赵婉君《高压直流输电》第一章(4)

(一)远距离大容量直流架空线路工程

直流输电在远距离大容量输电方面比交流输电有明显的优点。日前在已运行和正在建 设的直流工程中，此类工程约占1 /3，并且在今后它也具有较好的发展前景。此类工程大 多是解决大型水电站或火电厂(煤炭基地的坑口电站)向远方负荷中心的送电问题。例 如，巴西的伊泰普直流工程为两回?600kV，约800km长，输送总容量为6300MW;加拿 大的纳尔逊河直流工程为两回?500kV，约940km长，输送总容量为4000MW;中国三峡 向华东送电采用三回?500kV，约少900～1100km,输送总容量为7200MW；三峡向广东送电为一回?500kV，约960km, 输送容量为3000MW等。有时这种远距离输电还具有非同步联网的性质，如三峡向华东以及向广东的送电工程，同时也实现了华中与华东以及华中与 华南电网的非同步联网。而巴西伊泰普直流工程则是从50Hz的发电站向60Hz的电网送 电。此类工程的特点是输送容量大、距离远、电压高，其单项工程的输送容量和电压代表 了当时直流输电技术的最高水平。根据国外对直流输电换流设备的制造情况及直流输电技 术的发展水平，目前建设?800kV，输送5000～6000MW的直流工程是现实可能的。前苏联曾计划建设?750kV，从埃基巴斯图兹煤炭基地的坑口电站向欧洲中部的唐波夫送电， 输送功率为6000MW ,输送距离为2400km的直流工程，并完成了设备制造、试验以及两 端换流站和输电线路的部分建设工作，后因非技术原因而停建。中国西南水电资源丰富， 随着西南大型水电站的建设，解决西南水电向华南、华中及华东的送电问题、将会采用这 种类型的输电方式。

(二)背靠背直流联网工程

电力系统之间的互联可以有三种方式，即:①传统的交流输电同步联网方式，联网后 将形成更大的同步运行电网;②直流输电非同步联网方式，联网后将形成非同步联合运行 的大电网，其中包括不同频率(如50HZ、60Hz)的联合大电网；③交、直流并联输电同 步联网方式，联网后将形成可以利用直流输电的快速控制改善电网运行性能的同步运行的 大电网。第③方式通常是先有交流输电联网，而后又建设的直流输电工程。背靠背直流联 网是大电网之间实现非同步联网的一种很值得考虑的选择方式，同时它也可以在交直流并 联同步联网方式中采用。

背靠背直流工程近年来发展较快，在已运行和正在建设的直流工程中约占1/3。例 如，北美洲东部西部两大电网，长期以来由于稳定间题采用交流联网一直未能实现，20 世纪80年代以后先后建成6个背靠背换流站，实现了非同步联网；东欧与西欧电网也通 过三个背靠背换流站实现了互联；俄罗斯与芬兰电网通过背靠背换流站联网已运行多年; 印度将通过4个背靠背换流站和数回直流输电线路来完成全国五大电网的非同步联网；日 本则通过4个背靠背换流站和两个直流输电线路实现全国9大电力公司的联合运行，其中 包括50HZ和60HZ电网的互联。中国已形成东北、华北、西北、华东、华中、华南及西南 7个大区电网。目前华中与华东电网己采用直流输电实现了非同步联网、华中与华南电网 将通过三峡向广东的直流输电工程实现互联。西北与华中电网将首先建一个背靠背换流站 实现互联，然后随着西北水电与火电的开发，将会采用直流输电向华中送电，同时也加强 了两电网的非同步互联。背靠背换流站将在全国联网中发挥其重要的作用。另外，在我国

与周边国家的联网送电工程中，背靠背换流站也将会得到应用。 (三)跨海峡直流海底电缆工程

交流电缆由于电容电流而使其输电距离受到限制，对于跨越数十公里海峡的输电工 程，输送较大的功率是很困难的。大部分跨海峡的输电工程均采用直流输电，如英法海峡 直流工程，采用两回?270kV，总输送功率为2000MW ,海底电缆72krn；波罗底海直流工 程(瑞典一德国)，海底电缆250km , 架空线路12km，单极450kV ,输送功率600MW；正 在建设的日本纪伊直流工程，海底电缆51km，架空线路51km，双极?500kV, 输送功率 2800MW , 以及马来西亚的巴坤直流工程，海底电缆670km, 架空线路660km，计划三回 ?500kV，总输送功率2130MW。另外，还有不少小型的跨海峡直流工程，如中国的舟山直 流工程和嵊泗直流工程等。

