高压直流输电

　　介绍

　　高压直流输电技术被用于通过架空线和海底电缆远距离输送电能；同时在一些不适于用传统交流联接的场合，它也被用于独立电力系统间的联接。世界上第一条商业化的高压直流输电线路1954年诞生于瑞典，用于连接瑞典本土和哥特兰岛，由阿西亚公司(ASEA,今ABB集团)完成。

　　功能

　　在一个高压直流输电系统中，电能从三相交流电网的一点导出，在换流站转换成直流，通过架空线或电缆传送到接受点；直流在另一侧换流站转化成交流后，再进入接收方的交流电网。直流输电的额定功率通常大于100兆瓦，许多在1000-3000兆瓦之间。

　　高压直流输电用于远距离或超远距离输电，因为它相对传统的交流输电更经济。

　　应用高压直流输电系统，电能等级和方向均能得到快速精确的控制，这种性能可提高它所连接的交流电网性能和效率，直流输电系统已经被普遍应用。

　　高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线组成，两个换流站与两端的交流系统相连接。

　　直流输电线造价低于交流输电线路但换流站造价却比交流变电站高得多。一般认为架空线路超过600-800km，电缆线路超过40-60km直流输电较交流输电经济。随着高电压大容量可控硅及控制保护技术的发展，换流设备造价逐渐降低直流输电近年来发展较快。我国葛洲坝一上海1100km、±500kV,输送容量的直流输电工程，已经建成并投入运行。此外，全长超过2000公里的向家坝-上海直流输电工程也已经完成。该线路是目前（截至2011年初）世界上距离最长的高压直流输电项目。

　　主要优点

　　是不增加系统的短路容量便于实现两大电力系统的非同期联网运行和不同频率的电力系统的联网;利用直流系统的功率调制能提高电力系统的阻尼，抑制低频振荡，提高并列运行的交流输电线的输电能力。它的主要缺点是直流输电线路难于引出分支线路绝大部分只用于端对端送电。加拿大原计划开发和建设五端直流输电系统现已建成三端直流输电系统。实现多端直流输电系统的主要技术困难是各种运行方式下的线路功率控制问题。目前，一般认为三端以上的直流输电系统技术上难实现经济合理性待研究。

　　主要设备包括换流器、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。

　　换流器又称换流阀是换流站的关键设备，其功能是实现整流和逆变。目前换流器多数采用晶闸管可控硅整流管)组成三相桥式整流作为基本单元，称为换流桥。一般由两个或多个换流桥组成换流系统，实现交流变直流直流变交流的功能。

　　换流器在整流和逆变过程中将要产生5、7、11、13、17、19等多次谐波。为了减少各次谐波进入交流系统在换流站交流母线上要装设滤波器。它由电抗线圈、电容器和小电阻3种设备串联组成通过调谐的参数配合可滤掉多次谐波。一般在换流站的交流侧母线装有5、7、11、13次谐波滤波器组。

　　单极又分为一线一地和单极两线的方式。直流输电一般采用双极线路，当换流器有一极退出运行时，直流系统可按单极两线运行，但箱送功率要减少一半。

　　2009年，瑞士ABB集团与西班牙Abengoa集团合作，开始建设连接巴西西北部两座新建水电站和巴西经济中心圣保罗的2500公里高压直流输电线路。该线路竣工后将成为世界最长的高压直流输电线路。[1]

　　节能探索自上世纪80年代以来，电力传输技术的发展步伐明显加快，提高传输能力的办法不断涌现，既有直流输电技术、柔性交流输电技术、分频输电技术等高新技术，同时也有对现有高压交流输电线路的增容改造技术，如升压改造、复导增容改造、交流输电线路改为直流输电技术等。直流输电，对于提高现有传输系统的传输能力，挖掘现有设备潜力，具有十分重要的现实意义，实施起来可收到事半功倍的效果。

　　经济性三大特性突出节能效果

　　从经济方面看，直流输电有以下三个主要优点：

　　首先，线路造价低，节省电缆费用。直流输电只需两根导线，采用大地或海水作回路只用一根导线，能够节省大量线路投资，因此电缆费用省得多。

　　其次，运行电能损耗小，传输节能效果显著。直流输电导线根数少，电阻发热损耗小，没有感抗和容抗的无功损耗，且传输功率的增加使单位损耗降低，大大提高了电力传输中的节能效果。

