探究高压直流输电技术

寇睿恒

（寿光现代中学，山东寿光，262700）

0 引言

我国的能源供需分布极不平衡，76%的煤炭资源分布在北部和西北部,80%的水能资源分布在西南部；绝大部分陆地风能、太阳能资源分布在西北部,但是70%以上的能源需求却集中在东中部，2015年我国全社会总用电量6.08万亿千瓦时，最大负荷为9.91亿千瓦，“十二五”期间年均增长率为8.2%和8.5%；2020年预计全社会用电量将达到7.84万亿千瓦时，最大负荷将达到12.77亿千瓦。西部能源基地与东部负荷中心距离在800-3000公里左右，远距离、大容量输电是我国电网必须要面临的现实情况。

高压直流输电技术在远距离、大容量方面展现出了一定的优越性，本文即探究高压直流输电技术。

1 高压直流输电技术的内涵

高压直流输电简称HVDC，主要借助直流电无感抗、无容抗以及无需同步运行的优点而研发出的适用于大功率、远距离的输电技术。

高压直流输电技术的应用领域主要集中在架空线与海底电缆，当然在一些传统三相交流输电技术不适用的场所，高压直流输电技术同样可以大显身手。

高压直流输电系统（详见图1）首先将发电机所产生的三相交流电通过换流站整流转换为直流电，然后通过直流输电线路进行远距离电力传输，另一端则为逆变器，将直流电转换为三相交流电，然后供各类电气设备使用。

图1 高压直流输电系统结构图

高压直流输电系统主要包括换流器（即换流阀）、换流变压器、平波电抗器、交流滤波器、直流避雷器及控制保护设备等。

换流器是整个直流输电系统的核心部件，换流器是由单个或多个换流桥组成，功能为进行交、直流转换的设备，换流器可以分为两类：整流器和逆变器，整流器是将交流电转换为直流电，而逆变器是将直流电转换为交流电。

图2 直流输电系统原理示意图

2 高压直流输电技术的优缺点

■2.1 高压交流输电技术

1882年，美国著名实验物理学家、电气工程师尼古拉—特斯拉发明了世界上第一台交流发电机，随后三相交流发电机、变压器、三相异步电动机等电气设备相继问世，人类社会真正意义上进入了电气文明时代，当前三相交流电网在电力系统领域占据了绝对的统治地位，交流输电技术的优越性体现在发电与配电上，利用电磁感应定律即可将化学能、风能、水能等其他形式的能量转化为电能，利用变压器即可实现升降压控制，因此在电能的配送方面相对便利，在输送过程中为减少线路损耗，人们选择高压输电。

交流输电系统（图3）要求系统内发电机同步、稳定运行，且工作中需要进行合理的无功补偿，以保证系统电压稳定。

图3 交流输电系统

■2.2 高压直流输电技术的优缺点分析

2.2.1 高压交流输电技术的缺陷分析

虽然三相交流电网处于主流地位，但是并非没有缺点，其缺陷主要体现在以下几点：

（1）由于交流架空输电线路存在电容效应、集肤效应，容易导致超高压输电线路中设备因高压窜入二次系统造成保护失灵或者变电站的高抗及其附属设备损坏，甚至造成电网或设备的重大事故，这就制约了输电距离与输电容量。

（2）电网并网难题挥之不去，对于工频不同的电网无法有效联网运行；对于工频相同电网，受短路容量与系统运行稳定性的影响，联网合并问题依然困难重重。

（3）超高交流输电（一般指大于500KV）往往会对环境与生态产生不容忽视的影响，例如产生电磁污染，所产生的电磁辐射将会干扰正常通信，同时对人体健康产生负面作用，电磁辐射会使人体内的染色体、DNA等发生生理效应，例如影响人的神经系统等。

（4）电缆输电过程中，由于电缆之间或者电缆对地均存在电容，且输电线路越长，该电容越大，距地越近，电容越大，电缆电容在充放电过程中产生大量损耗，且会“抬升”系统电压，严重制约了输电距离与容量。

