高压直流输电与其关键技术的研究

史 劲 陈 弘

（成都电业局，成都 610021）

中国高速发展的经济环境，要求更多的电力的供给。与之同时，电力系统也逐渐增大规模，发展迅速。在2004年全国装机容量约440GW，2005年达到500GW，新增装机约50GW/年，预计2020年将达到1000GW。

然而，我国资源分布不太均，且大多聚集在西部地区。西电东送的战略将继续实施，且规模还在扩大。2005年西电东送的电量约为24GW，2010约为60GW，预计2030年将达到180GW。对于这样的远距离和大容量输电，若继续使用传统的较低电压等级输电，势必很具有挑战。因此，高压直流输电应运而生[1]。

高压直流输电技术，指采用较高直流电压进行电力传输的技术，其电压的等级一般在±500 kV 及以上。当前，HVDC输电是确保远距离、高电压和大容量电力供应的重要举措。我国电力部门长远规划是，到2020年，国内将开展并完成多大十几个直流输电项目[2]。

考虑到高压直流输电的重要性，本文将从高压直流发展进程、高压直流输电的特点及其关键的技术问题予以详细阐述，最后对其应用前景作相应总结。

1 高压直流输电的发展

在20世纪60年代，高压直流输电（HVDC）技术已有一定发展。1966年，瑞典Chalmers 大学就开始了±750kV导线研究。在此之后，巴西、苏联等国对高压直流输电技术也进行了开发、研究。当时，全球最高电压等级的直流输电系统是巴西的伊泰普水电站的输电工程（±600kV）。我国高压直流输电进展很快。从20世纪80年代开始，完成了舟山直流输电工程（±100kV）和葛—上（葛洲坝至上海南汇）高压直流输电工程（±500kV），现阶段已有数条直流输电线路，其具有的输电容量以及线路的总长都是全球第一[1]。

高压直流输电需要两个基础，一是直流装置的研发水准，二是输电技术的研究高度；这两点对确定高压直流输电能力至关重要。长期以来，我国为获得合适的高压直流输电的电压等级，开展了很多讨论、研究和关键问题攻关。而且针对我国能源分布不均、负荷需求量大且分散等特点，考虑到传统500kV输电网缺少线路走廊及高网损的弊端，通过对高压交流输电（UHVAC）以及特高压直流输电（UHVDC）的分析论证，最后将高压直流输电的标准电压定为±800kV，还部署了向—上（向家坝到上海）和云—广直流等项目作为高压直流输电的示范性项目[3]。

2 HVDC 的优缺点

高压直流输电的基本工作原理是，通过AC/DC换流器，把交流电转换成直流电，之后经过直流输电线把电能输送到接收端，然后再通过DC/AC换流器把直流电转变成交流电，最后接入交流电网。然而，当前采用较多的一种输电形式是高压交流输电。相对交流输电来说，高压直流输电具有很多独特的优势，如其输电方式灵活、节约了线路走廊、控制迅速、提高了传输容量和传输距离等[1,4-5]。

1）高压直流输电线路造价低、损耗小，可以实现远距离的输电。其原因如下：采用较多的双极性HVDC系统只需要一正一负两条线路，相比于交流输电系统，在传输功率相同时，高压直流输电线路的总造价或者损耗相对交流输电而言，可降低1/3，而且直流输电线路的走廊也窄很多；还有个优点是，在直流电压作用下，线路电容在直流电压中起不到任何作用，这样一来，线路就不没有充电功率，也就不需要配置并联型电抗器等高抗设备。

此外，HVDC的优势相对电缆输电时更加显著。电缆可承受的直流电压能力比其承受交流电压能力高两倍以上，所以在HVDC中使用同等绝缘厚度和芯线截面的电缆，其输送的容量将远远高于交流输电。此外，相比架空线路而言，电缆的输电线路对地电容要高很多。交流电缆输电过程中产生的电容电流大，且与线路长度成正相关，当长度达到某个值时，电容电流就足以占据其所有符合能力，产生输电阻塞而不能进行电能传输。这也说明电容电流会严重影响交流电缆输电距离，难以实现远距离输电。而直流电缆输电就不会存在上面问题，其电容电流几乎为零，可实现直流电缆远距离送电。

2）直流输电系统能满足非同步联网。HVDC换流器具有电气隔离的作用，因此，HVDC可以级联两个不同步运行的电力系统，即两个系统可以具有不同的频率（比如50Hz或60Hz），不同的电压等级等。被HVDC联接的两个系统能够独立运行在各自的电压和频率，不会受到联网的影响，当然也不会由于故障的传递造成较大面积的停电。

