高壓直流輸電的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用展望

摘要：本文贏要介紹了高壓直流輸電的基本原理和結(jié)構(gòu)，分析了高壓直流輸電的優(yōu)缺點(diǎn)，簡單描述了高壓直流輸電的應(yīng)用場合。并對(duì)其做了簡單的展望。

1.HVDC的基本原理和基本結(jié)構(gòu)

高壓直流輸電是將三相交流電通過換流站整流變成直流電，然后通過直流輸電線路送往另一個(gè)換流站逆變成三相交流電的輸電方式。從交流系統(tǒng)I向交流系統(tǒng)Ⅱ輸電時(shí)，換流站I把交流系統(tǒng)I送來的三相交流功率變換或直流功率。通過直流輸電線路把直流功率輸送到換流站Ⅱ，再由換流站Ⅱ?qū)⒅绷鞴β兽D(zhuǎn)換成交流功率，送人交流系統(tǒng)Ⅱ。這個(gè)過程稱作HVDC。

HVDC系統(tǒng)主要由兩個(gè)換流站和直流輸電線組成，其中換流站是高壓直流輸電系統(tǒng)的核心所在。換流站的主要設(shè)備包括換流器、換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、直流濾波器、無功補(bǔ)償設(shè)備及控制保護(hù)設(shè)備等。

換流器又稱換流闋是換流站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是實(shí)現(xiàn)整流和逆變。目前換流器多數(shù)采用晶閘管可控硅整流管)組成三相橋式整流作為基本單元，稱為換流橋。一般由兩個(gè)或多個(gè)換流橋組成換流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交流變直流或直流變交流的功能。

換流變壓器是向換流器提供適當(dāng)?shù)燃?jí)的不接地三相電壓源設(shè)備。其作用不僅能實(shí)現(xiàn)電壓變換，而且可以抑制直流故障電流，削弱交流系統(tǒng)入侵直流系統(tǒng)的過電壓，減少注入交流系統(tǒng)的諧波。

平波電抗器是串聯(lián)在線路中的大型電感，它的作用是防止輕載時(shí)直流電流斷續(xù)，抑制直流故障電流的快速增加，從而減小繼發(fā)換相失敗的幾率;此外還能減小直流電流紋波;防止直流線路或直流開關(guān)站產(chǎn)生的陡波沖擊波進(jìn)入周廳，損害換流器。

濾波器是減小注入交、直流系統(tǒng)諧波的設(shè)備。按電源特性可分為有源濾波器和無源濾波器。無源濾波器按濾波的實(shí)現(xiàn)方式又可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、三調(diào)諧濾波器和高通濾波器。無功補(bǔ)償設(shè)備的作用是提供換流器所需要的無功功率，減小換流器與系統(tǒng)的無功交換。換流站換流的過程中會(huì)消耗大量的無功功率，其中整流器消耗輸送直流功率的30%—50%;逆變器消耗輸送直流功率的40%—60%。

2.HVDC的優(yōu)點(diǎn)

2.1技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)HVDC有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)有利于改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。交流系統(tǒng)的穩(wěn)定問題中，靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是由于交流發(fā)電機(jī)功角震蕩引起的，而頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定則分別是由于有功和無功的不平衡引發(fā)的。

(2)實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)的非同步聯(lián)網(wǎng)和非同步運(yùn)行。非同步聯(lián)網(wǎng)是指不同額定頻率系統(tǒng)的互聯(lián)。非同步運(yùn)行是指被聯(lián)電網(wǎng)可保持自己的電能質(zhì)量(如頻率、電壓)而獨(dú)立運(yùn)行;被聯(lián)電網(wǎng)之問交換的功率可快速方便地進(jìn)行控制。

(3)相同的電壓等級(jí)下，輸送功率更大。

(4)有功、無功功率快速可控，有利于改善交流系統(tǒng)的運(yùn)行性能。HVDC輸送的有功功率大小和方向以及換流器消耗的無功功率均可由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速控制，從而改善交流系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

(5)線路故障時(shí)的自防護(hù)能力強(qiáng)。當(dāng)發(fā)生單片絕緣子損壞時(shí)，交流系統(tǒng)需要三相退出運(yùn)行;而HVDC只需降壓運(yùn)行。

