加哥世博會(huì)上擊敗了直流電，從而奠定了交流電的領(lǐng)先地位。而在20世紀(jì)30年代，由于高壓水銀整流器（汞閥）研制成功，直流輸電又開始發(fā)展，直至20世紀(jì)70年代晶閘管（可控硅）的成功研制，隨后直流輸電隨著電力電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)而飛速發(fā)展，漸漸形成了與交流輸電對(duì)峙的局面［4］。

2 交直流輸電線路末端電壓的對(duì)比

本文以三峽至上海直流輸電線路（三滬）±500 k V參數(shù)為背景進(jìn)行比較。三滬直流輸電工程西起湖北宜昌宜都市，東至上海，直流單極額定輸送功率為1 500 MW，雙極額定輸送功率為3 000 MW，額定電壓500 k V，額定電流3 000 A，交流母線額定電壓500 k V，輸電線路總長(zhǎng)1 059 km。三滬直流工程單極的參數(shù)：分裂導(dǎo)線數(shù)為4根，子導(dǎo)線半徑為1.812 cm，塔高為28 m，單位電阻0.0398Ω·km，弧垂14.9 m，線路長(zhǎng)度1 059 km，接地電阻率400Ω·km。

在對(duì)比交直流輸電的首末端電壓之比前作如下假設(shè)：（1）交流輸電和直流輸電的輸送容量相同，在交流輸電線路采用“可控電抗器”后，交流輸電線路的輸送距離不受限制。（2）交直流輸電線路的電壓等級(jí)相同。（3）導(dǎo)線材料相同。此外忽略交流輸電線路的電導(dǎo)。

導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電容的計(jì)算公式：

式中，C0為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電容，F(xiàn)／km；Dm為幾何均距，mm；r為導(dǎo)線的半徑，m。

導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電納計(jì)算公式：

式中，b0為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電納，S／km；f為頻率，我國(guó)取50 Hz。

由公式（1）、（2）計(jì)算可得交流輸電線路的單位長(zhǎng)度的電納b0為

由資料可知交流輸電線路的單位長(zhǎng)度電阻r0=0.0398Ω·km；單位長(zhǎng)度的電抗x0=0.4125Ω·km；單位長(zhǎng)度的電導(dǎo)為g0=0 S／km。

導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電容計(jì)算如下：

式中，C0為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度的電容，F(xiàn)／m；hc為導(dǎo)線的平均對(duì)地高度，m；r為導(dǎo)線的半徑，m；ε0為氣體的介電常數(shù)，取為相對(duì)介電常數(shù)，如果媒質(zhì)為空氣，取值為1。

由公式（3）可得直流輸電線路單位長(zhǎng)度的電容為C0=1.02×10-8F／km。由資料可知單位長(zhǎng)度的電阻為r0=0.0398Ω·km；單位長(zhǎng)度的電感l(wèi)0=0。

2.1 交流輸電線路末端電壓U 2的計(jì)算

利用公式（4）、（5）、（6）、（7）將均勻分布參數(shù)電路（圖1）轉(zhuǎn)化為π形等值電路（圖2）。

圖1 分布參數(shù)等值電路

圖2 π形等值電路

按照π形等值電路末端電壓的計(jì)算方法進(jìn)行編程，輸入到MATLAB中得出交流輸電線路末端電壓的表達(dá)式。

式中，γ為線路的傳播系數(shù)；x0為輸電線路單位長(zhǎng)度的阻抗，y0為輸電線路單位長(zhǎng)度的導(dǎo)納。

式中，Zc為輸電線路波阻抗，Ω；x1為π形等值電路中單位長(zhǎng)度的阻抗，Ω／km；y1為π形等值電路中單位長(zhǎng)度的電導(dǎo)，S／km。

式中，U1為交流輸電線路始端的相電壓，k V；U2為交流輸電線路末端的相電壓，k V；P為線路輸送的有功功率，MW；Q為線路輸送的無功功率，MW；R為輸電線路的電阻，Ω。

2.2 直流輸電線路末端電壓U 2的計(jì)算

利用直流輸電線路的π形等值電路（圖3）的末端電流計(jì)算方法得出線路的末端電壓U2。

圖3 π形等值電路

由于電感是“通直流，阻交流”，電容是“通交流，阻直流”，故在計(jì)算中可以忽略電感、電容。故末端電壓U2為

2.3 比較所得結(jié)論

由公式（8）、（9）可以得出U2的表達(dá)式，利用MATLAB中的plot命令繪制出交直流輸電線路末端電壓隨線路長(zhǎng)度變化的曲線圖（如圖4）。

圖4 交流輸電與直流輸電的末端電壓

圖4中的曲線“交流1”是交流輸電線路在采用“可控電抗器”后的末端電壓U2的曲線圖；曲線“交流2”是沒有安裝“可控”電抗器的交流輸電線路末端電壓U2的曲線圖；曲線“直流3”是直流輸電線路末端電壓U2的曲線圖。

由圖4可知：（1）在交流輸電線路的無功功率沒有得到解決時(shí)，500 k V的交流輸電線路輸送距離約為750 m左右（交流2），符合實(shí)際情況，由此可以驗(yàn)證將“均勻分布參數(shù)電路（圖1）轉(zhuǎn)化為π形等值電路（圖2）”是符合要求的。（2）在相同電壓等級(jí)下，輸送相同的距離，裝設(shè)“可控電抗器”的交流輸電線路（交流1）在線路長(zhǎng)度L＞400 km時(shí)，末端電壓顯然要高于直流輸電線路末端電壓（直流3），這是直流輸電無法改變的現(xiàn)實(shí)。

由上可知：可控電抗器不僅可以使得交流輸電線路的輸電距離得到增加，而且也使得交流輸電在相同條件下的末端電壓要高于直流輸電線路。

3 結(jié) 論

通過對(duì)交流輸電和直流輸電末端電壓的對(duì)比，再結(jié)合目前我國(guó)電網(wǎng)的構(gòu)成與未來科技的發(fā)展，可以得出我國(guó)電網(wǎng)只采取一種輸電方式進(jìn)行輸電是不現(xiàn)實(shí)的，直流輸電和交流輸電在未來較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不可能取代彼此。即使在諸多前提下，交流輸電取得較大的發(fā)展，但是依然無法代替直流輸電的控制速度快和三極直流輸電容量大，安全性高等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)依然還是交直流輸電共存，但是交流輸電占主導(dǎo)地位，直流輸電為輔助。

［1］劉振亞.中國(guó)電力與能源［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［2］周 浩，余宇紅.我國(guó)發(fā)展特高壓輸電中一些重要問題的討論［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29（12）：1-9.

［3］杜至剛，牛 林，趙建國(guó).發(fā)展特高壓交流輸電&建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)的國(guó)家電網(wǎng)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，（05）：1-5.