3）HVDC输电没有稳定性问题。一般而言，直流输电线路不具有电抗，也就不会有交流输电同步运行的稳定问题。这表明了稳定性根本不会制约直流输电的输送容量和送电距离，其能适用于远距离和大容量的输电。

4）HVDC可控性迅速。HVDC控制系统响应速度快，对于传输的有功大小、方向及设备消耗的无功都可以独立解耦控制。这样不仅使电网间的送电协议方便实施，还使交流侧系统的运行性能得以改善（控制交流系统潮流分布很困难）。除此之外，在交流电网互联中，随着系统的短路容量增加，可能还会造成系统遮断容量不足，从而需要增加额外措施，比如采用限流装置或者更换断路器等来解决。但是，具有快速可控的HVDC系统可以避免交流系统互联需要增加短路容量的情况。

尽管HVDC有诸多优点，其也存在一些不足之处：

1）HVDC换流站投资大。HVDC换流站的设备繁杂，相比普通交流变电站，其投资花费巨大，而且HVDC换流站需要具有较高水平的专业工作人员来维护运行。这也成为了一个限制高压直流输电推广应用的重要原因。

2）换流器等设备需要损耗的无功功率大。当前，高压直流输电中主要使用的是晶闸管换流器，这种电力电子变换器需要消耗较多无功来维持运行。在换流过程中，如果将无功损耗表示为无功消耗的占所输送的有功的百分比，那么，一般情况下，整流器的无功损耗约占40%～50%，逆变器损耗的无功约为50%～60%。整体而言，这些无功可来源于两种情况：一是交流滤波器供给部分；二是配置无功补偿装置等。

3）会产生较大谐波。换流器作为强非线性设备，是一个大的谐波注入源，会在直流和交流侧产生大量高次谐波电流，会造成电机电容设备过热，干扰通信系统正常工作，降低换流器控制性能等。为解决这些问题，可在换流器内部安装滤波设备，比如平波电抗器和交/直流滤波器等。但如此做，又从另一个方面增加了整个换流站的造价投资。

3 HVDC 的关键技术

长期以来，高压直流输电技术的发展变化在很大程度上依赖于换流技术，尤其是超大功率、高压换流装置等技术的发展。然而，近些年来，在电力电子技术大力推动下，电力电子设备大量投运， 直流输电工程面临更多的保护控制、运行可靠性、故障处理等众多问题。而这些问题的解决都必须依赖于HVDC所采用的关键技术[6]。

1）晶闸管技术

作为高压直流输电的核心技术之一，晶闸管技术发展迅速。最初，水银汞弧阀是直流输电关键设备换流器的主要材料，但是在20世纪70年代左右，晶闸管就将其取代，组建成了新型的换流器。早期的晶闸管使用的是空气冷却方式，80年代后使用用水冷却技术，某种程度上减少了控制阀的体积尺寸，让换流器结构变得更加紧凑。伴随着电力电子技术的快速发展，晶闸管电压电流耐受能力不断加强。为了省去进行光电转换的触发电路板，可采用光触发的晶闸管。但是，另一个问题就是要在晶闸管上面集成相应的测量或者保护，技术和工艺要求就变得相当严格和复杂，有待进一步解决。

2）电容器串联的换相技术

传统的HVDC 换流器需要交流电网侧提供大量的无功功率以满足其正常工作。其吸收的无功功率约占总传输功率的40%～50%，大多来源于无功补偿装置。因此，交流侧需要足够的容量和大量的无功补偿设备成了避免换相失败的必需条件。为了克服以上传统问题，专家学者研究了一些新的电路接线方式，串联电容器的换相电路就是其中一种如图1所示，一个固定的电容器串联接入了换流器和换流变压器之间。研究表明，此种接线方式不仅在一定程度上提高了换流器的转换率，而且还有效降低了换流器的无功损耗。此外，这种串联电容器的换相电路也避免了因受端交流系统扰动致使的可能的换相失败，大大地提高了高压直流输电系统运行的可靠性。如果结合有源滤波器（APF）使用，那么大型的并联补偿设备也可以取消。这也成了这种电容串联换相技术的最大潜在应用。

图1 串联电容换相换流器示意图

3）接地极引线的故障检测技术

高压直流输电接地极引线运行在较低的电压范围内，如果仍采用传统的电压电流检测技术，在换流站内就几乎无法发现接地极附近的对地短路故障。近年来，HVDC系统中广泛使用脉冲回声、阻抗等接地和引线测量设备，较大的提高了检测接地极引线故障的准确性。例如，使用阻抗检测技术，不仅可以根据测量装置中反映的阻抗变化来判断故障发生与否，而且能准确定位故障位置。

