特高压直流输电和新型直流输电.doc

浅谈特高压直流输电和新型直流输电摘要直流输电是目前世界上电力大国解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的一个重要手段。文章概述了特高压直流输电的发展、特点及特高压直流输电在我国的发展规划，并探讨了特高压直流换流站的初步设计以及特高压直流输电需要解决的过电压和绝缘问题、控制保护问题、电磁环境问题，对特高压直流输电工程的建设具有良好的借鉴作用，同时介绍了有关新型直流输电的特点。关键词特高压直流输电、新型直流输电、换流站、电磁环境、绝缘、过电压引言 我国的能源和电力负荷分布极不均衡，三分之二以上的能源需求集中在中部和东部经济相对发达的地区，而重要能源基地与负荷中心的距离一般都在8003000公里，如何充分利用自然能源中心的能源支援能源缺乏但能源需求量极大，用电负荷迅速增长的部分发达地区，如东部地区，成了非常关键而重要的问题。发展长距离、大容量电能传输技术，采用新的或更高一级电压等级，实现西南水电东送和华北火电南送，将能源高效地长距离大规模地搬迁在我国显得十分迫切和必要。因此急需发展建设特高压电网，适应电网、电源协调发展的需要，优化电力布局，显著提高电网运行的安全性和可靠性。1.特高压直流输电的定义对于特高压(UHV)定义，国际上，特高压直流(UHVDC)通常指的是600kV以上的电压。而就我国而言，特高压直流指的是800kV直流系统。特高压直流输电技术不仅具有高压直流输电技术的所有特点，而且能将直流输电技术的优点更加充分发挥。直流输电的优点和特点主要有 ： 输送容量大。现在世界上已建成多项送电3 GW 的高压直流输电工程。 送电距离远。世界上已有输送距离达1 700 km的高压直流输电工程。我国的葛南(葛洲坝一上海南桥)直流输电工程输送距离为1 052 km，天广(天生桥一广东)、三常(三峡一常州)、三广(三峡一广东)、贵广(贵州一广东)等直流输电工程输送距离都接近1 000 km。 输送功率的大小和方向可以快速控制和调节。 直流输电的接入不会增加原有电力系统的短路电流容量，也不受系统稳定极限的限制。 直流输电可以充分利用线路走廊资源，其线路走廊宽度约为交流输电线路的一半，且送电容量大，单位走廊宽度的送电功率约为交流的4倍。如直流500 kV线路走廊宽度约为30 m，送电容量达3 GW；而交流500kV线路走廊宽度为55 m，送电容量却只有1 GW。 直流电缆线路不受交流电缆线路那样的电容电流困扰，没有磁感应损耗和介质损耗，基本上只有芯线电阻损耗，绝缘水平相对较低。 直流输电212程的一个极发生故障时，另一个极能继续运行，并通过发挥过负荷能力，可保持输送功率或减少输送功率的损失。 直流系统本身配有调制功能，可以根据系统的要求做出反应，对机电振荡产生阻尼，阻尼低频振荡，提高电力系统暂态稳定水平。 能够通过换流站配置的无功功率控制进行系统的交流电压调节。 大电网之间通过直流输电互联(如背靠背方式)，2个电网之间不会互相干扰和影响，必要时可以迅速进行功率交换。2.特高压直流输电面临的技术挑战特高压直流输电面临的技术挑战主要有：(1)设备制造难度大。800 kV特高压直流输电中换流变压器、换流变压器套管、穿墙套管、换流阀等特高压直流输电设备的设计制造难度加大。(2)设备外绝缘要求高。随着电压等级的提高，设备外绝缘能否到达要求令人担心。特高压对线路绝缘子的绝缘要求很高，绝缘子在特高压情况下受直流积污效应的影响所能承受的电压与绝缘距离的关系较常规电压变化很大，可能存在拐点，即当电压达到一数值时，绝缘子长度的增加，所能承受的电压变化很小。换流站的开关场的外绝缘也要采取特殊办法。采用合成绝缘材料代替瓷和玻璃是一个解决问题的办法。设备所要求的空气净距更大。另外由于我国特高压直流输电工程经过西部高海拔地区，还必须考虑高海拔对外绝缘的影响。(3)换流站主接线的基本结构复杂。800 kV特高压直流输电换流阀采用双12脉冲阀串接，晶闸管的数量大大增加。换流变压器台数增加，一个换流站需要24台变压器，运行方式复杂，控制保护的要求高，设备布置难度大。(4)电磁环境的要求更高。电磁环境主要涉及可听噪声、无线电干扰、地面场强等方面。(5)接地极人地的电流更大。800 kV特高压直流输电单极运行时接地极入地的电流达3 125 A或4 000 A，如此大的人地电流会对周围环境造成很大的影响。如对周围金属的腐蚀；对附近中性点接地变压器产生直流偏磁，引起变压器非正常发热、噪声增大；造成附近地面电位场强增加，对人畜造成威胁。