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摘要目前,采用传统的提高电压等级来传输电已经达到饱和趋势,要在未来提高输电效率,就必须采用高压直流输电。它在远距离大容量输电和电力系统联网方面具有明显的优点。 高压直流输电在全国联网工程中起到重要的作用。未来输电将主要采用这种技术。
关键词高压直流输电 输电效率 电力系统联网
中图分类号:TM7文献标识码:A
早期的输电采用的是直流输电,不需要经过换流。伴随着交流发电机、变压器的发展,使得交流输电和交流电网发展迅速,并占据来统治地位。但是直流输电仍然有交流不可以取代之处。并随着远距离输电的发展,它所起到的作用无法替代。目前,高压直流输电是解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的一个重要手段,应用越来越广泛。
1 高压直流输电的发展
高压直流输电发展迅速,1954年,世界上第一个基于汞弧阀的高压直流输电系统在瑞典投入商业运行; 1984年,巴西伊泰普水电站建造了电压等级最高(€?00 kV)的高压直流输电工程。我国的高压直流输电发展速度相对比较晚,不过发展速度迅速。舟山直流输电工程是我国依靠自己的力量建设的第一项直流输电工程。该工程为双极金属回路方式(€?00 kV、500A、100MW)。1984年施工,在1987年调试并投入试运行,1989年正式投入商业运行。随后葛洲坝-南桥€?00 kV、1200A、1200MW的大功率直流输电投运,该工程解决了葛洲坝电站远距离向华东上海地区的输电问题,又实现了华中和华东两大电网非同期联网,对我国高压直流输电水平的提高起到了促进作用,对当地的经济发展起到了重要的作用。在20世纪初,我国相继建立了天生桥—广州、三峡—常州、贵州—广州等500 kV容量达3 000MW的直流输电工程。此外,嵊泗直流输电工程是我国自行设计和建造的双极海底电缆直流工程,在2002年工程全部建成。①截至到2006年止,国内外已经投产的高压直流输电系统已经达到90个。目前情况下,我国采用€?00kv已经趋于国产化,在投入的高压直流输电系统已经取得来很好的效果,并在未来的输电系统中发挥重要的作用。
2 高压直流输电的特点
2.1 高压直流输电的优点
直流输电的电压等级概念与交流输电电压等级概念有所不同。对于交流系统输电线路来说,一般将220kV及以下的电压等级称为高压,330~750kV的电压等级称为超高压,1000kV及以上的电压等级称为特高压。直流输电系统则稍有不同,将€?00kV以上的统称为高压;€?00kV和€?00kV仍称为高压,而超过€?00kV的则称为特高压。目前一般都采用€?00kV输电。它具有如下特点:(1)在输送功率一定的情况下线路造价低。对于架空线路,交流输采用三根导线,而直流只需要一根(单级)或者两根(双极)导线。因此,在输送功率一定情况下,直流输电所用线料仅为交流输电的1/2—2/3。而对于电缆线路,它的投资和运行费用更加经济。(2)输送功率相同时线路损耗小。由于直流输电采用的是一根或两根导线,有功功率损耗小。同时,线路上没有容抗和感抗,所以没有无功功率损耗。(3)节省线路走廊。按同电压500 kV考虑,一条500 kV直流输电线路的走廊约40 m,一条500 kV交流输电线路的走廊约为50 m,但是直流输电的线路走廊,其传输效率约为交流线路的2倍甚至更多一点。(4)系统运行非常稳定。可以实现电网非同期互联,但是在交流输电系统中,所有连接在电力系统中的同步发电机必须同步运行。两端交流输电系统的等值电路见图1。输送功率为:P=(E1E2/X)sin,式中:E1、E2分别为受送端交流系统的等值电势;X为线路、发电机、变压器的等值电抗;为两电势的相角差。
图1双端交流输电系统等值电路图
由于交流系统中有电抗,输送的功率就有一定的极限,当系统中存在某种扰动时,有可能使它的输送功率超过它的极限。而采用直流线路连接两个交流系统,由于直流线路没有电抗,所以不存在同步运行稳定问题。5)限制系统短路电流。交流输电线路连接两个交流系统时,系统容量增加,使得短路电流增加,从而使投资增加。而用直流输电线路连接两个交流系统时,直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近,有利于实现交流系统的互联。(6)运行可靠。采用双极线路时,如果一级出现故障,另一级仍然可以以水或大地为回来,输送一半的功率,提高另运行的可靠性。(7)可以实现交流系统异步连接。频率不同或者相同的交流系统可以通过直流输电或者“交流—直流—交流”的“背靠背”换流站实现异步联网运行。
2.2 高压直流输电的缺点
