而对于交流输电系统而言，虽然无须结构复杂、造价高昂的换流站，但随着输电距离的增加，由于稳定性和过电压等方面的要求，需要另外设置中间开关站。由此可见，直流输电系统中，换流站的投资比重较大，而交流输电系统中，输电线路的投资占主要部分。譬如，直流输电系统中换流站的结构复杂、造价高、损耗大、运行费用高、可靠性较差。......
2023-06-23
直流输电的演变过程
【摘要】：自1999年连接瑞典本土与哥特兰岛之间的第一条商业化轻型高压直流输电线路投入运行以来，柔性直流输电技术以其自身的优点得到工程界的高度重视和快速发展。目前由于设备技术上的原因，柔性直流输电技术只用于较低电压、较小功率的情况。随着可再生能源接入系统的不断增加，柔性直流输电技术的发展速度越来越快。
高压直流输电技术发展史上的几个重要里程碑如下：
1882年，法国物理学家德普勒完成了第一次直流输电试验，用装设在米斯巴赫煤矿中的直流发电机以1 500～2 000 V电压，沿57 km电报线路把电力送到在慕尼黑举办的国际展览会上。1954年，出现第一条工业性高压直流输电线路，瑞典在本土和哥特兰岛之间建成一条海底电缆直流输电线（20 MW、100 kV、200 A、96 km，汞弧阀）。1970年该线路电压提高到150 kV。
进入20世纪70年代，大功率晶闸管等电力电子器件在制造、使用上技术日臻完善，也为直流输电东山再起提供了新的机遇。1972年，加拿大伊尔河直流输电工程首次采用晶闸管阀（旧称可控硅阀，320 MW、±80 kV、2 kA，非同步联络站），以晶闸管换流为基础的新一代直流输电从此步入新的发展时期[6]。
随着科学技术的不断进步，电力电子技术、计算机技术、光纤技术和新材料技术的发展应用，促进了直流输电技术不断改进和提高，使之更趋成熟，在电力发展中的应用将更为广泛。
1.大容量和直接触发式晶闸管的应用
直流输电的关键设备换流器最初使用汞弧阀，在20世纪70年代开始逐步被晶闸管所替代。早期的晶闸管是用空气冷却，80年代后采用水冷却，大大减小了控制阀的几何尺寸，使换流器的结构更为紧凑。随着电力电子技术的发展，晶闸管承受电压和电流的能力不断增强，控制阀中使用的晶闸管数量不断减少。1985年英-法直流联网工程中，2个56 mm的晶闸管并联后电流为1 850 A，要用125个晶闸管串联才能够承受额定电压，每极500 MW用了3 000个组件。而在1997年印度的Chandrapur直流背靠背互联工程中，用单个100 mm晶闸管额定电流就达2 450 A，反向承受电压6 kV，最大持续电流4 000 A。54个晶闸管串联成一个阀，每极50 MW仅用了648个组件，比12年前减少了近75%。现在150 mm晶闸管反向承受电压已超过8 kV，控制阀中串并联晶闸管的数量进一步减少，使换流器成本进一步降低。
晶闸管技术的另一个突出发展是出现了直接触发晶闸管。普通晶闸管需较大的触发功率，在门极设有触发脉冲放大、保护和监测的电子单元，并需要有抽取能量的电路。光脉冲控制发生器处于地电位，由光纤与处于高电位的晶闸管绝缘。由于这个电子单元处于高电位，运行维护都极为不便。在采用了直接触发晶闸管后，脉冲信号可用光信号通过光纤直接触发晶闸管。这种晶闸管的触发放大和保护监测等已与主管合为一体，取消了门极的外加电子单元，大大简化了控制阀电路。
2.电容换相换流器技术（Capacitor Commutated Converter，CCC）
传统的直流输电换流器在工作时要从交流电网吸收大量的无功功率，占直流输送功率的40%～60%，因此需要大量无功补偿设备，同时要求受端交流系统有足够的容量，否则易产生换相失败。串联电容器换相电路（图1.5）可望解决这个问题。在换流变系统换压器和换流器之间接入一个固定电容器，这种串联电容器换相电路能进一步提高换流器的转换效率，减少换流器的无功消耗，有效减少因受端交流系统扰动引起换相失败的可能性，提高直流输电运行的稳定性。如果与有源滤波器相结合，甚至可以取消大型并联补偿装置。巴西和阿根廷已经采用了ABB公司制造的基于CCC技术的背靠背直流输电。
图1.5 串联电容器换相电路
3.柔性直流输电技术[6]
轻型直流输电（HVDC-Light）是在绝缘栅双极晶闸管（Insulted Gate Bipolar Transistor，IGBT）和电压源换流器基础上发展起来的一种新型直流输电技术。自1999年连接瑞典本土与哥特兰岛之间的第一条商业化轻型高压直流输电线路投入运行以来，柔性直流输电技术以其自身的优点得到工程界的高度重视和快速发展。传统的换流器中晶闸管触发后，只能在电流过零点才能自然关闭，而且两端交流系统必须是有源的。而新型的电压源换流器（Voltage Source Converters，VSC）使用大功率门极关断晶闸管，可自由地控制电流的导通或关断，从而使换流器具有更大的控制自由度。其主要特点有：
（1）高级别的可控性。
采用脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）的VSC可独立地控制有功和无功功率，类似于一个可以瞬时控制有功功率和无功功率的发电机，有利于交流系统电压的稳定。
（2）与交流系统的无缝连接能力。
由于工作时不需要外加的换相电压，克服了传统直流输电受端电网必须是有源网络的约束，可向无源网络负荷供电。
（3）减少了谐波的产生。
