±800kV特高壓直流輸電和1000kV特高壓交流輸電在長距離電力傳輸中的應用

張佳良

摘 要：進入21世紀以來，全球能源消耗不僅穩步增長，而且遠遠超過很多地方的能源供給能力，長距離運輸能源的問題越來越重要?！?00kV特高壓直流輸電和1000kV特高壓交流輸電不僅僅是在我國廣泛應用，而且在國際上也是廣泛應用。本文探討兩者在長距離電力傳輸中的應用。

關鍵詞：±800kV直流輸電 1000kV交流輸電 特高壓

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0032-02

能源運輸通常采用這幾種方式，石油運輸通常通過超級油輪，天然氣運輸一般采用管道中，用于電力生產的煤炭使用鐵路運輸，所以選擇靠近煤源的火電廠發電，并將其傳輸給消費者會更加高效和經濟。許多可再生能源如水電、風能和太陽能在電力生產中較為依賴于建廠位置，往往無法作為電力長距離傳輸的解決方案。

在長距離電力傳輸方案中，特高壓能大大提升中國電網的輸送能力。在我國，特高壓是指交流1000kV、直流±800kV及以上的電壓等級。截至2016年12月，我國國家電網特高壓建設已經實現“六交五直”“一帶一路”國家發展戰略以及霧霾治理和清潔能源外送的需求共同促進，使得我國特高壓建設進入快速發展軌道。

1 特高壓長距離電力傳輸中的應用

1.1 特高壓應用過程

交流和直流發電機都是在相對較低的電壓水平下產生電力。如果這種電壓用于長距離傳輸，則會導致高昂的損失。交流技術非常靈活地通過連接不同位置形成電網，允許向消費者提供非常強大和可靠的電力供應。早期的電力供應可靠性問題主要存在于：由于發電量相對接近消費端，因此優先考慮的焦點不在于遠距離傳輸大量電力。為了使交流電更適合這種散點傳輸，采取典型的措施是對線路采用串聯補償。當電力從一個點傳輸到另一個點時，這樣做的效果非常好，但是電力流量不可預測。交流輸電系統的傳輸電壓不斷提高，通常，將電壓倍增四倍于功率傳輸能力。因此，大多數國家的電網演進的特點是增加了系統傳輸的電壓。

1.2 特高壓傳輸的穩定性

建立長距離傳輸電力的線路的先決條件是穩定性，以及遭遇雷擊等故障的安全性。這就意味著，如果交流電系統的穩定性受損，則可能丟失的最大功率等于最大發電機組或具有最高容量線路的功率。如果來自遠方發電廠的所有電力都在單線上傳輸，則交流系統必須承受所有這種電力的損失。如果要傳輸更大的功率，則必須使用幾條平行的線路，每隔300～400km互連，以提高可靠性。

如果短路，交流線路具有相當高功率處理能力。該能力取決于導體的電壓和熱額定值。較長的線路具有較高的阻抗，從而降低功率傳輸能力。

有功功率傳遞方程為：

其中，P為有功功率；U1和U2為線路兩端的電壓；δ為兩端之間的相位角；X為線路阻抗。隨著線路長度增加，線路的阻抗隨之增加。為了保證持續傳輸功率，角度δ必須增加。最大可能的角度是30°左右，此后再遇到動態穩定性的問題時，克服這個問題的最好方法就是通過串聯補償器來減小阻抗，這種方法需要在沒有重大問題的情況下完成，約達到70%左右的補償，在較高的賠償水平下，這個系統將不會十分健康。

當線路加載到SIL（surge impedance loading-自然功率）以下時，它將產生無功功率；如果并聯補償不增加，電壓可能會過度上升。如果線路加載到SIL以上，它將消耗無功功率，并且電壓可能下降得太遠。從可靠性的角度來看，需要在串聯和并聯補償兩部分之間建立一個交流變頻器，以及各部分之間的互連，以確保始終能夠實現全功率傳輸。

2 直流線路與交流線路比較

2.1 ±800kV特高壓直流輸電優點和缺點

±800kV特高壓直流輸電的主要優點是可以連接沿線負載以及傳輸的靈活性。如果傳輸路線通過人口稠密的地區，并且生成設施位于路線的許多地方，這一優勢就顯得十分重要。

主要缺點是其成本，上述系統是相當昂貴的，因為在實際操作中，必須沿著該路線建立一套完整的電力基礎設施；另一個缺點是土地的要求，由于當線路非常長時，交流傳輸不能充分利用每條線路的熱容量，因此，必須安裝并聯線路。

2.2 1000kV特高壓交流輸電優點和缺點

1000kV特高壓交流輸電的一個主要優點是它在很長的距離上傳輸非常高功率時的低成本；第二個很大的優點是線損相當低，電力傳輸超過2000km的總損失大約是5%；第三個主要優點是需要較少的線路，而且路權的要求較少。如上所述，1000kV特高壓交流輸電通過兩條線路實現12000MW的傳輸，而用±800kV直流電線路傳輸相同的電源將需要8條線路。

2.3 組合方案

如上所述，±800kV特高壓直流輸電的主要缺點是沿線的電力建設成本高。然而，與低電壓交流電網并聯的低成本大容量特高壓直流輸電傳輸的組合，在許多情況下可以成為提供低成本和高靈活性，以及為沿線客戶供應電能的最佳解決方案。

組合的交流電和直流電解決方案存在一些技術問題，在許多情況下，直流變壓器的干擾在相位角變得過大的情況下會使交流連接斷開，這個問題可以用各種方式解決，如圖2所示。

方案一：圖2a使用能夠承受大多數干擾的交流電連接在直流網絡中，無需斷開連接。作為一個例證，假設特高壓直流輸電在兩個雙極中每超過2000km傳輸1.2kMW功率。如果一個或多個斷路器跳閘，則假設特高壓直流輸電可以承受50%的臨時過載。此外，假設存在500kV線路的并聯交流網絡，其必將拾取特高壓直流輸電不能傳輸的功率。

方案二：圖2b允許兩個網絡異步運行，每個網絡沿著路線供應一半的客戶。在這種情況下，由于系統是異步的，所以沒有穩定性問題。

方案三：圖2c與圖2b相同，不同的是使用特高壓直流輸電背靠背連接，以增加電源的靈活性，而無需同步兩個系統。背靠背連接是通過一個電源轉換器（HVDC Light），其將穩定電壓并增加交流輸電線的功率傳遞。

3 結語

為了在長距離（超過500～1000km）范圍內大規模傳輸電力，±800kV特高壓直流輸電通常是最具成本效益的替代方案。然而，高壓直流輸電的最大缺點是沿線分接電源的成本高昂，這種缺陷可以通過直流傳輸和交流傳輸組合的方式解決，其中大功率電力輸送采用特高壓直流供電，沿線所需的電力由交流供電，這樣是最具成本效益和靈活性的解決方案。1000kV特高壓交流輸電更適合供給400kV或者500kV交流電網的人口稠密地區使用。

參考文獻

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