(6)限制短路電流。如用交流輸電線連接兩個(gè)交流系統(tǒng)，劉短路容量增大，甚至需要更換斷路器或增設(shè)限流裝置。而用HVDC線路連接兩個(gè)交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的“定電流控制”將快速把短路電流限制在額定功率附近。短路容量不因互聯(lián)而增大。

2.2經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)

(1)線路造價(jià)低。輸送同樣功率條件下，直流架空線路節(jié)省j的導(dǎo)線， 的鋼材，造價(jià)為交流線路的60%～70%。

(2)運(yùn)行損耗小。HVDC與交流輸電相比線路有功損耗小，而且?guī)缀鯖]有線路無功損耗，線路電暈損耗也小。在輸送相同功率的情況下，HVDC的線路輸電較為經(jīng)濟(jì);架空線的“等價(jià)距離”為600-800km，電纜的“等價(jià)損耗僅為交流輸電的2/3.

(3)HvDc特別適合電纜輸電。直流電纜線路的輸送容量大，輸送距離不受限制，而且造價(jià)低，損耗小，重量輕，壽命長。

3.HVDC的缺點(diǎn)

HVDC也存在如下缺點(diǎn)：(1)換流站設(shè)備多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。造價(jià)高，損耗大，運(yùn)行費(fèi)用高。高壓直流輸電換流站由于設(shè)備種類繁多，其造價(jià)比交流變電所要高很多，而且運(yùn)行維護(hù)也比較復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行人員的要求較高。這是限制HVDC應(yīng)用的最主要原因。(2)換流器產(chǎn)生大量諧波。換流器在交流側(cè)和直流側(cè)都產(chǎn)生一些列的高次諧波電流，會(huì)出現(xiàn)電容器和發(fā)電機(jī)過熱、換流器控制不穩(wěn)定和對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾等同題。(3)換流器無功消耗量大。換流器在換流過程中要消耗大量的無功功率，用占所輸送有功功率的百分?jǐn)?shù)來表示，整流器為40%一50%，逆變器為50%一60%。通常。交流濾波器提供一部分換流所需的無功，不足部分需另裝無功補(bǔ)償裝置來滿足。(4)換流器過載能力低。(5)在某些運(yùn)行方式(單極大地回線、單極雙導(dǎo)線并聯(lián)大地回線、雙極兩端中性點(diǎn)接地等)下，XC地-F(或海中)物體產(chǎn)生電磁干擾和電化學(xué)腐蝕。

4.HVDC的應(yīng)用場合

目前，HVDC作為交流輸電的補(bǔ)充，其應(yīng)用場合主要有以下幾種： (1)遠(yuǎn)距離大容量輸電。HVDC的線路造價(jià)低而換流蛄造價(jià)高，因而就有一個(gè)“等價(jià)距離”的概念;書店距離大于“等價(jià)距離”時(shí)。采用HVDC較為經(jīng)濟(jì);輸電距離小于“等價(jià)距離”時(shí)，采用交流輸電較為經(jīng)濟(jì);架空線的“等價(jià)距離”為600-800km，電纜的“等價(jià)距離”為20-40km。(2)非同步聯(lián)網(wǎng)。采用HVDC聯(lián)網(wǎng)，既可以獲得聯(lián)網(wǎng)效益，又可以避免交流聯(lián)網(wǎng)帶來的大電網(wǎng)問題，如穩(wěn)定問題、故障連鎖反應(yīng)而引起的大面積停電問題和短路容量增加問題等。對(duì)于額定頻率不同的電網(wǎng)，采用交流聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)上無法實(shí)行，只能采用DC聯(lián)網(wǎng)。(3)海底電纜送電。交流電纜線路的輸送距離受電容電流的限制，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離送電。

5.結(jié)語

由于HVDC在長距離輸電、電網(wǎng)互聯(lián)等方面具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其作為高壓交流輸電的有力補(bǔ)充，在我國西電東送、南北互供和全國電網(wǎng)互聯(lián)等工程中正在和將要發(fā)揮重要作用?？梢灶A(yù)見，隨著電力電子其教案的進(jìn)一步發(fā)展、計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新?lián)Q代、輸變電新材料的出現(xiàn)、新能源和可再生能源的開發(fā)利用，HVDC將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

【l】馬曉宇高壓直流輸電的應(yīng)用及前景內(nèi)蒙古石油化工2008年第19期

【2】劉文杰高壓直流輸電及其應(yīng)用前景內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)2008年3月

【3】郭毅軍高壓直流輸電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展概述中國西部科技20085月第07卷第15期.