　　最后，线路走廊窄，征地费省。以同级500千伏电压为例，直流线路走廊宽仅40米，对于数百千米或数千千米的输电线路来说，其节约的土地量是很可观的。

　　除了经济性，直流输电的技术性也可圈可点。直流输电调节速度快，运行可靠。在正常情况下能保证稳定输出，在事故情况下可实现紧急支援，因为直流输电可通过可控硅换流器快速调整功率、实现潮流翻转。此外，直流输电线路无电容充电电流，直流线路无电容充电电流，电压分布平稳，负载大小不发生电压异常不需并联电抗。

　　提升空间大功率电力电子器件将改善直流输电性能

　　直流输电最核心的技术集中于换流站设备，换流站实现了直流输电工程中直流和交流相互能量转换，除在交流场具有交流变电站相同的设备外，还有以下特有设备：换流阀、控制保护系统、换流变压器、交流滤波器和无功补偿设备、直流滤波器、平波电抗器以及直流场设备，而换流阀是换流站中的核心设备，其主要功能是进行交直流转换，从最初的汞弧阀发展到现在的电控和光控晶闸管阀。

　　晶闸管用于高压直流输电已有很长的历史。近10多年来，可关断的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等大功率电子器件的开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将进一步改善新一代的直流输电性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价。

　　观点

　　远距离输电优势明显

　　发电厂发出的交流电通过换流阀变成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端再变成交流电，注入受端交流电网。业内专家一致认为。高压直流输电具有线路输电能力强、损耗小、两侧交流系统不需同步运行、发生故障时对电网造成的损失小等优点，特别适合用于长距离点对点大功率输电。

　　其中，轻型直流输电系统采用可关断的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等可关断的器件组成换流器，使中型的直流输电工程在较短输送距离也具有竞争力。

　　此外，可关断器件组成的换流器，还可用于向海上石油平台、海岛等孤立小系统供电，未来还可用于城市配电系统，接入燃料电池、光伏发电等分布式电源。轻型直流输电系统更有助于解决清洁能源上网稳定性问题。

　　工程应用1.±660千伏宁东—山东直流输电工程于2011年2月28日投运，山东接受外送电力的能力由350万千瓦提升至750万千瓦。据统计，山东因此每年可节约原煤1120万吨。由此全省减少二氧化硫排放5.7万吨，二氧化硫排放量降低1.1个百分点，大大促进了资源节约型、环境友好型社会建设。

　　仅2011年第一季度，山东电网就接纳省外来电91.3亿千瓦时，同比增长176%。

　　2.锦屏—苏南±800千伏特高压直流输电工程采用900平方毫米导线，节能环保效果明显，抗自然灾害能力强，可进一步促进电力技术创新和行业技术升级。与传统的630平方毫米截面导线相比，锦苏特高压直流线路应用900平方毫米截面导线，按照年运行3000小时计算，每年每千米线路可节电4.32万千瓦时，全线一年将创造直接效益4000多万元。

　　按供电煤耗360克标煤/千瓦时计算，全线一年将减少标煤消耗7.735万吨，减排二氧化碳约20.12万吨。而在抵御自然灾害方面，大截面导线的大风水平荷载降低约10%，15毫米覆冰垂直荷载减小约7%。

　　3.三峡—上海±500千伏直流输电工程线路全长1048.6千米，输送容量300万千瓦，若按中强度全铝合金导线替代普通导线计算，正常功率下，如果一年的输送小时数为4000小时，可节约电能7.98万千瓦时/千米，全线每年可节电8372万千瓦时。[2]

　　4.向家坝-上海±800kV特高压直流输电示范工程是我国首个特高压直流输电示范工程。工程由我国自主研发、设计、建设和运行，是目前世界上运行直流电压最高、技术水平最先进的直流输电工程。向家坝-上海±800kV特高压直流输电示范工程包括二站一线，起于四川省宜宾复龙换流站，经四川、重庆、湖北、湖南、安徽、江苏、浙江、上海，止于上海市奉贤换流站。工程全长1891.6km，先后跨越长江四次。换流容量为6400MW，直流电流为4000A，每极采用两组12脉冲换流器串联（400kV+400kV）。换流变压器容量（24+4）×297.1（321.1）MVA（其中4台备用）；换流变型式为单相双绕组有载调压；±800kV直流开关场采用双极接线，并按每12脉冲阀组装设旁路断路器及隔离开关回路；±800kV特高压直流线路一回，复龙换流站交流500kV出线9回，奉贤换流站交流500kV出线3回。国家发改委于2007年4月以发改能源【2007】871号文件核准，2008年5月开工建设，2009年12月12日通过竣工验收并单极投入运行，2010年整体工程完成试运行，投入商业运行，实际动态总支出190.2亿元，比批复动态总投资节省42.5亿元。