(1)换流站的设备比较昂贵,换流器的费用高。(2)换流装置要消耗大量的无功功率,必须安装一定数量的无功补偿设备。(3)由于谐波的产生,安装过程中需要加装交流滤波器和直流滤波器,从而使换流站的投资费用有所增加。(4)缺乏高压直流开关,直流无波形过零点,所以灭弧比较困难。(5)不能用变压器来改变电压等级。(6)直流输电线路很难引出分支,在绝大多数情况下只能用于端对端输电。
3 高压直流输电现状
根据葛上和天广HVDC工程及三峡工程、西电东送工程以及全国联网工程的需要,发展我国的HVDC技术;重点开发远距离高压直流输电和背靠背HVDC 技术,借鉴国内外的经验,确保三峡HVDC工程的成功建设和运行;实施HVDC主设备国产化工程。并能提高 HVDC 工程运行的可靠性,将产生巨大的社会经济效益。近年来,背靠背直流输电工程发展迅速。它是无直流输电线路的两端直流输电系统。主要应用于两个非同步运行的交流电力系统之间的联网和输电,背靠背换流站原理接线图见图2。
图2 背靠背换流站原理图
(1—换流变压器;2—换流器;3—平波电抗器;4—两端交流系统。)
由于直流侧可以选择低电压、大电流,可以充分利用大截面晶闸管的通流能力。与此同时,直流侧的设备也因为电压低而成本大大降低。而且整流器和逆变器设计在一个阀厅内,直流侧滤波不会造成通信线路的干扰。从而使得背靠背换流站的造价比常规的换流站的造价低15%~20%。由于有很多优点,所以现在的高压直流输电很多采用背靠背系统进行非同步联网。
4 高压直流输电的未来趋势
伴随着国民经济的迅速增长,中国用电需求已经不能满足国家经济发展的要求,用电量不断增加,特别是大型企业的用电量,有的已经成指数增长。用电量的不足严重阻碍了经济的发展。根据中国的实际国情,必须采用一种经济高效的输电方式。而高压直流输电技术可以达到这种要求。目前正在采取技术用€?00kv特高压直流输电。美国电机电子工程师学会(EIEE)和国际大电网委员会(Cigre)均在80年代末已经得出结论:基于已有的技术和运行经验,800千伏高压直流是明显合适的运行电压等级。国际大电网委员会在2002年重申了他们的观点。②目前正在建设中的€?00kv直流工程有:云南—广东€?00 kV直流工程(2006—2010年)、向家坝—上海€?00 kV直流工程(2007—2011年)、锦屏—苏南€?00 kV直流工程(2007—2011年)。按规划到了2020年,预计会有9个特高压直流工程投运。其中以€?00 kV特高压直流输电工程为重点。
根据我国能源分布的特点以及输电负荷的发展需求和500 kV输电网架暴露出的问题(网损大,线路走廊紧张等),通过对特高压交流输电(UHVAC)以及特高压直流输电(UHVDC)的研究论证,国家发改委已经将直流€?00 kV作为特高压直流线路的运行电压等级,确定了向家坝—上海及云南—广东2条特高压直流示范工程。③由于€?00 kV直流输电系统的特性,对直流设备的要求与制造等都与€?00 kV系统有所不同,€?00 kV直流输电技术又是属国内外首次研发,故国家从发展€?00 kV战略出发,要求立足国内,自主研究、自主设计、自主制造,尽快实现特高压直流输电技术装备国产化。这又给国内输配电设备制造业提供了千载难逢的发展机遇,但也带来了挑战。特高压直流输电的输送容量大,输电距离长,输电能力主要受导线最高允许温度的限制。一条€?00 kV直流线路可输送的功率约为4GW;而一条€?00 kV直流线路可输送的功率可达到6GW,用于远距离输电具有良好的经济性。所以未来的输电将主要采用€?00kv直流输电系统进行输电。
5 结语
综上所述,高压直流输电特别适合于远距离大容量输电和电力系统联网。而我国从80年代开始对 高压直流输电进行研究,对高压直流输电系统有了明确的掌握,使高压直流输电技术国产化,为后来的特高压直流输电提供了很好的技术支撑。目前,中国已经是世界上发电量和装机容量最大的国家,它复杂的输电环境和地理位置将使高压直流输电工程在未来发挥着巨大的作用,并将取代交流输电,成为未来输电的主要趋势。在未来几十年内,中国还将陆续建设一大批高压输电工程、背靠背直流联网工程和跨海直流电缆输电工程;新建一批特高压交流输电工程。以满足西电东送的要求,为全国联网创造了有利的条件,有利于全国经济稳定,平衡向前发展。
注释
①吴广宁.现代高压电力工程[M].北京:中国电力出版社,2007.
②Krishanayya P C S.An evaluation of the R&D requirements or developing HVDC converter stations for voltage above 600kV[C].CIGRE 1988 Session,14-07.
