专家讲解特高压直流输电技术
李虎
[摘 要]输电技术快速发展，我国已进入特高压输电广泛应用的时代。本文分析了特高压交、直流输电技术的主要特点，并对其技术经济性进行简要对比。
[关键词]特高压交流输电；技术；研究
中图分类号：U231.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）27-0230-01
引言
高压直流输电具有灵活、可控、经济、环保等特点，在远距离、大容量输电以及系统联网方面具有明显优势。为解决我国能源资源与电力需求在地域上远距离、逆向分布的问题，中国从三峡外送直流工程起，大力发展特高压直流输电技术，目前已经全面掌握具有自主知识产权的特高压直流输电技术，电压等级涵盖±500kV、±660kV、±800kV和±1100kV。随着国家“一带一路”战略构想的提出，未来电网的发展将有大量跨国联网、跨区联网的需求。2014年底，为响应国家“一带一路”战略构想，国家电网公司组织有关科研、设计单位，根据国家战略、外交、经济需要，综合考虑双方合作意愿、前期工作基础、工程实施条件等因素，研究提出了国家电网与俄罗斯、蒙古、哈萨克斯坦和巴基斯坦等国电网互联互通方案。
1 特高压直流输电原理
高压直流输电的电压等级概念与交流输电不一样。对于交流输电来说，一般将220kV及以下的电压等级称为高压，330～750kV的称为超高压，1000kV及以上的称为特高压。直流输电把±500kV和±660kV称为超高压；±800kV及以上电压等级称为特高压。直流输电工程是以直流电的方式实现电能传输的工程。直流电必须经过换流（整流和逆变）实现直流电变交流电，然后与交流系统连接。下图1是直流输电系统基本结构示意图。两端直流输电系统可分为单极系统（正极和负极）、双极系统（正、负两极）和背靠背直流系统（无直流输电系统）三种类型。
2 特高压直流输电技术特点
2.1电网结构简单，易调控
特高压直流输电采用大功率、远距离、点对点的输送模式，无中间落点，直接将电力输送到负荷中心。当确定了送、受端之后，采用直流输电方式可实现交、直流电网并联输电，或者非同步联网输电，电网结构清晰易调控。
2.2系统高可靠性
利用可控硅换流器，在直流输电技术中可快速调整有功功率，实现电流方向的改变。另外，在正常状态下，直流系统可保证稳定输出，在事故情况下，可实现健全系统对故障系统的紧急支援。
2.3年电能损耗小，线路造价低
交流架空线输电需三根导线，而直流只需两根导线，电阻损耗小，没有线路感抗及容抗的无功损耗，也没有交流工况下的集肤效应，导线截面利用充分；直流输电方案若采用大地或海水作回路时，仅需一根导线，可大幅节省建设投资，在前期投资和运行费用上经济性突出。
2.4大容量直流系统风险加大
通过特高压直流输电系统构建的交、直流互联电网，使得与大容量直流相关的系统风险有所加大。比如，对于多回大容量直流受端密集落点的电网，当交流系统发生故障时，可能导致多回直流输电线路同时出现换相失败，引起交流线路保护或开关拒动，导致交流故障不能及时清除，最终可能造成多回直流线路发生持续换相失败，甚至发生直流闭锁。此外，直流换相失败后，电网中存在复杂的交直流相互影响，在功率恢复过程中，线路动态无功需求将大幅增加，但是由于负荷电网中无电源支撑，可能引起直流系统电压失稳，极端情况下导致大面积停电事故。
3 特高压直流技术存在的不足
（1）直流输电换流站比交流变电所结构复杂、造价高、运行费用高，换流站造价比同等规模交流变电所要高出数倍。（2）为降低换流器运行时在交流侧和直流侧产生的一系列谐波，需在两侧需分别装设交流滤波器和直流滤波器，使得换电站的占地面积、造价和运行费用均大幅度提高。（3）直流断路器没有电流过零点可利用，灭弧问题难以解决。（4）由于直流电的静电吸附作用，使直流输电线路和换电站设备的污秽问题比交流输电严重，给外绝缘问题带来困难。
4 特高压输电技术的应用场合
我国已启动“五交八直”特高压工程，未来将建成“三华”特高压同步电网，1100kV交流输电和±800kV直流输电在大电网的发展中扮演着不同角色。特高压交、直流输电只能互补，不能互相取代。直流输电方式由于中间无落点，因而只有输电功能，而不能构建网络，可定位于超大容量、超远距离的输受端明确的“点对点”输电。采用直流输电技术，可减少或避免过网的不均匀潮流，并且可以方便地控制潮流大小和方向，但是，其发挥作用的前提是必须结合坚强的交流网络。相对而言，交流输电方式则同时具备输电和构建网络的功能，可依据电源分布、负荷位置、输送容量等实际需求进行电网系统设计，同时线路中间可以设置落点，这会使得电力接入、传输和消纳更加灵活方便，可定位于构建各级坚强输电网，以及经济距离下的大容量、长距离输电，为直流输电提供重要支撑。
4.1近距离大容量输送
目前，负荷中心地区出现了输电走廊紧张、短路容量大等难题。以长三角地区为例，如上海、苏南、浙北等负荷中心，输电距离约200～500km，从输电经济性方面考虑，采用1100kV交流输电更具经济性。因此，对于珠江三角洲、环渤海经济区及华东电网区域内的输电系统，采用特高压交流输电，经济性良好，同时解决了短路电流大、输电走廊紧张等问题。
4.2远距离大容量输送
我国水电、煤电和负荷中心分布极不平衡。其中，2/3的水电分布在西南地区，2/3的煤电分布在西北地区，而2/3的用电负荷位于东部沿海和京广铁路以东地区，输电网络明显呈现出“西电东送”、“北电南送”的格局，输电距离为600～2000km。输送容量5000～20000MW。从输电经济性角度讲，当距离超过l200km时，采用±800kV直流输电比1100kV交流输电更具经济性。
4.3区域电网互联
利用特高压输电技术，我国已形成东北、华北、西北、华东、华中及南方电网等6大跨省区的互联电网，实现了跨区域、跨流域的资源优化配置。对于以上区域互联电网，采用特高压直流输电实现区域非同步联网，送、受端的交流电网可按各自电壓和频率独立运行，相互间无需传送短路功率，这在一定程度上提高了整个系统的稳定性。假如采用特高压交流输电实现电网的同步运行，则对互联电网的同步性要求很高，稍有不慎可引起系统崩溃，同时还可能导致短路容量的增加。
5 我国特高压直流技术未来的发展方向
我国特高压直流输电工程在最近十年得到快速发展，已经建成哈郑特高压直流工程、锦苏特高压直流工程、向上特高压直流工程等一批特高压直流项目，上山特高压直流项目等正在建设之中。中国已成为世界上投运直流输电工程最多、直流输电技术应用最全面的国家。
结语
从目前技术看，在实现区域互联时，采用特高压直流输电的可靠性更高，也更具经济性。特高压直流输电工程是否要选取更高电压等级还需要结合输送距离、输送容量等具体工程背景和关键设备的设计制造能力，进一步开展技术经济性比较，以选取最为合适的电压等级。
参考文献
[1] 刘振亚.特高压交直流电网[M].北京：中国电力出版社，2013：264-269.
[2] 张文亮，吴维宁，胡毅.特高压输电技术的研究与我国电网的发展[J].高电压技术，2003，09：16-18.