(6)极闭锁故障对电力系统的冲击。因为特高压直流输电输电容量大，单极故障或双极故障将造成受电端系统供电容量的严重不足，这会对电力系统造成很大的冲击，如果交流系统不能承受，将造成电网崩溃，引起灾难性后果，因此对受电端交流系统提出了较高的要求。3.特高压直流输电技术的应用研究3.1 特高压直流输电的基本参数 直流电压、直流功率、直流电流、线路长度是直流输电工程的基本参数。其中，直流功率 、直流电流，和直流电压 满足公式 =UI的关系。 基于提高送电容量、优化损耗和技术经N-比较的综合考虑，我国的特高压直流电压等级定为800 kV。额定电压是绝缘水平、环境影响(如电晕、电磁干扰和噪声等)、设备制造、工程设计、工程投资，以及工程建设难度的决定性因素。 直流额定功率的选择在考虑送电要求的前提下，要考虑直流系统当发生单极和双极闭锁故障时交流系统的稳定极限。如果存在问题，要么减少直流输送功率，要么加强交流系统。 在额定电压下，直流电流的大小由直流功率决定，但也与晶闸管阀片通流能力有关。直流功率选择5 GW 。直流电流为3 125 A，可以使用在土5OO kV、送电3 GW 直流工程中使用的直径为125 rlflln(简称5 in)阀片；直流功率选择为64 GW，直流电流达到4 000 A，则需要开发直径为150 mm(简称6 in)的阀片。 输电线路长度是决定直流电压选择的关键因素之一。输送距离越长(尤其是1 500 km 以上)，特高压直流输电在技术经济指标比较中的优势越明显，选择特高压直流输电方式越有必要。3.2 换流站的主接线确定特高压直流输电换流站的主接线，首先要研究换流器的结构。换流器结构可供选择的方案有4种：3.2.1 每极单l2脉冲阀组结构(见图1)与500 kV通用结构相同，结构简单、设备少、占地面积小。但由于换流变压器的质量、尺寸过大，运输到现场较困难。3.2.2 每极2组l2脉冲阀组串接(见图2)每极2组l2脉冲阀组串接结构较复杂、设备多，换流变压器的数量加倍。但换流变压器的质量和尺寸能满足运输要求，当一一个阀组出现故障时只须将其旁路，其他阀组照样可正常运行，提高了可用率(需配旁路开关)。3.2.3 每极l2脉冲阀组并联结构(见图3)每极l2脉冲阀组并联可以减少单阀组通流能力，但结构复杂、设备多，换流阀和平波电抗器的数量是单阀组的2倍。3.2.4 一端采用每极双阀组结构，另一端采用每极单阀组结构一端采用每极双阀组结构，另一端采用每极单阀组结构，以适应不同的运输条件，并发挥各自的优势。 从我国目前特高压直流输电工程的情况分析，每极2组l2脉冲阀组串接是优先选择方案有条件的工程可采用一端采用每极双阀组结构，另一端采用每极单阀组结构方案。当换流器采用每极2组l2脉冲阀组串接(或称双l2脉冲阀组串接)结构时，可以有不同的双l2脉冲阀组组合形式，如(=1=400 kV)+(土4OO kV)；(土5OO kV)+(土3OO kV)；(土6OO V)+(土2OO kV)。不同的组合形式对主设备的要求和运行方式有所不同，要综合各方面因素进行比较和优化选择。4. 特高压直流输电技术的应用中应注意的问题4.1合理选择换流站与接地极站址在特高压直流输电工程设计中，合理选择换流站站址和接地极极址是优化工程设计、降低工程投资、确保工程安全稳定运行的基础，也是可行性研究设计阶段主要的工作内容之一。4.1.1 换流站站址选择(1)大件运输：特高压换流站大件设备数量很多，运输设备尺寸大、重量大，运输方案与设备选型、换流站布置及设备制造难度等各种因素密切相关，运输方案需综合优化。特高压换流站的大件设备主要是换流变压器和平波电抗器。(2)大气环境影响：目前特高压换流站直流场外绝缘设计针对户内、户外直流场选型有多个方案可供选择。当污秽水平较高需要选择户内直流场时，每个换流站直流场造价将增加3000万元左右，需要加倍重视大气环境对换流站的影响。(3)对水源条件的要求：空气绝缘水冷却阀是近代直流输电工程的主流。阀冷却水的冷却(即外冷系统)一般采用水喷淋(湿冷)，对输送容量为50006400MW的特高压换流站，全站耗水量约为60 70m h。对于特高压换流站，汇集的水电规模巨大，换流站停运将造成水资源流失，并可能危及电网的安全稳定运行，因此特高压换流站供水水源的可靠性应适当提高。 （4）可听噪声影响：直流偏磁及谐波电流等因素，换流变压器、平波电抗 器及交流滤波器等设备的噪声很难从制造设计中得到有效控制(或控制的代价很高，或导致设备体积庞大，不能运输)，其噪声一般都达到95110dB。