特高压直流输电技术的应用探究

殷振

（国网安徽电力有限公司检修分公司±1100kV 古泉换流站，安徽 宣城 242074）

引言

目前，世界上主要的技术和电气设备转让国已经在利用它们来有效地解决诸如远离电网等问题。直流电传动原理是，先通过变流机整流，然后倒置，最后再送入交流网。与交流输电技术相比，直流输电有以下优点：设备面积经济，传输损耗减少，传输方式具有一定弹性。因此，目前全世界的电力系统已被大规模用于传输直流电，目前正在对主要的高压直流输电技术进行研究，分析未来的趋势，总结设备的使用经验，为了确保我国的高压直流电传输技术不具有创新性和完善性，保证国民经济持续的质量发展。

一、建设特高压直流输电工程的意义

随着经济的迅速增长，全世界的能源消费正在增加。所有这些发达国家都有能力通过提供高功率、高电压和长距离的电力满足其能源需求。虽然我国的电力供应远远低于对电力的需求，但我国的电力供应不足直接影响到我国经济的迅速发展。我国的国情要求在今后长期发展基础设施和基本工业。这需要强大的能量为经济的快速发展提供持久的支持。在高压直流输电技术中，容量大、传输距离大的优势在于便捷的灵活的管理方式。这种传输方式对于远距离发电和换料是必不可少的。在输电过程中，交流电变为直流电，通过高压线转换为最终集成到网络中的下一个过渡站。与交流输电相比，高压直流输电比较有弹性输电方式，损耗低，传输走廊的小业务和高度的控制。此外，高压直流传输法还提供了可靠、可靠和稳定的网络运行。正是由于高压直流传输的好处，世界各国不断研究、运用和发展这一过程。

二、特高压直流输电技术简介

（一）特高压直流输电系统结构

特高压直流输电系统的核心组成部分之一就是换流站设计与建设。双极系统接线方式是我国目前主导建设特高压直流输电工程的首选接线方式。双极12 脉动换流站可以选择包括双极全电压运行和单极半电压运行等多种运行方式。换流站灵活多变的运行方式可以在换流阀发生故障时最大程度减小损失，保障输电安全平稳运行。

（二）特高压直流输电系统运行方式

直流输电工程多采用双极式连接方式，具有可靠性高、传输功率大等优点。

1.中性点接地

通过这种方式，换流站的正负极相互连接，在直流侧形成闭环。中性点双极接地直流侧连接是由单极接地环组成的。当系统正常工作时，接地电路中的电流为零，因为两级电流相互抵消。

2.双极金属中线

双极金属中线模式是指由三根导线组成直流输电系统的直流侧电路。在直流侧电路中，除了两条正、负极线路外，还有一条中性线路，它们的绝缘程度较低。两台换流站一端中间点安全接地。

3.中性点双极性接地

通过这种方式，两极导体与换流站正负极相连，在直流侧形成一个闭环。但是只有一个换流站的中性点可以安全地接地。因为接地网不能形成环形，当第一极线出现故障要求退出工作时，整个双极系统必须关闭，不能以单极接地方式运行。其优点是保证在工作时没有电流通过地面。

（三）特高压换流技术

高压直流输电技术工程应用的全控型半导体换流阀阶段，由于全控型半导体器件具备了自关断电流能力，增加了一个控制自由度，实现了换流阀的四象限运行，在换流技术上得到了革新。基于该技术的高压直流输电被国际学术组织定义为“电压源型换流器直流输电技术（VSC-HVDC）”，中国则统一命名为“柔性直流输电技术”。相应的，前两个阶段则被定义为电网强迫换相直流输电技术（LCC-HVDC），在中国为与VSC-HVDC 相区别被称为“传统/常规直流输电技术”，根据工程应用电压等级（目前以±800kV 为界）的不同被界定为“超高压/特高压直流输电工程”

1.柔性直流输电

加拿大学者Boon-TeckOoi 在1990 年正式提出采用PWM 技术控制的电压源换流器(VSC）进行直流输电的概念。柔性直流输电技术通过改变VSC 中全控型电力电子器件的开断状态，实现控制交流侧的无功和有功功率的目的，这样不仅可以保障电网稳定运行，还可以解决输电技术中的一些棘手问题。对于柔性直流输电系统而言，无论是采用多电平换流器还是使用两电平换流器，均为单极对称系统。并联换流站与串联换流站相比具有损耗更低，调节范围更大，扩展方法更加灵活等优点，所以目前正在运行的特高压柔性直流输电工程的换流站多采用并联接线方案。

