為什么采用高壓直流輸電?

追溯歷史，最初采用的輸電方式是直流輸電，于 1874 年出現(xiàn)于俄國(guó)。當(dāng)時(shí)輸電電壓僅 100V。隨著直流發(fā)電機(jī)制造技術(shù)的提高，到 1885 年，直流輸電電壓已提高到 6000V。但要進(jìn)一步提高大功率直流發(fā)電機(jī)的額定電壓，存在著絕緣等 一系列技術(shù)困難。由于不能直接給直流電升壓，輸電距離受到極大的限制，不能滿足輸送容量增長(zhǎng)和輸電距離增加的要求。19 世紀(jì) 80 年代末，人類(lèi)發(fā)明了三相交流發(fā)電機(jī)和變壓器。 1891 年， 世界上第一個(gè)三相交流發(fā)電站在德國(guó)竣工。 后， 此 交流輸電普遍代替了直流輸電。隨著電力系統(tǒng)的迅速擴(kuò)大，輸電功率和輸電距離的進(jìn)一步增加，交流輸電遇到了一系列技術(shù)困難。大功率換流器(整流和逆變) 的研究成功，為高壓直流輸電突破了技術(shù)上的障礙，直流輸電重新受到人們的重視。 1933 年， 美國(guó)通用電器公司為布爾德壩樞紐工程設(shè)計(jì)出高壓直流輸電裝 置; 1954 年，建起了世界上第一條遠(yuǎn)距離高壓直流輸電工程。之后，直流輸電在世 界上得到了較快發(fā)展，現(xiàn)在直流輸電工程的電壓等級(jí)大多為±275～±500kV， 投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的直流工程最高電壓等級(jí)為±600kV(巴西伊泰普工程)，我國(guó)計(jì) 劃在西南水電送出的直流工程中采用±800kV 電壓等級(jí)。

在現(xiàn)代直流輸電系統(tǒng)中，只有輸電環(huán)節(jié)是直流電，發(fā)電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)仍然 是交流電。在輸電線路的送端，交流系統(tǒng)的交流電經(jīng)換流站內(nèi)的換流變壓器送到整流器， 將高壓交流電變?yōu)?strong>高壓直流電后送入直流輸電線路。直流電通過(guò)輸電 線路送到受端換流站內(nèi)的逆變器，將高壓直流電又變?yōu)楦邏航涣麟?，再?jīng)過(guò)換流 變壓器將電能輸送到交流系統(tǒng)。在直流輸電系統(tǒng)中，通過(guò)控制換流器，可以使 其工作于整流或逆變狀態(tài)。

我國(guó)目前建成的高壓直流輸電工程均為兩端直流輸電系統(tǒng)。 兩端直流輸電系 統(tǒng)主要由整流站、逆變站和輸電線路三部分組成，如圖 5-1 所示。

圖 5-1 兩端直流輸電系統(tǒng)示意圖

兩端直流輸電系統(tǒng)可以采用雙極和單極兩種運(yùn)行方式。

在雙極運(yùn)行方式中，利用正負(fù)兩極導(dǎo)線和兩端換流站的正負(fù)極相連，構(gòu)成直 流側(cè)的閉環(huán)回路。兩端接地極所形成的大地回路可作為輸電系統(tǒng)的備用導(dǎo)線。正常運(yùn)行時(shí)，直流電流的路徑為正負(fù)兩根極導(dǎo)線。實(shí)際上，它們是由兩個(gè)獨(dú)立運(yùn) 行的單極大地回路系統(tǒng)構(gòu)成。正負(fù)兩極在地中的電流方向相反，地中電流為兩極 電流之差。兩 極電流之差形成的電流為不平衡電流，由接地極導(dǎo)引入地。在雙極運(yùn)行時(shí)，不平衡電流一般控制在額定電流的 1%之內(nèi)。

單極運(yùn)行方式又分為單極金屬返回和單極大地返回兩種運(yùn)行方式。 在單極金 屬返回運(yùn)行方式中，利用兩根導(dǎo)線構(gòu)成直流側(cè)的單極回路，直流線路中的一根導(dǎo)線用作正 或負(fù)極導(dǎo)線，另一根用作金屬返回線。在此運(yùn)行方式中，地中無(wú)電流 通過(guò)。在單極大地返回運(yùn)行方式中，利用一根或兩根導(dǎo)線和大地構(gòu)成直流側(cè)的單 極回路。在該運(yùn)行方式中，兩端換流站均需接地，大地作為一根導(dǎo)線，通過(guò)接 地極入地的電流即為直流輸電工程的運(yùn)行電流。