换流站设备数量庞大，800kV特高压换流站换流变压器可多达24台，交流滤波器l42O组，采取工程措施进行噪声治理技术复杂、难度大、投资高。在换流站选址阶段选择适当站址，避开村、镇居民聚居区等噪声敏感源，是解决换流站对周围环境影响的最根本、有效的方法。4.1.2 接地极极址选择(1)极址场地要求：特高压直流接地极人地电流大，接地极布置尺寸很大，要求极址场地的可用面积大、土壤导电性能好、导热性能好、热容率高、表层土壤厚和深层大地电阻率低。(2)极址共用：特高压直流接地极对极址场地要求苛刻，对环境和其他设施影响严重，并且由于特高压直流大容量、远距离输电的应用特点，特高压直流接地极所处地区不是西南山区，就是东部发达地区。为节省工程造价、减小对环境和其他设施的不利影响，充分利用有限接地极极址资源，若2个或多个接地极处于同一地区内，应对 甚至多个接地极共用极址方案进行论证。4.2 合理选择线路路径的(1)走廊宽度：特高压直流线路走廊宽度由合成场强控制。湿导线情况下地面未畸变合成场强按15kVm考虑，据此计算出特高压直流线路(663045导线)走廊宽度，按水平V串排列方式为76m，水平I串排列方式为84m，而500kV直流线路的走廊宽度在50m左右(2)对地距离及交叉跨越间距：确定导线对地最小距离的决定因素是合成场强和离子流密度。非居民区导线最小对地距离I串排列时为18m，V串排列时为185m；居民区导线对地最小距离I串时为21m，V串时为215m；人烟稀少的非农业耕作地区导线对地最小距离I串时为16m，V串时为17m。直流特高压线路与铁路、公路、弱电线路、电力线路、建筑物及河流等交叉时，交叉跨越间距均有较大增加。(3)自然条件恶劣地段：鉴于直流特高压线路的重要性，在路径选择时，应尽量避开重冰区、重污秽区、交通困难地区、采空区及不良地质现象发育地区。当无法避开时，应尽量缩短自然条件恶劣地段的长度。总之，建设特高压电网，可以实现大范围的资源优化配置，有效地节约土地资源，节省建设投资和运行费用，减少煤电对环境污染的影响。通过科技创新，可以有效地降低电磁环境的影响，有利于国家环保总体战略的体现，有利于保护环境，特高压输电是一项环境友好型的输电技术。5.特高压直流输电的应用前景 随着我国电网的不断发展，HVDC在电力系统中的作用越来越显著。但传统HVDC存在换相失败和在运行中对系统无功需求量大等缺点。新型直流输电作为一种新技术能弥补传统直流输电的部分缺陷。虽然新型直流输电也存在换流器上功率损耗较大，换流器造价较高，现有容量只能达到几十兆瓦，还只限于中小容量系统中应用等缺点，但与传统直流输电相比，新型直流输电有以下优点：（1)在应用到低短路比电力系统中不需要外加无功补偿设备，如静止电容或同步调相机。（2)能够独立地调节直流线路上有功和每个终端处的无功，可为交流系统提供无功支持，有利于交流系统电压稳定 。（3)在电力系统发生故障而引起系统电压下降或波形突变时，也不会发生换相失败。不依赖于交流系统去维持电压和频率稳定，与传统HVDC相比，短路容量并不重要 。（4)功率反转时直流电压极性不变，有利于构成多端直流系统。（5)通常采用PWM技术，开关频率较高，谐波成分低于传统直流输电。新型直流输电有着与传统直流输电不同的特性。首先其换流器控制量不象传统直流输电只有晶闸管触发角，而是同时有电压幅值，电压相角和频率三个可控量；其次，换流器输入输出间可以实现解耦。这些特点增加了VSCHVDC控制的灵活性同时也使其控制规律不同于CSCHVDC。协调控制研究不论是两端VSCHVDC 还是多端VSCHVDC，系统正常运行需要各终端间协调运行。直流输电已是成熟的技术，造价较高是其与交流送电竞争的不利因素。新一代的直流输电是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站的占地、降低造价的技术。直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统(Light I-1VDC)，它可采用GTL、IGBT等可关断的器件组成换流器，省去了换流变压器，整个换流变压器，整个换流站可以搬迁，可使中型的直流输电工程在较短的输送距离也具有竞争力，从而使中等容量的输电在较短的输送距离也能与交流输电竞争。结语：我国对特高压直流输电经过20多年的科学研究为特高压直流输电提供了有力的技术支撑保障了特高压直流电网的建设。在建设过程以及建成投运后，仍需要进一步加深对特高压直流问题和新型直流输电问题的研究要结合实际运行经验逐步实现标准化 中国即将成为世界上发电装机容量和发