高壓直流輸電及其發(fā)展趨勢

高壓直流輸電及其發(fā)展趨勢主講人：羅隆福（教授）湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院2023/9/61

主要內(nèi)容第一章高壓直流輸電概論第二章高壓直流輸電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢第三章高壓直流輸電在我國的發(fā)展及前景第四章結(jié)束語2023/9/62第一章

高壓直流輸電概論1.1直流與交流輸電交替歷史

人們對電力的應(yīng)用和認(rèn)識以及電力科學(xué)的發(fā)展都是首先從直流電開始的。19世紀(jì)初期發(fā)展起來的信號傳輸--------電報(bào)，雖然傳輸?shù)碾娏魇呛芪⑷醯?，但是人們從此得到啟發(fā)，并引用于電力傳輸。法國物理學(xué)家德普勒提出：如果輸電電壓選擇的足夠高，即使沿著電報(bào)線路也可能輸送較大的功率到較遠(yuǎn)的距離。他并于1882年，用裝設(shè)在米斯巴赫煤礦中的直流發(fā)電機(jī)，以1500~2000伏電壓，沿著57公里的電報(bào)線路，把電力送到在慕里黑舉辦的國際展覽會，完成了第一次輸電試驗(yàn)，也是有史以來的第一次直流輸電試驗(yàn)。2023/9/63第一章

高壓直流輸電概論此后，直流輸電的電壓、功率和距離分別達(dá)到125千伏，20兆瓦和225公里。但由于當(dāng)時(shí)是采用直流發(fā)電機(jī)串聯(lián)組成高壓直流電源，受端電動(dòng)機(jī)也是串聯(lián)方式運(yùn)行的。不但高電壓大容量直流電機(jī)的換向有困難，而且串聯(lián)的運(yùn)行方式比較復(fù)雜，可靠性差，因此直流輸電在當(dāng)時(shí)沒有得到進(jìn)一步的發(fā)展。與此同時(shí)，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和電能需求的不斷增長，在十九世紀(jì)八十和九十年代，人們逐步掌握了多相交流電路的原理，創(chuàng)造了交流發(fā)電機(jī)、變壓器和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)榻涣麟姷陌l(fā)電、變壓、輸送、分配和使用都很方便，而且經(jīng)濟(jì)、安全和可靠。因此，交流電就幾乎完全代替了直流電，并發(fā)展成今日規(guī)模巨大的電力系統(tǒng)。

2023/9/64第一章

高壓直流輸電概論盡管如此，世界上有許多科學(xué)家和工程技術(shù)人員根據(jù)直流輸電和交流輸電各自的特點(diǎn)，特別是交流遠(yuǎn)距離輸電會受到同步運(yùn)行穩(wěn)定性的限制，預(yù)見到繼續(xù)發(fā)展直流輸電的必要性，并陸續(xù)地建設(shè)了一些試驗(yàn)性工程。其間曾采用氣吹電弧整流器，閘流器和引燃管作為交直流變換的換流設(shè)備。直到高電壓大容量的可控汞弧整流器的研制成功，才為高壓直流輸電的發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件。20世紀(jì)50年代以后，電力的需求增長得更快，電力系統(tǒng)的規(guī)模發(fā)展得更快，交流輸電的局限性在生產(chǎn)實(shí)踐中也表現(xiàn)得更為明顯，于是直流輸電技術(shù)又重新為人們所重視。2023/9/65第一章

高壓直流輸電概論1954年，瑞典在本土和果特蘭島之間建立一條海底電纜直流輸電線，是世界上第一條工業(yè)性的高壓直流輸電線，此后，許多國家也積極地開展了高壓直流輸電的研發(fā)和建設(shè)工作。六十年代可控硅整流元件的出現(xiàn)，為換流設(shè)備的制造開辟了新的途徑，高壓直流輸電也出現(xiàn)了新的前景。2023/9/66第一章

