高壓直流輸電的優(yōu)缺點及應(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，簡單描述了高壓直流輸電的應(yīng)用場合。并對其做了簡單的展望。

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，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。這個過程稱作HVDC。

HVDC系統(tǒng)主要由兩個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、無功補償設(shè)備及控制保護設(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。一般由兩個或多個換流橋組成換流系統(tǒng)，實現(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)燃壍牟唤拥厝嚯妷涸丛O(shè)備。其作用不僅能實現(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

2.1技術(shù)上的優(yōu)點HVDC有以下優(yōu)點。

(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、動態(tài)穩(wěn)定是由于交流發(fā)電機功角震蕩引起的，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)實現(xiàn)交流系統(tǒng)的非同步聯(lián)網(wǎng)和非同步運行。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)而獨立運行;被聯(lián)電網(wǎng)之問交換的功率可快速方便地進行控制。

(3)相同的電壓等級下，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)實現(xiàn)快速控制，從而改善交流系統(tǒng)的運行性能。

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

(6)限制短路電流。如用交流輸電線連接兩個交流系統(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)濟上的優(yōu)點

(1)線路造價低。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，造價為交流線路的60%～70%。

(2)運行損耗小。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;架空線的“等價距離”為600-800km，電纜的“等價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，而且造價低，損耗小，重量輕，壽命長。

3.HVDC的缺點

HVDC也存在如下缺點：(1)換流站設(shè)備多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。造價高，損耗大，運行費用高。高壓直流輸電換流站由于設(shè)備種類繁多，其造價比交流變電所要高很多，而且運行維護也比較復(fù)雜，對運行人員的要求較高。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，會出現(xiàn)電容器和發(fā)電機過熱、換流器控制不穩(wěn)定和對通信系統(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數(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償裝置來滿足。(4)換流器過載能力低。(5)在某些運行方式(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作為交流輸電的補充，其應(yīng)用場合主要有以下幾種： (1)遠距離大容量輸電。HVDC的線路造價低而換流蛄造價高，因而就有一個“等價距離”的概念;書店距離大于“等價距離”時。采用HVDC較為經(jīng)濟;輸電距離小于“等價距離”時，采用交流輸電較為經(jīng)濟;架空線的“等價距離”為600-800km，電纜的“等價距離”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，難以實現(xiàn)遠距離送電。

5.結(jié)語

由于HVDC在長距離輸電、電網(wǎng)互聯(lián)等方面具有的獨特優(yōu)點，使其作為高壓交流輸電的有力補充，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一步發(fā)展、計算機技術(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

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