2.柔性直流输电优点

①换流站建设成本大幅降低。相对于交流输电，传统直流最大的问题是由于需要依靠电网强迫换相，需要消耗大量的无功，还会对交直流侧产生一系列的高次谐波，因此换流站内不得不配置针对性的交直流滤波器、平波电抗器等一次设备及其相应的二次设备。不仅存在设备多而复杂、造价高、损耗大、可靠性差的问题，而且增加了设备和占地需求、年运维工作量。②控制性能大幅提高。柔性直流因为较传统直流多了一个控制自由度，能够在额定容量内实现有功功率和无功功率的完全独立控制，而传统直流却无法做到。③未来直流输电的发展。对于未来高压直流输电技术的发展而言，柔性直流输电技术由于具有不需要依靠电网实现换相，能够对无源网络进行供电，具备STATCOM 运行方式切换的能力等等在功能、性能上的优势，更加适合未来向高电压大功率的直流输电网，以及低电压小功率的直流配电网的发展趋势。

三、直流输电线路继电保护研究现状

（一）低电压保护

作为高压直流输电线路后备继电保护的常规对策，低电力保护一般通过检测电压的增幅值来进行保护。有时候需要结合保护对象的特点，用极控低电压与线路低电压的方式进行保护，一般来说，线路低电压保护的定值要略高于极控低电压保护。

如果高压直流输电线路发生了问题，会自动关掉极控低电压保护设置，同时会伴随着低电压保护设备的重新启动。一般进行低电压保护方法并不复杂，但由于缺载合理的整定运算规则，对工程技术人员在故障类型方面的判定不太有利，所以应用范围并不广泛。

（二）加强微分电压保护

作为一种相对科学的继电保护技术，差动电压保护有着主保护以及后备保护特点。现今，某公司在用ABB 行波保护里面，就采取了检测对象使用的电压电平与电压差动策略。不过，因为西门子使用的ABB 方案后，上升的延迟时间过长了，不能更好地发挥其后备保护作用，不过ABB 方案的上升时间整体延迟了至少20 毫秒；在高压直流输电线路电压处于变化率在标准值以内里，容易发挥出后备保护的特点，但它也有一些弊端，就是抗干扰能力不强。对于微分电压保护，一般来说，行波保护对于高压直流输电线路更有可靠性，更具灵敏度，不过由于其运行的速度低于行波保护情况，这二种形式的继电保护存在一些耐过度电阻能力不强，所以存在可靠性不足的问题。

如在进行系统继电保护整定值计算时，采取了上述计算方法，并作以下假设：一是针对某低压问题的电厂，其采取的变压器高压侧系统的电源为无穷大；二是在进行过负荷保护时，该厂采用的是极端反时限工作原理；三是针对于该厂的限时电流速断保护，采用的是定时限工作原理；四是针对于该厂单相接地保护，采用定时限工作原理；五是针对该厂电动机电流，启动倍数是7 倍，启动时间是10s；六是针对MCC 母线的额定电流为300A；其是忽略电缆阻抗影响，最终计算得出400V 的三相短路电流为27.6kA。得到PC 进线开关和变压器进线保护的定值。

（三）纵联电流差动保护

理论上讲，纵联电流差动保护利用了双／多端电气量，从原理上就能够保证绝对的选择性，但由于直流输电线路差动保护利用两端电流简单加和构造差动判据，没有考虑输电线路分布电容的影响，需要等暂态过程消失后差动保护判据才能成立，因此，它在故障后投入的时间晚且需要长延时确 认。按照设计，它仅负责切除高阻故障，是直流输电线路的后备保护。

四、特高压输电技术在我国的应用前景

（一）经济前景

特高压直流输电技术在我国具有很大的经济和社会效益，发展前景广阔。随着西电东送工程的实施，电网企业对其输电能力提出了更高的要求。在工程建设过程中，传统的输电技术占用大量耕地，不仅耗资巨大，而且对周围环境造成不同程度的破坏，因此需要采用特高压输电技术来解决。特高压输电技术在满足人们生产、生活用电的基础上，又能节约建设成本、保护环境，具有广阔的经济前景。

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。

（二）施工前景

特高压直流输电技术能提高输电系统的稳定性和抗干扰能力，输电走廊狭窄，能耗低，效率高。而特高压直流输电技术在技术上要求很高，两者可以结合使用交流输电技术，达到优化电网结构的目的。

结语

近年来，我国电力系统工作者结合中国国情，开展了特高压直流输电技术研究，为换流站设计、换流阀冷却设计、输电线路设计等提供了技术支持，为我国特高压直流输电工程积累了宝贵的经验，保证了特高压直流工程的顺利实施，同时由于我国资源分布不均，经济发展对电力需求的日益增长，特高压直流技术在电网发展史上占有举足轻重的地位。在世界范围内，随着能源互联网建设的逐步推进，以及影响特高压直流输电工程稳定性的因素越来越多，我国下一步需要进一步完善特高压直流输电技术，提高系统对环境的适应性，确保特高压直流输电工程成为保障人民生活、促进经济发展的重要工程。