高壓直流輸電概論1.2為何高壓輸電？

從發(fā)電站發(fā)出的電能，一般都要通過輸電線路送到各個(gè)用電地方。根據(jù)輸送電能距離的遠(yuǎn)近，采用不同的高電壓輸電。從我國現(xiàn)在的電力情況來看，送電距離在200～300KM時(shí)采用220KV的電壓輸電；在100KM左右時(shí)采用110KV；50KM左右采用35KV；在15KM～20KM時(shí)采用10KV，有的則用6600V。輸電電壓在110KV以上的線路，稱為超高壓輸電線路。在遠(yuǎn)距離送電時(shí)，我國還有500KV和750KV的超高壓輸電線路。2023/9/67第一章

高壓直流輸電概論為什么要采用高壓輸電呢？這要從輸電線路上損耗的電功率談起，當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，就會有一部分電能變?yōu)闊崮芏鴵p耗掉了。我國目前普遍采用的三相三線制交流輸電線路上損耗的電功率為：2023/9/68第一章

高壓直流輸電概論式中的R為每一條輸電線的電阻，I為輸電線中的電流。如果要輸送的電功率為P，輸電線路的線電壓為U，每相負(fù)載的功率因數(shù)為則輸電電流還可表示為假設(shè)送電距離為L，所用輸電線的電阻率為ρ，其截面積為S，則R＝ρ（L／S）。于是，損耗的電功率可寫成2023/9/69第一章

高壓直流輸電概論式中。在輸送的電功率、輸電距離、輸電導(dǎo)線材料及負(fù)載功率因數(shù)都一定的情況下，C為一常數(shù)。

由上式可以看出，輸電線截面積S一定時(shí)，輸電電壓U愈高，損耗的電功率P耗就愈小；如果允許損耗的電功率P耗一定時(shí)（一般不得超過輸送功率的10％），電壓愈高，輸電導(dǎo)線的截面積就愈小，這可大大節(jié)省輸電導(dǎo)線所用的材料。2023/9/610第一章

高壓直流輸電概論從減少輸電線路上的電功率損耗和節(jié)省輸電導(dǎo)線所用材料兩個(gè)方面來說，遠(yuǎn)距離輸送電能要采用高電壓或超高電壓。2023/9/611第一章

高壓直流輸電概論1.3

HVDC系統(tǒng)主要構(gòu)成直流輸電系統(tǒng)由換流(逆變)站、接地極、接地極線路和直流送電線路構(gòu)成。換流站是用于聯(lián)接交流側(cè)和直流側(cè)的裝置,也就是供交流電與直流電間進(jìn)行變換的換流裝置。詳見圖1所示。2023/9/612第一章

高壓直流輸電概論2023/9/613第一章

高壓直流輸電概論

換流裝置由換流變壓器、換流器、控制極觸發(fā)裝置、控制保護(hù)裝置及其它輔助裝置等構(gòu)成。直流線路與交流線路一樣,由導(dǎo)線、地線、絕緣子、金具、桿塔、基礎(chǔ)和接地裝置等組成。地線、基礎(chǔ)、接地裝置的設(shè)計(jì)與交流一樣。2023/9/614第一章

高壓直流輸電概論1.4直流送電系統(tǒng)運(yùn)行方式<一>兩端直流輸電系統(tǒng)（1）單極系統(tǒng)，大地、金屬線（或海水）作為回線，常用作故障切換運(yùn)行方式；（2）雙級系統(tǒng)，常用的接線方式；（3）背靠背系統(tǒng)，無中間的輸電線路，常用作不同電網(wǎng)的互聯(lián)。<二>多端直流輸電系統(tǒng)，由三個(gè)或三個(gè)以上換流站連接換流站之間的高壓直流輸電系統(tǒng)，因技術(shù)原因，暫時(shí)還沒有被廣泛應(yīng)用。2023/9/615第一章