高壓直流輸電與交流輸電相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

(1)高壓直流輸電具有明顯的經(jīng)濟(jì)性。輸送相同功率時(shí)，直流輸電線路所用線材僅為交流輸電的 1/2～2/3。直流輸電采用兩線制，與采用三線制三相交流輸 電相比，在輸電線路導(dǎo)線截面和電流密度相同的條件下，若不考慮趨膚效 應(yīng)，輸送相同的電功率，輸電線和絕緣材料可節(jié)省約 1/3。如果考慮到趨膚效 應(yīng)和各種損 耗，輸送同樣功率交流電所用導(dǎo)線截面積大于或等于直流輸電所用 導(dǎo)線截面積的 1.33 倍。因此，直流輸電所用的線材幾乎只有交流輸電的一半。 另外，直流輸電 線路的桿塔結(jié)構(gòu)也比同容量的三相交流輸電線路的簡(jiǎn)單，線路 走廊占地面積也大幅減少，圖 5-2 分別給出了兩者的走廊照片。但是，直流輸電 系統(tǒng)中的換流站的造 價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用要比交流輸電系統(tǒng)變電站的高，當(dāng)輸電距離增加到一定值后，直流輸電線路所節(jié)省的費(fèi)用剛好抵償了換流站所增加的費(fèi)用， 此時(shí)這個(gè)輸電距離即被稱(chēng)為 交流輸電與直流輸電的等價(jià)距離。如果把交流輸電 和直流輸電兩種輸電方式在輸送一定功率時(shí)，所需的費(fèi)用和輸電距離之間的關(guān)系 繪成如圖 5-3 (a) 所示的曲 線， 兩曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是等價(jià)距離。 5-3 圖 (b) 給出了隨著輸送距離的增加，交流和直流輸電系統(tǒng)的線路損耗曲線。

圖 5-2 交流輸電和直流輸電線路走廊

(a)交流輸電線路走廊;(b)直流輸電線路走廊

圖 5-3 交流輸電與直流輸電系統(tǒng)等價(jià)距離和線路損耗對(duì)比圖

(a)總投資與線路距離的關(guān)系;(b)架空輸電線路的損耗

(2)在電纜輸電線路中，高壓直流輸電線路不產(chǎn)生電容電流，而交流輸電線路存在電容電流，引起損耗。在一些特殊場(chǎng)合，如輸電線路經(jīng)過(guò)海峽時(shí)，必須 采用電 纜。 由于電纜芯線與大地之間構(gòu)成同軸電容器， 在交流高壓輸電線路中， 空載電容電流極為可觀。而在直流輸電線路中，由于電壓波動(dòng)很小，基本上沒(méi)有電容電流加 在電纜上。

(3)采用直流輸電時(shí)，線路兩端交流系統(tǒng)不需同步運(yùn)行，而交流輸電必須同步運(yùn)行。 采用遠(yuǎn)距離交流輸電時(shí)， 交流輸電系統(tǒng)兩端電流的相位存在顯著差異; 并網(wǎng)的 各子系統(tǒng)交流電的頻率雖然規(guī)定為 50Hz，但實(shí)際上常產(chǎn)生波動(dòng)。這兩種 因素導(dǎo)致交流系統(tǒng)不同步， 需要用復(fù)雜而龐大的補(bǔ)償系統(tǒng)和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)加 以調(diào)整，否則就可能在設(shè)備中形成強(qiáng)大的環(huán)流而損壞設(shè)備，或造成不同步運(yùn)行 而引起停電事故。采用直流輸電線路將兩個(gè)交流系統(tǒng)互連時(shí)，其兩端的交流電網(wǎng) 可以按各自的頻 率和相位運(yùn)行，不需進(jìn)行同步調(diào)整。

(4)高壓直流輸電控制方便、速度快，發(fā)生故障的損失比交流輸電的小。兩個(gè)交流系統(tǒng)若用交流線路互連，則當(dāng)一側(cè)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，另一側(cè)要向故障側(cè) 輸送短路 電流。 因此， 將使兩側(cè)系統(tǒng)原有斷路器切斷短路電流的能力受到威脅， 需要更換斷路器。若用直流輸電將兩個(gè)交流系統(tǒng)互連，由于采用可控硅裝置，電路功率能迅 速、方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)，直流輸電線路向發(fā)生短路的交流系統(tǒng)輸送的 短路電流不大，故障側(cè)交流系統(tǒng)的短路電流與沒(méi)有互連時(shí)幾乎一樣。因此不必更 換兩側(cè)原有開(kāi)關(guān)及載流設(shè)備。

(5)在高壓直流輸電工程中，各極是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒(méi)有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障極，另一極仍可輸送至少 50%的電能。 但在交流輸電線路中，任一相發(fā)生永久性故障，必須全線停電。

高壓直流輸電也有其缺點(diǎn)：

(1)直流換流站比交流變電站的設(shè)備多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、損耗大、運(yùn)行費(fèi)用高;

(2)諧波較大;

(3)直流輸電工程在單極大地回路方式下運(yùn)行時(shí)，入地電流會(huì)對(duì)附近的地下金屬體造成一定腐蝕，竄入交流變壓器的直流電流會(huì)使變壓器噪聲增加;

(4)若要實(shí)現(xiàn)多端輸電，技術(shù)比較復(fù)雜。

由上可見(jiàn)，高壓直流輸電具有線路輸電能力強(qiáng)、損耗小、兩側(cè)交流系統(tǒng)不需 同步運(yùn)行、發(fā)生故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的損失小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于長(zhǎng)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)大功率輸電。而采用交流輸電系統(tǒng)便于向多端輸電。交流與直流輸電配合，將是 現(xiàn)代電力傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。