此类工程大多为海底电缆和架空线路混合型，其输送功率(从数十兆瓦到数千兆瓦) 和输电距离(从数公里到数百公里)的变化范围较大，各个工程的系统结构也各不相同。 有单极大地回线方式、单极金属回线方式、双极两端中性点接地方式、双极一端中性点接 地方式、双极金属中线方式<如日本的纪伊工程)等。此类工程的另一个特点是当受端为 孤立的海岛时，受端往往为弱交流系统，有时可能是一个无电源的负荷区。这对于采用晶 闸管换流的直流输电来说，为了改善换相条件，提高直流输电的运行可靠性和交流系统的 电压稳定性，在逆变站通常需要装设调相机或静止无功补偿装置。当采用轻型直流输电 时，此问题则迎刃而解。如果采用轻型直流输电与新型聚合物的海底电缆相配合，则可取 得很好的经济效益。

(四) 向大城市送电的直流地下电缆工程

由于大城市的工商业发达、人口稠密、用电密度高，因此环境保护的要求在大城市附 近建设大型电站是不允许的，同时在这些地区选择高压架空线路的走廊也很困难。因而向 大城市送电的发展方向是选择地下电缆送电。此类工程通常不是大型直流工程，它类似于 220kV或110kV的交流输电工程，但输电距离较长，采用直流地下电缆比交流电缆有明显 的优点。目前此类工程还不多(仅有英国伦敦的金斯诺斯直流工程)，随着轻型直流输电 和新型聚合物直流地下电缆的应用，此类工程的造价将降低，它将会得到进一步的应用和 发展。

(五)向孤立负荷点送电或从孤立电站向电网送电的直流工程

向孤立负荷点送电的直流工程大多为中小型直流工程，一般该负荷点远离主干电网， 要求的输送容量不大，但输送距离较远，采用直流输电在技术和经济上会有一定的优势。 因此，轻型直流输电在这种场合的应用将会更为有利。

孤立电站向电网送电有两种情况。首先是在边远偏僻地区的大型水电站向远处负荷中 心送电。电站附近无地区负荷，或地区负荷很小，全部(或大部)发电容量均需送往远处 的负荷中心。此类直流工程整流站的接线方式可以考虑采用发电机一变压器一换流器的单 元接线方式。这种接线方式发电机的升压变压器和换流变压器合二为一，可减少一级变压 及相应的开关设备，简化滤波装置，减小占地面积，降低换流站的造价、损耗和运行费 用。同时对不同的季节，当水头变化时，为了充分利用水轮机的效率，水轮发电机还可以

用不同的频率发电，通过直流输电的隔离，送入受端交流系统，从而可以取得更大的效 益。另一种情况是远离负荷区的小型水电站或风力发电站向电网或负荷点送电。此类工程 的输送容量不大，是采用轻型直流输电较好的场合。 (六) 与交流输电并联的直流输电工程

这种输电系统也称交、直流并联输电系统。此类直流工程大多是为了加强改善原交流 输电系统的性能而建设，如美国的太平洋联络线直流工程，中国的天生桥一广州直流工程 等。此类工程的主要特点是利用直流输电的快速控制来阻尼交流系统的低频振荡，从而提 高与其并联的交流线路的输送能力，其控制系统比较复杂，在工程设计时的系统研究工作 量将相应增加，这也是加强和改进现有交流系统运行性能的一种措施。

第四节 直流输电发展

一、国外直流输电发展

电力技术的发展是从直流电开始的，早期的直流输电是不需要经过换流，直接从直流 电源送往直流负荷，即发电、输电和用电均为直流电，如1882年在德国建成的2kV, 1.5kW, 57km向慕尼黑国际展览会的送电工程；1889年在法国用直流发电机串联而得到 高电压，从毛梯埃斯( Moutiers)到里昂(Lyon)的125kV、20MW、230km的直流输电工程 等。随着三相交流发电机、感应电动机和变压器的迅速发展，发电和用电领域很快被交流 电所取代。同时变压器又可方便地改变交流电压，从而使交流输电和交流电网得到迅速的 发展，并很快占据了统治地位。但在输电领域，直流还有交流所不能取代之处，如远距离 电缆送电、不同频率电网之间的联网等。