高壓直流輸電概論

1.5

高壓直流輸電相對于交流輸電的特點(diǎn)（1）高壓直流輸電與其相聯(lián)的兩個(gè)交流系統(tǒng)的頻率和相位無關(guān)。據(jù)此可通過直流輸電環(huán)節(jié)連接兩獨(dú)立交流系統(tǒng),既能獲取減小熱備用容量等聯(lián)網(wǎng)效益,又可各自保持有功及無功功率平衡等電網(wǎng)管理的獨(dú)立性。另外,一電網(wǎng)短路可因直流環(huán)節(jié)的隔離作用而不直接株連另一電網(wǎng),從而避免全系統(tǒng)大面積停電。故高壓直流輸電很適于電網(wǎng)間的互聯(lián)。2023/9/6161.5高壓直流輸電相對于交流輸電的特點(diǎn)

（2）高壓直流輸電只傳送有功功率。故不會增大所聯(lián)交流電網(wǎng)的短路容量,即不增大斷路器遮斷容量,且直流電纜無充電電流,可長距離送電。2023/9/6171.5高壓直流輸電相對于交流輸電的特點(diǎn)

（3）高壓直流輸電的傳送功率(包括大小和方向)快速可控。故可方便而精確地嚴(yán)格按計(jì)劃實(shí)時(shí)控制所聯(lián)交流電網(wǎng)間的交換功率,且不受兩端交流電網(wǎng)運(yùn)行工況的影響,特別適合于所聯(lián)兩電網(wǎng)間按協(xié)議送電。還可通過快速準(zhǔn)確地控制直流功率來有效提高所聯(lián)交流電網(wǎng)或所并聯(lián)交流線路的穩(wěn)定性。2023/9/6181.5高壓直流輸電相對于交流輸電的特點(diǎn)

（4）高壓直流輸電線路經(jīng)濟(jì)。因單、雙極直流輸電分別只需一、二根導(dǎo)線(相當(dāng)于一、二回交流線路),故直流輸電線路所需線路走廊寬度小,線材、金具、塔材都少,塔輕使塔基工程量也小。輸電距離較遠(yuǎn)時(shí),直流線路節(jié)省的費(fèi)用將大于直流換流設(shè)備多花的費(fèi)用,線路越長,節(jié)省越多。因而高壓直流輸電特別適用于長距離大容量輸電。2023/9/619第一章

高壓直流輸電概論1.6高壓直流輸電的應(yīng)用

根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)，HVDC系統(tǒng)應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面：遠(yuǎn)距離大容量輸電。直流輸電線路的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用均比交流輸電低，而換流站的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用比交流變電所的高。因此，對同樣的輸送容量，輸送距離越遠(yuǎn)，直流比交流的經(jīng)濟(jì)性能越好。詳細(xì)比較見圖2所示。2023/9/620圖2高壓交、直流輸電費(fèi)用

與線路長度的關(guān)系圖現(xiàn)在架空線路的交直流輸電等價(jià)距離為：500－600KM；海底電纜的交直流輸電等價(jià)距離為：50KM。第一章

高壓直流輸電概論2023/9/621

1.6高壓直流輸電的應(yīng)用

電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。直流聯(lián)網(wǎng)有如下優(yōu)點(diǎn)（1）直流聯(lián)網(wǎng)為非同步聯(lián)網(wǎng)（2）被聯(lián)網(wǎng)間交換的功率，可以用直流輸電的控制系統(tǒng)進(jìn)行快捷、方便地控制，而不受被聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行條件的影響。（3）聯(lián)網(wǎng)后不增加被聯(lián)電網(wǎng)的短路容量，不需要考慮短路容量的增加，相應(yīng)增加斷路器的遮短容量以及電纜采用限流等問題。（4）可以方便地利用直流輸電的快速控制來改善交流電網(wǎng)的運(yùn)行性能，減少互聯(lián)電網(wǎng)的相互影響，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低大電網(wǎng)大面積停電的概率。2023/9/622第二章HVDC發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2.1