4）多处理器实时控制的保护技术

在电子信息计算机技术迅猛发展的同时，处理器的发展也愈来愈快。其主要体现在一下几个方面：计算速度变得很快；存储容量增大；并行计算能力大大提高。当前，高压直流输电系统的诸多保护和控制都涉及到已有的微处理器技术。多处理器实时控制的保护技术已经得到广泛应用。诸如：直流系统保护；换流器冷却系统的保护；极控（或阀控）、交/直流滤波器的控制保护、站控（交流场/直流场）；换流变压器的控制保护；站用电系统的控制保护等。

此外，相比于常规的高压直流输电，在换流站技术设计方面，特高压直流输电系统（UHVDC）有自己独特的不同和要求，需要加以重视。以一个传输容量达6400MW的高压直流输电系统为例，假设其输电距离为2000km，直流输电电压为±800kV，其换流站阀桥等的具体设计都要仔细考虑[7]。

在以往的HVDC设计中，一般采用12脉冲换流桥。但是，UHVDC传输的容量巨大，传统设计似乎不能满足要求，需要在换流站串接两组具有12脉冲的换流桥，如图2所示。

图2 换流站内串接两组12 脉冲桥

其中，各组换流桥电压分配方式互不干扰。可以相同，如400kV/400kV；也可不同，如300kV/500kV。但是，若采用相同电压等级如400kV/ 400kV，则具有很多优势，如两阀桥的绝缘水平相仿；能源利用最优等。

4 HVDC 的应用前景

随着直流输电技术的发展，高压直流输电具有愈来愈明显的优势，其应用的前景也相当不错。可举如下例子加以说明[8]。

1）扩大城市供电容量

当今大城市的集中负荷迅速的增加极大地扩大了城市中心的电力需求，然而，城市寸土寸金，空间有限，造成了供电走廊愈来愈狭小，再加之严格的环保要求，使得高压远距离的地下电缆供电方式成了发展所趋。当然，供电网络的短路容量会随着总容量的扩展而增加，使得具有超过容量极限的潜在危险。为了避免出现交流电缆运行存在的电容电流，采用基于VSC的高压直流电缆输电技术是不二选择。同时，直流输电具有的功率可控策略，可限制短路容量，大大增强供电系统的可靠性。

2）向远方负荷区供电

使用交流输电技术向偏远负荷供电时，比如偏远农村、岛屿等，输电费用相当高，而且损耗大。在政府扶持下，这些地域往往会有自己的分布式电源，比如小火电厂、柴油发电机组等，但是这样一来，增加发电成本的同时也加剧了环境污染。为解决上述问题，仍可采用高压直流的输电技术，从大电网取得优质廉价的电力供应。同时，也可以利用海上加工厂，如天然气石油开采中排放的废气热能来发电，再通过HVDC 系统送入主网，达到废旧利用、提高经济效益的目的。

5 结论

HVDC有诸多独特的优势：可实现系统非同步互联；能够远距离传输大容量远距离的电能；可使用海底电缆供电等。HVDC作为交流输电的有力补充，具有广泛的应用和发展空间。与此同时，高压直流断路器的研制和换流器中电力电子技术的开发，HVDC技术得到不断改进与完善。在我国21世纪“西电东输、南北互给、全国联网”的电力工业建设总战略方针的实施中，HVDC将拥有更加重大的发展和应用价值。

[1] 李兴源.高压直流输电系统[M].北京科学出版社,2010.

[2] 李立浧.高压直流输电的技术特点和工程应用[J].电力系统自动化,2005(24):5.

[3] 袁清云.高压直流输电技术现状及在中国的应用前景[J].电网技术,2005,29(14):1-3.

[4] 赵国梁,吴涛.HVDC 技术的发展应用情况综述[J].华北电力技术,2006(8):28-31.

[5] 詹奕,尹项根.高压直流输电与特高压交流输电的比较研究[J].高电压技术,2001,27(4):44-46.

[6] 李立.直流输电技术的发展及在我国电网中的作用[J].电力设备,2004,5(11):1-3.

[7] 舒印彪,刘泽洪,高理迎,等.800kV6400MW 特高压直流输电工程设计初探[J].电网技术,2006,30(1):1-8.

[8] 舒印彪.中国直流输电的现状及展望[J].高电压技术,2004,30(11):1-2.