高压直流输电的优势

高压直流输电的优势和应用及其展望京江学院J电气0802 3081127059 陈鑫郁

简单的讲，直流输电是先将交流电通过换流器变成直流电，然后通过直流输电线路送出。在受电端再把直流电变成交流电，进入受端交流电网。直流输电系统由换流(逆变)站、接地极、接地极线路和直流送电线路构成。直流输电具有传输功率大，线路造价低，控制性能好等特点，是目前世界发达国家作为解决高电压、大容量、长距离送电和异步联网的重要手段。直流输电( HVDC)的发展历史到现在已有百余年了，在输电技术发展初期曾发挥作用，但到了20 世纪初，由于直流电机串接运行复杂，而高电压大容量直流电机存在换向困难等技术问题，使直流输电在技术和经济上都不能与交流输电相竞争，因此进展缓慢。20 世纪50 年代后，电力需求日益增长，远距离大容量输电线路不断增加，电网扩大，交流输电受到同步运行稳定性的限制，在一定条件下的技术经济比较结果表明，采用直流输电较为合理，且比交流电有较好的经济效益和优越的运行特性，因而直流电重新被人们所重视。

1 高压直流输电

高压直流输电基本原理

高压直流输电的定义：发电厂发出的交流电，经整流器变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网。直流输电的一次设备主要由换流站（整流站和逆变站）、直流线路、交流侧和直流侧的电力滤波器、无功补偿装置、换流变压器、直流电抗器以及保护、控制装置等构成。

高压直流输电的技术特点

（1）高压直流输电输送容量更大、送电距离更远。

（2）直流输送功率的大小和方向可以实现快速控制和调节。

（3）直流输电接入系统是不会增加原有电力系统的短路电流容量的，也并不受系统稳定极限的限制。

（4）直流输电是可以充分利用线路的走廊资源，线路的走廊宽度大致为交流输电线路的一半，并且送电容量相比前者更大。

（5）直流输电工程运行时，无论任一极发生故障时，另一极均能继续运行，并可以发挥过负荷能力，保持输送功率不变或最大限度的减少输送功率的损失。

（6）直流系统本身具有调制功能，可根据系统的要求做出快速响应，对机电振荡产生阻尼，阻尼能够产生低频振荡，从而提高了电力系统暂态稳定水平。

（7）能够通过换流站内配置的无功功率自动控制装置对系统交流电压进行自动调节。

（8）对于大电网而言，能够实现大电网之间通过直流输电互联供电的方式，同时2个电网之间也不会因为这种方式产生互相干扰和影响，并在必要时可以迅速进行功率交换。

2 高压交流输电

交流输电的基本原理

发电厂发出的电能以交流形式输送的方式送至受电端。交流电可以方便灵活地根据需要通过变压器升压和降压，使配送电能变得极为便利。

交流输电的特点

（1）高压交流输电在输电的过程中可以有中转点，可以组成强大的电力网络，根据电源点分布、负荷点的布点、传输电力和进行电力交换等实际需要而构成国家高压、特高压主体电网网架。因此高压交流电网的最大优势是：输送电能的能力比较强大、覆盖的范围很广、电网线损小、输电路径明显减少，能很灵活地适应电力市场运营的要求。

（2）采用高压交流输电能够实现如同网络般的功能，我们知道高压交流同步电网中线路两端的功角差是可以控制在20°及以下的。因此，交流同步电网的安全稳定性越高，同步

的能力就越大、电网的功角稳定性就越好、抗干扰的能力就越强。

（3）在输送电能的过程中，由于高压交流线路是采用三相交流输电方式，导线间会产生充电无功功率，容易造成过电压效应。为了抑制因此造成的工频过电压，线路须装设并联电抗器。每当线路输送功率产生变化，送端和受端的无功也将随之发生变化。如果受端电网的无功功率潮流的分层分区平衡不合适，特别是系统动态无功备用容量不足，在极端的运行情况和严重故障条件下，电压的稳定就会上升成为系统安全运行的主要问题。这使得电网的安全稳定运行受到很大的威胁，是个非常严重的问题。

（4）基于以上的问题，提出了适时引入1 000 kV 特高压输电的方案，这样就可为受端电网提供更可靠的电压和无功支撑，此方案可以说是从根本上解决500 kV 短路电流严重超标和500 kV 以下的高压输电能力低的问题。

3 高压直流与交流输电比较

技术特性比较

（1）交流输电的优点：从设备造价上来说要相对低廉，输、配电在该环节中，交流电可以方便地通过变压器升压和降压，使得配送电能变得非常的方便、合理、灵活，能够适应不同的用电需求。此点是交流电与直流电相比所具有的独特优势。直流电相比于交流电的一次设备由于多了逆变环节而变得更加繁琐，并且因为环节变得多了，设备造价就不可能低，而直流输电对技术的要求更高，因此在设备造价上没有优势。三相交流电因为环节简单且具有造价的优势，所以获得了广泛应用。

（2）交流输电的缺点：在交流输电线路中，除了传输导线本身的电阻损耗外，还有导线因为距离过长而产生的交流感抗的损耗。为了解决交流输电所附带产生的电阻损耗，方法是采用升高电压等级，例如500 kV 或者更高的1 000 kV 电压。由电能计算公式S=U×I 可以得知，当输送同样的电力功率S 的情况下，电压等级U 如果变高了，输送的电流I 就可以下降，可用此方法来减小损耗。但是交流电感损耗不能采用这种方法来减小，因此交流输电做

太远距离输电的效果也不是很好。同样根据电能计算公式可知，因为线路本身是有电阻的，如果线路过长，输送的电能就会全部消耗在输电线路上。另外，交流输电并网还要考虑相位一致的问题。如果2 个上网电厂的发电机组的相角不一致，或差异很大的情况下，2 组发电机一旦并网发电功率就会互相抵消。所以现在许多电力技术发达的国家正在研究直流输电方式。

（3）直流输电的优点：1）因为直流输电只有两极，从原理上直流输电不存在交变频率（如工频），直流输电就可以避免如前所述的交流输电产生的电感损耗，只有导线电阻的损耗。因此可以被用作远距离大容量输电、电力系统联网、远距离海底电缆或大城市地下电缆送电、配电网络的轻型直流输电等方面。2）直流系统不存在稳定问题，交流电力系统中所有的同步发电机都必须保持同步运行。输送功率为：P=（E1E2/XΣ）sinδ。式中，E1、E2 分别为受、送端交流系统的等值电势；XΣ 为线路、发电机、变压器的等值电抗；δ 为发电机两端的电势的相角差。如果采用直流输电系统连接2 个交流系统，由于直流没有交变频率、没有电抗值、没有电抗的影响，因此不存在电网并网同期的问题。由此可得出，直流输电的输送容量和距离不受同步运行稳定性的限制，还可连接2 个不同频率的系统，实现非同期联网，这就大大提高了系统的稳定性。

（4）直流输电面临的问题：其与交流输电一样也存在的问题是电压等级升高了，随之对设备的外绝缘要求肯定也更高。直流输电环节中的最重要的核心设施换流站的主接线的基本结构是非常复杂的，而换流站污秽等级较高，污染同时也会造成直流场设备绝缘问题；直流输电极易受到干扰，抗干扰相对于交流输电要差，因此对电磁环境的要求更高；在故障发生时，由于直流系统没有电抗，等值电阻非常小，直流系统一级接地的电流会比交流系统接