HVDC現(xiàn)狀和新發(fā)展

現(xiàn)狀

自1954年瑞典哥特蘭的世界上第一項(xiàng)高壓直流輸電工程投運(yùn)以來,高壓直流輸電技術(shù)已隨著電力電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)而飛速發(fā)展,它在長距離輸電、電網(wǎng)互聯(lián)等方面有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),已作為高壓交流輸電技術(shù)的有力補(bǔ)充而在全世界廣泛應(yīng)用,目前其工程約90個(gè)。2023/9/623第二章HVDC發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前HVDC所存在的問題（1）換流器較貴；換流器在運(yùn)行中需要較多的無功功率，并要裝設(shè)濾波裝置；換流器過載的能力較小。（2）目前尚無適用的直流高壓斷路器，對發(fā)展多端電網(wǎng)有一定影響。（3）以大地作為回流電路時(shí)，會引起沿途金屬構(gòu)件和管線的腐蝕。2023/9/624新發(fā)展

1、傳統(tǒng)CCC的發(fā)展近年來，隨著連續(xù)可調(diào)交流濾波器（ContinuouslyTunableACFilter)、有源交流濾波器（ActiveACFilter)等技術(shù)的發(fā)展，晶閥管控制串聯(lián)電容器（ThyristorControlledSeriesCapacitor,TCSC)技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)的串聯(lián)電容器換流器CCC（CapacitorCommutatedConverter)重新成為一個(gè)研究、開發(fā)熱點(diǎn)，并發(fā)展了一種新的換流器－－CSCC（ControlledSeriesCapacitorConverter)。這種換流器的基本思想是在換流變壓器的二次側(cè)串聯(lián)連接的電容器來補(bǔ)償換流器的無功功率消耗。

第二章HVDC的現(xiàn)狀和新發(fā)展2023/9/625第二章

HVDC的現(xiàn)狀和新發(fā)展

2、基于電壓源換流器的新型高壓直流（VSC-HVDC）輸電系統(tǒng)傳統(tǒng)直流輸電以半控型功率器件為基礎(chǔ)，電流不能自關(guān)斷，CCC/CSCC采用附加接線實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫關(guān)斷，是對傳統(tǒng)直流輸電的改進(jìn)。但是CCC/CSCC和傳統(tǒng)的直流輸電一樣，仍然采用觸發(fā)相位控制，只能工作于有源逆變方式，與電網(wǎng)換相換流器有本質(zhì)的區(qū)別，被認(rèn)為是未來直流輸電中電網(wǎng)換相換流器的理想替代者。ABB公司率先進(jìn)行了基于VSC的直流輸電實(shí)驗(yàn)，并將這一技術(shù)稱為輕型高壓直流（HVDCLight）輸電。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被美國和澳大利亞電網(wǎng)公司應(yīng)用于電網(wǎng)互聯(lián)。2023/9/626

第二章HVDC的現(xiàn)狀和新發(fā)展3、高壓交流（HVAC）到HVDC線路的轉(zhuǎn)換

在世界的許多國家，要獲得批準(zhǔn)建設(shè)一條新的架空輸電線路變得越來越困難，電網(wǎng)的運(yùn)營商必須不斷提高現(xiàn)有輸電線路的輸送能力。將現(xiàn)有的交流輸電線路轉(zhuǎn)變成直流輸電線路將為電網(wǎng)提供一條新的發(fā)展途徑。同樣的輸電線路可以提高31%－175%的輸電能力。2023/9/627第二章HVDC的現(xiàn)狀和新發(fā)展

4電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)

針對歐洲同步電網(wǎng)（UCTE）面臨潛在擴(kuò)大的壓力，以及隨著我國和印度的負(fù)荷需求的不斷增大，這些地區(qū)裝機(jī)，輸電的容量均需要進(jìn)一步提高。眾所周知，電網(wǎng)互聯(lián)能夠帶來巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的效益，但由于同步互聯(lián)電網(wǎng)固有的局限性，同步時(shí)直流輸電技術(shù)也會對系統(tǒng)穩(wěn)定和電壓崩潰的抑制效果等方面產(chǎn)生不良影響，如可能造成雪崩式大面積停電，這些觀點(diǎn)的論述則導(dǎo)致減少同步電網(wǎng)的規(guī)模。然而，對于交直流的混合系統(tǒng)，并不存在對電網(wǎng)規(guī)模的限制，專家推薦采用HVDC技術(shù)解決遠(yuǎn)距離、大功率輸電問題，同時(shí)采用FACTS技術(shù)控制交流系統(tǒng)的潮流和電壓。2023/9/628第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景