2.2.2 高压直流输电技术的优缺点分析

相比较于三相交流输电技术，高压直流输电技术的优势明显：

（1）从节省成本的角度分析：在同等输送功率的情况下，直流输电技术由于输电线路少（交流输电需用三根导线，而直流输电一般用两根，且截面的利用率高），因此线路造价低；输电过程中不存在感抗、容抗等无功功率消耗，因此功率损耗低；输电过程中所占用的输电走廊宽度狭窄，以500KV电压输电为例，一条±500kV直流输电线路的走廊宽度约46m，一条500kV交流线路走廊宽度约50m，但前者输送容量为后者3倍左右，即直流输电效率约为交流3倍。

（2）从输电控制角度分析：两侧交流输电系统不必同时运行，输电距离不受系统同步运行稳定性的影响，且输送功率的大小、方向可以随时调节、控制。直流输电技术不存在电容电流，线路压降小，沿线电压分布均匀稳定，线路部分无需设置无功补偿。

当然，传统的高压直流输电技术也存在一定的缺点：例如换流设备造价昂贵，在输送相同容量时，虽然直流线路单位长度的造价比交流线路低，但直流输电两端换流站设备的造价比交流变电站成本高，这就引起了所谓的“等价距离”问题；虽然在线路部分无需进行无功补偿，但是在整流侧或者逆变侧均需要设置无功补偿，消耗无功功率约为输送功率的40%～60%；换流器会产生严重电磁污染，为避免上述污染，需要设置滤波器；直流电压器、断路器、传感器等电力原件尚不能完全满足使用要求，亟待研发。

3 目前我国高压直流输电技术的发展现状

我国在高压直流输电技术，尤其是特高压直流输电技术方面走在世界前列，±800千伏特高压直流输电技术就是我国首次提出，且经过技术攻关，我国已全面掌握了特高压设备制造核心技术，并进行了工程实践，例如向家坝－上海±800千伏特高压直流输电示范工程，该工程起于四川宜宾复龙换流站，止于上海奉贤换流站，途经四川、重庆、湖南、湖北、安徽、浙江、江苏、上海八省市，线路全长1907公里,额定输送功率640万千瓦，最大连续输送功率达700万千瓦，是世界上电压等级最高、输送容量最大、送电距离最远、技术水平最先进的高压直流输电工程。

4 柔性直流输电技术

直流输电系统经过早期探索，再到传统直流输电系统的大胆尝试，再到目前的柔性直流输电技术，高压直流输电技术不断发展，当前柔性直流输电技术是发展主流。

随着GTO、IGBT等可关断开关的兴起，柔性直流输电技术应运而生，柔性直流输电技术采用了电压源换流器，该换流器主要利用了IGBT开关器与高频调制技术，有效避免了换相失败的问题且省去了换流变压器。

柔性直流输电系统在换流器出口处通过调节出口电压与系统电压的功角差，实现了有功功率、无功功率的有效控制，基于此，柔性直流输电可实现两个交流电网之间有功功率的传递，也可以在两端换流站实现无功功率的自动调节，甚至可对所连接的其他交流电网进行无功补偿。

目前柔性直流输电技术被广泛应用于连接风力发电场和电力网、地下电力输送、为海岛或海上石油或天然气的钻油平台提供电力、城市中心的供电等领域，例如2016年投入运营的舟山本岛、岱山岛、衢山岛、泗礁岛及洋山岛五端柔性直流输电工程。

5 结论

高压直流输电技术在远距离、大容量输电方面具有显著的优越性，能够有效解决我国能源供需地域不匹配的能源格局，同时该技术当前存在技术难题也应该正视，尤其是对超高压换流器等设备的研发工作，需要进一步加强，从而保证能源供需平衡，进而推动我国经济社会的快速、健康发展。