在发电和用电的绝大部分均为交流电的情况下，要采用直流输电，必须要解决换流问 题。因此，直流输电的发展与换流技术的发展(其中特别是高电压大功率换流设备的发 展)有密切的关系。直流输电的发展可分为以下几个时期。 {一)汞弧阀换流时期

1901年发明的汞弧整流管只能用于整流，而不能进行逆变。1928年具有栅极控制能 力的汞弧阀研制成功，它不但可用于整流，同时也解决了逆变问题。因此，可以说大功率 汞弧阀的问世使直流输电成为现实。从1954年世界上第一个工业性直流输电工程(果特 兰岛直流工程)在瑞典投人运行以后，到1977年最后一个采用汞弧阀换流的直流工程 (加拿大纳尔逊河Ⅰ期工程)建成，世界上共有12项采用汞弧阀换流的直流工程投入运 行。其中最大输送容量和最长输送距离的为美国太平洋联络线(1440MW、1362km),最高 输电电压的为加拿大纳尔逊河I期工程(?450kV )。这一时期可称为汞弧阀换流时期。最 大容量的汞弧阀为用于太平洋联络线的多阳极汞弧阀(133kV、1800A)以及用于前苏联伏 尔加格勒一顿巴斯直流工程的单阳极汞弧阀(130kV、900A )。由于汞弧阀制造技术复杂、 价格昂贵、逆弧故障率高，可靠性较低、运行维护不便等因素，使直流输电的发展受到限 制。

（二）晶闸管阀换流时期

20世纪70年代以后，电力电子技术和微电子技术的迅速发展，高压大功率晶闸管的问 世，晶闸管换流阀和微机控制技术在直流输电工程中的应用，有效地改善了直流输电的运行 性能和可靠性，促进了直流输电技术的发展。晶闸管换流阀不存在逆弧问题，而且制造、试 验、运行维护和检修都比汞弧阀简单而方便。1970年瑞典首先在果特兰岛直流工程上扩建 了直流电压为50kV，功率为l0MW，采用晶闸管换流阀的试验工程。1972年世界上第一个 采用晶闸管换流的伊尔河背靠背直流工程在加拿大投人运行。由于晶闸管换流阀比汞弧阀 有明显的优点，从此以后新建的直流工程均采用晶闸管换流阀。与此同时，原来采用汞弧阀 的直流工程也逐步被晶闸管阀所替代。20世纪70年代以后汞弧阀被淘汰，开始了晶闸管 换流时期。在此期间，微机控制和保护、光电传输技术、水冷技术、氧化锌避雷器等新技术， 在直流输电工程中也得到了广泛的应用，促使直流输电技术进一步的发展。

1954～2000年，世界上已投人运行的直流输电工程有63项，其中架空线路17项，电 缆线路8项，架空线和电缆混合线路12项，背靠背直流工程26项(详见附表、表1一2 和表14一1)。在已运行的直流工程中，架空线路最高电压(?600kV)和最大输送容量 (6300MW)的是巴西伊泰普直流工程，最长输送距离(1700krn)的是南非英加一沙巴直流 工程；电缆线路的最大输送容量（2000MW）是英法海峡直流工程，最高电压〔450kV)和 最长距离( 250km)是瑞典一德国的波罗底海直流工程；背靠背换流站的最大容量

(1065 MW)是俄罗斯一芬兰之间的维堡直流工程。在此时期，直流输电在远距离大容量输 电、电网互联和电缆送电(特别是海底电缆)等方面均发挥了重大的作用。直流输电工程

输送容量的年平均增长率，在1960～1975年为460MW/年，1976～1980年为1500MW/年， 1981～1998年为2096MW/年。

(三)新型半导体换流设备的应用

20世纪90年代以后，新型氧化物半导体器件一绝缘栅双极晶体管(IGBT)首先在工 业驱动装置上得到广泛的应用。1997年3月世界上第一个采用IGBT组成电压源换流器的 直流输电工业性试验工程在瑞典中部投人运行，其输送功率和电压为3MW、10kV, 输送 距离为l0km，这种被称为轻型直流输电的工程在小型输电工程中具有较好的竞争力。到 2000年，在瑞典、澳大利亚、爱沙尼亚和芬兰等地已有5个轻型直流输电工程投人运行。 由于IGBT单个元件的功率小、损耗大，不利于大型直流输电工程采用。近期研制成功的 集成门极换相晶闸管(IGCT)和大功率碳化硅元件，在直流输电工程中有很好的应用前 景。这类元件的电压高、通流能力大、损耗低、体积小、可靠性高，并且它还具有自关断 能力。因此，这些新型的半导体换流器件将会取代普通晶闸管，并将有力地推动直流输电 技术的发展。