③刘振亚.特高压电网[M].北京:中国经济出版社,2005.
关键词高压直流输电 输电效率 电力系统联网
中图分类号:TM7文献标识码:A
早期的输电采用的是直流输电,不需要经过换流。伴随着交流发电机、变压器的发展,使得交流输电和交流电网发展迅速,并占据来统治地位。但是直流输电仍然有交流不可以取代之处。并随着远距离输电的发展,它所起到的作用无法替代。目前,高压直流输电是解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的一个重要手段,应用越来越广泛。
1 高压直流输电的发展
高压直流输电发展迅速,1954年,世界上第一个基于汞弧阀的高压直流输电系统在瑞典投入商业运行; 1984年,巴西伊泰普水电站建造了电压等级最高(€?00 kV)的高压直流输电工程。我国的高压直流输电发展速度相对比较晚,不过发展速度迅速。舟山直流输电工程是我国依靠自己的力量建设的第一项直流输电工程。该工程为双极金属回路方式(€?00 kV、500A、100MW)。1984年施工,在1987年调试并投入试运行,1989年正式投入商业运行。随后葛洲坝-南桥€?00 kV、1200A、1200MW的大功率直流输电投运,该工程解决了葛洲坝电站远距离向华东上海地区的输电问题,又实现了华中和华东两大电网非同期联网,对我国高压直流输电水平的提高起到了促进作用,对当地的经济发展起到了重要的作用。在20世纪初,我国相继建立了天生桥—广州、三峡—常州、贵州—广州等500 kV容量达3 000MW的直流输电工程。此外,嵊泗直流输电工程是我国自行设计和建造的双极海底电缆直流工程,在2002年工程全部建成。①截至到2006年止,国内外已经投产的高压直流输电系统已经达到90个。目前情况下,我国采用€?00kv已经趋于国产化,在投入的高压直流输电系统已经取得来很好的效果,并在未来的输电系统中发挥重要的作用。
2 高压直流输电的特点
2.1 高压直流输电的优点
直流输电的电压等级概念与交流输电电压等级概念有所不同。对于交流系统输电线路来说,一般将220kV及以下的电压等级称为高压,330~750kV的电压等级称为超高压,1000kV及以上的电压等级称为特高压。直流输电系统则稍有不同,将€?00kV以上的统称为高压;€?00kV和€?00kV仍称为高压,而超过€?00kV的则称为特高压。目前一般都采用€?00kV输电。它具有如下特点:(1)在输送功率一定的情况下线路造价低。对于架空线路,交流输采用三根导线,而直流只需要一根(单级)或者两根(双极)导线。因此,在输送功率一定情况下,直流输电所用线料仅为交流输电的1/2—2/3。而对于电缆线路,它的投资和运行费用更加经济。(2)输送功率相同时线路损耗小。由于直流输电采用的是一根或两根导线,有功功率损耗小。同时,线路上没有容抗和感抗,所以没有无功功率损耗。(3)节省线路走廊。按同电压500 kV考虑,一条500 kV直流输电线路的走廊约40 m,一条500 kV交流输电线路的走廊约为50 m,但是直流输电的线路走廊,其传输效率约为交流线路的2倍甚至更多一点。(4)系统运行非常稳定。可以实现电网非同期互联,但是在交流输电系统中,所有连接在电力系统中的同步发电机必须同步运行。两端交流输电系统的等值电路见图1。输送功率为:P=(E1E2/X)sin,式中:E1、E2分别为受送端交流系统的等值电势;X为线路、发电机、变压器的等值电抗;为两电势的相角差。
图1双端交流输电系统等值电路图
由于交流系统中有电抗,输送的功率就有一定的极限,当系统中存在某种扰动时,有可能使它的输送功率超过它的极限。而采用直流线路连接两个交流系统,由于直流线路没有电抗,所以不存在同步运行稳定问题。5)限制系统短路电流。交流输电线路连接两个交流系统时,系统容量增加,使得短路电流增加,从而使投资增加。而用直流输电线路连接两个交流系统时,直流系统的“定电流控制”将快速把短路电流限制在额定功率附近,有利于实现交流系统的互联。(6)运行可靠。采用双极线路时,如果一级出现故障,另一级仍然可以以水或大地为回来,输送一半的功率,提高另运行的可靠性。(7)可以实现交流系统异步连接。频率不同或者相同的交流系统可以通过直流输电或者“交流—直流—交流”的“背靠背”换流站实现异步联网运行。
2.2 高压直流输电的缺点
(1)换流站的设备比较昂贵,换流器的费用高。(2)换流装置要消耗大量的无功功率,必须安装一定数量的无功补偿设备。(3)由于谐波的产生,安装过程中需要加装交流滤波器和直流滤波器,从而使换流站的投资费用有所增加。(4)缺乏高压直流开关,直流无波形过零点,所以灭弧比较困难。(5)不能用变压器来改变电压等级。(6)直流输电线路很难引出分支,在绝大多数情况下只能用于端对端输电。