IGBT开关频率较高，经过低通滤波器后就可得到所需的交流电压，甚至可不用变压器，所需滤波器容量也大大减少。
（4）设备损耗大。
由于使用IGBT高速地开通与关断电流，栅源之间的电容高速地充放电，当输送功率较大时，这部分充放电损耗是相当可观的。
目前由于设备技术上的原因，柔性直流输电技术只用于较低电压、较小功率的情况。1997年，世界上第一个3 MW、±10 kV的VSC-HVDC输电工程在瑞典的Hellion投入运行。1999年连接两个500 kV和一个275 kV系统容量为37 MW的VSC-HVDC式三端背靠背工程在日本的Shin Shinano变电站投入运行。随着可再生能源接入系统的不断增加，柔性直流输电技术的发展速度越来越快。
4.新型直流电缆
由ABB公司制造的新型交联聚乙烯直流电缆，承受电压能力强，可靠性高，有非常好的柔性和机械强度。更突出的是单位长度的质量很轻，一根30 MW、100 kV的直流电缆每米质量仅为1 kg，便于使用传统敷设机械进行敷设。与其他还在使用的老式电缆不同，轻型高压直流输电电缆的固体绝缘层内不含任何用于绝缘或冷却的液体介质，因此对环境没有任何危害。这种电缆的使用寿命至少在40年以上，从经济角度看，在相同功率下，比交流架空输电线路更具竞争力，而且更安全。另外，气体绝缘直流开关装置（直流GIS）也在开发中，瑞典哥德兰的直流系统已部分使用150 kV的直流GIS。
5.特高压直流输电[7，8]
提高直流远距离输电的电压，可将线损降低到最低限度。架空直流输电电压已从最初的±100 kV上升到±800 kV；海底直流输电电压也在逐年提高，现在±500 kV和±800 kV直流输电在我国已得到很好的发展。国外高压直流输电工程如表1.1所示。
表1.1 国外高压直流输电工程
我国高压直流输电起步较晚，1977年曾建成一条31 kV直流输电工业性试验电缆线路。1987年自行研制、建设了浙江舟山海底直流输电工程，并于1989年投运了±500 kV的葛南直流输电工程。随着“西电东送”战略的实施，直流输电工程在我国有了广泛的应用，如表1.2所示。
表1.2 我国典型高压直流输电工程
续表
中国在发展直流输电方面的步伐在不断加快，从1989年±500 kV葛南直流投运以来，到2011年已经有17个直流工程为我国电网输送超过42 GW的电力。其中，最引人注目的是全世界电压等级最高的±800 kV云南—广东特高压直流工程（简称楚穗直流）和±800 kV向家坝—上海特高压直流工程（简称复奉直流）的建成投运，成为直流输电发展史上的里程碑。
目前全世界的直流输电工程约100个，总输电距离超过10 000 km。中国高压直流输电技术虽然起步较晚，但发展迅速，目前无论是输送容量还是输电距离，都已成为直流输电第一大国，直流工程建设技术水平处于国际领先。
±800 kV特高压直流输电系统由中国率先建设，并成功投入商业运行，中国开始实施特高压直流输电示范工程。2006年，云南—广东±800 kV直流输电工程开工，双极输送功率500万kW，输电距离1 373 km，2010年6月18日双极正式投入运行。向家坝—上海（向上）±800 kV直流输电工程，最大输送容量为700万kW，输电距离1 907 km。2010年7月8日，向家坝—上海±800 kV特高压直流输电示范工程投运。
向家坝—上海±800 kV特高压直流输电工程起点为四川宜宾复龙换流站，落点为上海奉贤换流站，途经四川、重庆、湖北、湖南、安徽、江苏、浙江、上海六省两市，四次跨越长江，是世界上首个线路全长超过1 900 km的特高压直流输电工程。该工程由我国自主研发、自主设计和自主建设，是我国能源领域取得的世界级创新成果，代表了当时世界高压直流输电技术的最高水平，显著提升了我国电工装备制造业的自主创新能力和核心竞争力[8～11]。
昌吉—古泉（准东—皖南）±1 100 kV特高压直流输电工程是世界上首个电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术最先进的直流输电工程，是继哈密南—郑州±800 kV特高压直流输电工程后，国家实施“疆电外送”战略的第二条特高压输电工程，全长3 324 km。工程电压等级为±1 100 kV，额定输送容量1 200万kW，起于新疆昌吉换流站，止于安徽古泉换流站，途径新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南和安徽6个省（自治区）[12～14]。
我国已全面掌握了特高压直流规划设计、试验研究、设备研制、工程建设和运行管理等关键技术，并在国内国际上全面推广应用，输送容量和输送距离不断提升，先进性、可靠性、经济性和环境友好性得到了全面验证，实现了“中国创造”和“中国引领”[15～16]。特高压直流输电技术对保障能源安全、推动东西部地区协调发展，具有重要意义。特高压输电是当今世界最先进的送电技术，随着特高压电网在中国的建设，电网的发展和大区之间联网已成为电网发展规划中的热门课题，采用交、直流混合输电已成为必然趋势。
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2023-06-29
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