3.1高壓直流輸電在我國的發(fā)展現(xiàn)況

現(xiàn)已完成HVDC工程：中國自1987年第一條高壓直流輸電工程－舟山直流輸電工程投入運(yùn)行以來，到2005年7月我國已有8項(xiàng)直流輸電工程相繼投入運(yùn)行，其中包括：葛洲壩－南橋、天生橋－廣州、三峽－常州、三峽－廣東貴州－廣東及如靈寶背靠背等多個(gè)高壓直流輸電工程。2023/9/629第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景3.2特高壓輸電技術(shù)在我國的發(fā)展

特高壓是電網(wǎng)中的“高速公路”，在今年初召開的國家電網(wǎng)公司2005年工作會議上，國家電網(wǎng)公司總經(jīng)理劉振亞首次提出建設(shè)“跨區(qū)域、大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗的特高壓骨干網(wǎng)架”的構(gòu)想。所謂特高壓，是指由1000千伏級交流和正負(fù)800千伏級直流系統(tǒng)構(gòu)成的高壓電網(wǎng)。特高壓電網(wǎng)的最大特點(diǎn)是長距離、大容量送電。2023/9/630第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景這是針對我國能源布局與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡的狀況提出的一項(xiàng)宏偉工程。據(jù)了解，我國能源資源大部分在西部，而電力需求則集中在東部?，F(xiàn)有電網(wǎng)主要以500千伏交流電和正負(fù)500千伏直流系統(tǒng)為主，最遠(yuǎn)電力輸送距離為500公里，使電力輸送能力和規(guī)模受到嚴(yán)重制約。而特高壓電網(wǎng)輸電距離可達(dá)1000公里至1500公里，可更好地滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力的需求。特高壓電網(wǎng)建成后，可以減少發(fā)電裝機(jī)2000萬千瓦，每年減少發(fā)電煤耗2000萬噸，年綜合節(jié)電效益可達(dá)1000億千瓦時(shí)以上。2023/9/631第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景有電網(wǎng)中的“高速公路”之稱的特高壓電網(wǎng)，被認(rèn)為是加快我國電力建設(shè)的必由之路。建設(shè)特高壓電網(wǎng)受到國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)和政府主管部門的高度關(guān)注。國家發(fā)改委為此下發(fā)了《關(guān)于開展百萬伏級交流、正負(fù)800千伏直流輸電技術(shù)前期工作的通知》；在國家能源領(lǐng)導(dǎo)小組第一次會議上，加快特高壓技術(shù)的研究和特高壓試驗(yàn)示范工程建設(shè)，也被納入今明兩年全國能源工作的重點(diǎn)。2023/9/632第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景3.3特高壓直流輸電存在的問題

據(jù)了解，在特高壓輸電技術(shù)研究中，國家電網(wǎng)組織中國電力科學(xué)院、武漢高壓研究所和中國電力顧問集團(tuán)公司，共同研究交流特高壓輸電工程的電磁環(huán)境及其對生態(tài)環(huán)境影響等重要課題。

同時(shí)，在特高壓系統(tǒng)論證、特高壓輸電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、特高壓輸變電設(shè)計(jì)技術(shù)、特高壓設(shè)備國產(chǎn)化、直流特高壓輸電技術(shù)等方面也展開深入的研究工作。2023/9/633第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景