二、中国直流输电发展

(一) 实验装置建设及换流设备研制

中国的直流输电是在1958年考虑长江三峡水利资源的开发以及三峡电站的电力外送 问题时提出的。1963年在中国电力科学研究院建成1000V , 5A的直流输电物理模拟装置。

该套装置主要包括:两组由闸流管组成的六脉冲换流器、换流变压器模型、平波电抗器模 型、输电线路模型以及电磁型和电子型的控制保护装置等。利用该套装置开始了对直流输 电换流技术及控制保护系统的研究。20世纪70年代以后，对该套装置进行了技术更新和 改造，用晶闸管替换了原来的闸流管并采用了数字式的控制保护系统。80年代，随着 葛一南大型直流输电工程的技术引进，从瑞士BBC公司引进了一套先进的大型直流输电 模拟装置，它主要包括：8组由晶闸管组成的12脉动换流器及其配套的8组换流变压器、 交流滤波器、直流滤波器及平波电抗器模型；60组可以模拟3000km直流(或交流)线路 的线路模型；5组数字式发电机模型；2组交流电源模型；1组静止无功补偿模型以及相 应的交、直流开关模型及避雷器模型等。控制保护采用与葛一南直流工程相同的由可编程 高速处理器(PHSC)组成的微机控制系统。每组l2脉动换流器的额定参数是200 V 、

250mA、50W。该套模拟装置在葛一南直流工程的系统研究、调试和运行的研究工作中起 了重要的作用，同时还为天一广直流工程、三峡向华东及广东送电、西北向华北送电等直 流工程，进行了大量的研究工作。90年代，在该套装置上又增加了全数字化的直流输电 仿真系统(RTDS)，并且与暂态网络分析装置(TNA)相连，从而具备了进行更大规模试

验研究工作的能力。在此基础上，在中国电力科学研究院成立了电力系统仿真中心。与此 同时，在浙江大学、华北电力大学以及西安高压电器研究所也先后建立一了不同类型的直流 输电模拟装置并进行了各项研究工作。为了开展对直流高电压技术的研究，在中国电力科 学研究和西安高压电器研究所还建立了能够满足?500kV直流输电工程的研究工作所需要 的直流高压发生器，并开展了直流高电压技术的研究。

换流设备是实现直流输电的关键设备。中国直流输电的发展起步较晚，它跨越了汞弧 阀换流时期，在20世纪70年代直接从晶闸管换流阀开始，并同时对直流输电的其他设备 也进行了试制。在西安和上海先后建立了相应的试验装置和试验工程。

1974年在西安高压电器研究所建成8.5kV、200A，容量为1. 7MW的背靠背换流试验 站。整流侧和逆变侧各采用1组6脉动换流器，共有12个晶闸管换流阀，其中10个换流 阀是由16个2000V、 200A的晶闸管串联组成；2个换流阀是由48个200～1000V、 200A的晶闸管组成。在此之前曾对由52个晶闸管串联的换流阀样机进行了大量的试验研究。换 流阀为空气绝缘、风冷却、户内式结构，触发方式为电磁型，控制系统采用模拟式按相控 制。利用该试验站除对全部一次设备和二次设备进行大量的考核试验外，还对直流输电的 控制保护特性以及各种故障类型进行了试验研究。以上工作对舟山直流输电工程的设备制 造打下了良好的基础。

1977年在上海利用杨树浦发电厂到九龙变电所之间的23kV交流报废电缆，建成 31kV, 150A, 4.65MW的直流输电试验工程，全长8.6km。整流站和逆变站各采用一个6 脉动换流器。换流阀由64个2000V、 150A的晶闸管串联组成，采用空气绝缘、通油冷却、 户内式结构，触发方式为电磁型，控制装置采用数字式等距脉冲触发系统。两端换流站交 流侧装有5次、7次和高通滤波器，直流侧装有1H的平波电抗器。工程建成后对全部设 备进行了各种现场试验和考核，并对换流站产生的谐波和无线电干扰进行了实测和分析。 以上工作为舟山直流输电工程的设计、调试和运行积累了经验，进行了技术准备。

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