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(jiǎn)單描述了高壓直流輸電的應(yīng)用場(chǎng)合。并對(duì)其做了簡(jiǎn)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(guò)換流站整流變成直流電，然后通過(guò)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(lái)的三相交流功率變換或直流功率。通過(guò)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(guò)程稱(chēng)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備及控制保護(hù)設(shè)備等。

換流器又稱(chēng)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(chēng)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(guò)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(kāi)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(wú)源濾波器。無(wú)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的作用是提供換流器所需要的無(wú)功功率，減小換流器與系統(tǒng)的無(wú)功交換。換流站換流的過(guò)程中會(huì)消耗大量的無(wú)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(wèn)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(wú)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(wèn)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(wú)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(wú)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](méi)有線路無(wú)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(zhǎng)。

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(lèi)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(guò)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(wú)功消耗量大。換流器在換流過(guò)程中要消耗大量的無(wú)功功率，用占所輸送有功功率的百分?jǐn)?shù)來(lái)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(wú)功，不足部分需另裝無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)滿足。(4)換流器過(guò)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(chǎng)合

目前，HVDC作為交流輸電的補(bǔ)充，其應(yīng)用場(chǎng)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(shū)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(lái)的大電網(wǎng)問(wèn)題，如穩(wěn)定問(wèn)題、故障連鎖反應(yīng)而引起的大面積停電問(wèn)題和短路容量增加問(wèn)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(wú)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(yǔ)

由于HVDC在長(zhǎng)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(guó)西電東送、南北互供和全國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)等工程中正在和將要發(fā)揮重要作用。可以預(yù)見(jiàn)，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(kāi)發(fā)利用，HVDC將擁有更加廣闊的應(yīng)用前景。

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