3 高压直流输电现状
根据葛上和天广HVDC工程及三峡工程、西电东送工程以及全国联网工程的需要,发展我国的HVDC技术;重点开发远距离高压直流输电和背靠背HVDC 技术,借鉴国内外的经验,确保三峡HVDC工程的成功建设和运行;实施HVDC主设备国产化工程。并能提高 HVDC 工程运行的可靠性,将产生巨大的社会经济效益。近年来,背靠背直流输电工程发展迅速。它是无直流输电线路的两端直流输电系统。主要应用于两个非同步运行的交流电力系统之间的联网和输电,背靠背换流站原理接线图见图2。
图2 背靠背换流站原理图
(1—换流变压器;2—换流器;3—平波电抗器;4—两端交流系统。)
由于直流侧可以选择低电压、大电流,可以充分利用大截面晶闸管的通流能力。与此同时,直流侧的设备也因为电压低而成本大大降低。而且整流器和逆变器设计在一个阀厅内,直流侧滤波不会造成通信线路的干扰。从而使得背靠背换流站的造价比常规的换流站的造价低15%~20%。由于有很多优点,所以现在的高压直流输电很多采用背靠背系统进行非同步联网。
4 高压直流输电的未来趋势
伴随着国民经济的迅速增长,中国用电需求已经不能满足国家经济发展的要求,用电量不断增加,特别是大型企业的用电量,有的已经成指数增长。用电量的不足严重阻碍了经济的发展。根据中国的实际国情,必须采用一种经济高效的输电方式。而高压直流输电技术可以达到这种要求。目前正在采取技术用€?00kv特高压直流输电。美国电机电子工程师学会(EIEE)和国际大电网委员会(Cigre)均在80年代末已经得出结论:基于已有的技术和运行经验,800千伏高压直流是明显合适的运行电压等级。国际大电网委员会在2002年重申了他们的观点。②目前正在建设中的€?00kv直流工程有:云南—广东€?00 kV直流工程(2006—2010年)、向家坝—上海€?00 kV直流工程(2007—2011年)、锦屏—苏南€?00 kV直流工程(2007—2011年)。按规划到了2020年,预计会有9个特高压直流工程投运。其中以€?00 kV特高压直流输电工程为重点。
根据我国能源分布的特点以及输电负荷的发展需求和500 kV输电网架暴露出的问题(网损大,线路走廊紧张等),通过对特高压交流输电(UHVAC)以及特高压直流输电(UHVDC)的研究论证,国家发改委已经将直流€?00 kV作为特高压直流线路的运行电压等级,确定了向家坝—上海及云南—广东2条特高压直流示范工程。③由于€?00 kV直流输电系统的特性,对直流设备的要求与制造等都与€?00 kV系统有所不同,€?00 kV直流输电技术又是属国内外首次研发,故国家从发展€?00 kV战略出发,要求立足国内,自主研究、自主设计、自主制造,尽快实现特高压直流输电技术装备国产化。这又给国内输配电设备制造业提供了千载难逢的发展机遇,但也带来了挑战。特高压直流输电的输送容量大,输电距离长,输电能力主要受导线最高允许温度的限制。一条€?00 kV直流线路可输送的功率约为4GW;而一条€?00 kV直流线路可输送的功率可达到6GW,用于远距离输电具有良好的经济性。所以未来的输电将主要采用€?00kv直流输电系统进行输电。
5 结语
综上所述,高压直流输电特别适合于远距离大容量输电和电力系统联网。而我国从80年代开始对 高压直流输电进行研究,对高压直流输电系统有了明确的掌握,使高压直流输电技术国产化,为后来的特高压直流输电提供了很好的技术支撑。目前,中国已经是世界上发电量和装机容量最大的国家,它复杂的输电环境和地理位置将使高压直流输电工程在未来发挥着巨大的作用,并将取代交流输电,成为未来输电的主要趋势。在未来几十年内,中国还将陆续建设一大批高压输电工程、背靠背直流联网工程和跨海直流电缆输电工程;新建一批特高压交流输电工程。以满足西电东送的要求,为全国联网创造了有利的条件,有利于全国经济稳定,平衡向前发展。
注释
①吴广宁.现代高压电力工程[M].北京:中国电力出版社,2007.
②Krishanayya P C S.An evaluation of the R&D requirements or developing HVDC converter stations for voltage above 600kV[C].CIGRE 1988 Session,14-07.
③刘振亚.特高压电网[M].北京:中国经济出版社,2005.