3.4我國電網(wǎng)的發(fā)展形勢

我國幅員遼闊,西電東送、南北互供的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略使高壓直流輸電技術(shù)大有用武之地,預(yù)計(jì)將出現(xiàn)一系列高壓直流輸電工程。我國已探明的煤炭儲量82%集中在西部地區(qū),可開發(fā)的水電資源67.5%集中在西南地區(qū),而到2020年的電力消費(fèi)75%將集中在中、東部和南部沿海地區(qū)。這種一次能源分布與負(fù)荷中心的不平衡,決定了我國資源優(yōu)化配置的基本選擇是長距離西電東送。2023/9/634第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景與眾不同的南方電網(wǎng)

南方電網(wǎng)是國內(nèi)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、聯(lián)系最緊密、科技含量最高，同時(shí)也是運(yùn)行難度最大的電網(wǎng)，歸納起來主要有以下特點(diǎn)：<1>遠(yuǎn)距離、大容量輸電。南方區(qū)域電力資源和負(fù)荷分布極不均衡，要求通過實(shí)施大規(guī)模的西電東送，達(dá)到有限資源的最佳利用。

目前南方電網(wǎng)的9條西電東送大通道，每條長度都在1000公里左右,單回直流送電容量達(dá)到300萬千瓦2023/9/635第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景<2>交直流混合運(yùn)行，多條直流饋入廣東電網(wǎng)。貴廣直流與6條500千伏交流通道并聯(lián)運(yùn)行；三廣、天廣、貴廣直流同時(shí)饋入廣東500千伏主網(wǎng)架，換流站間電氣距離較近。<3>電源種類多、單機(jī)容量大。網(wǎng)內(nèi)擁有水、煤、核、抽水蓄能、油、氣、風(fēng)力等多種電源，核電和火電單機(jī)容量大，其中嶺澳、大亞灣核電廠單機(jī)容量達(dá)100萬千瓦。2023/9/636第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景<4>新技術(shù)應(yīng)用廣泛。南方電網(wǎng)集中了當(dāng)今國際上先進(jìn)的輸電技術(shù)，一次方面如直流輸電、電觸發(fā)和光觸發(fā)可控硅閥、可控串補(bǔ)、固定串補(bǔ)、高海拔緊湊型線路、超導(dǎo)電纜等，二次方面擁有國內(nèi)規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)，以及覆蓋全網(wǎng)的廣域測量系統(tǒng)還初步建立了在線穩(wěn)定分析及預(yù)決策系統(tǒng)。2023/9/637我國電網(wǎng)現(xiàn)狀到2002年底35kV總長度：80萬公里500kV線路：34939公里330kV線路：9723公里220kV線路：141889公里2023/9/638第三章高壓直流輸電在我國發(fā)展前景3.5我國的高壓直流輸電容量和電壓等級規(guī)劃2004年江城直流、貴廣直流輸電系統(tǒng)相繼投入運(yùn)行，目前我國在運(yùn)的高壓直流輸電系統(tǒng)已達(dá)到五條，總輸送容量13000MW，2004年全年輸送電量460.99億千瓦時(shí)，直流輸電已經(jīng)成為網(wǎng)間電力交換的主要方式。五個(gè)在運(yùn)的直流輸電系統(tǒng)的基本情況簡要介紹如下：2023/9/639系統(tǒng)名稱極投運(yùn)日期額定電壓(kV)額定輸送容量(MW)線路長度(KM)葛南直流輸電系統(tǒng)極Ⅰ1989.9±500600(300)*1046極Ⅱ1990.8±500600(300)*1046龍政直流輸電系統(tǒng)極Ⅰ2003.6±5001500860極Ⅱ2003.6±5001500860江城直流輸電系統(tǒng)極Ⅰ2004.6±5001500975極Ⅱ2004.6±5001500975天廣直流輸電系統(tǒng)極Ⅰ2000.12±500900960極Ⅱ2001.6±500900960貴廣直流輸電系統(tǒng)極Ⅰ2004.10±5001500900極Ⅱ2004.7±50015009002023/9/640

2005年我國西電東送方案500kv22